水工混凝土防护修补质量控制与效果监测技术研究

徐志林 徐广忠 张为然

(1.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003；2.丹东市水务服务中心，辽宁 丹东 118000；3.辽宁省台安县水利局，辽宁 台安 114100)

1 概 述

随着材料科学的不断发展，水利工程建筑材料的使用也在不断地更替变化。相较于传统的土、石材料，混凝土由于其优异的工程适用性，在水利工程建筑结构中得到了广泛的应用。然而，混凝土自身也存在诸多缺点，在设计或使用不当的情况下，可导致混凝土建筑结构出现裂缝、渗漏、剥蚀和碳化等病害或缺陷，影响水工结构的耐久性。

针对水工混凝土病害缺陷，国内外相关专家学者对相关的防护修补处理技术和材料研究早已展开，也取得了丰硕的成果，各类防护修补新技术、新材料[1-2]大量涌现并在工程实际中得到很好的应用。以常见的水工混凝土病害裂缝为例，水工混凝土裂缝修补技术有裂缝表面修补法、灌浆嵌缝充填法(包括压力注浆法、涂膜封闭法、开槽填补法)、结构加固法和混凝土置换法，近年工程实际应用中常见的防护修补材料有HK-966、HK-988[3]、SK手刮聚脲[4]、环氧浆材、聚合物水泥砂浆[5]、聚氨酯浆材[6]和丙烯酸盐浆材等。

在水工混凝土病害缺陷防护修补过程中，各种修补技术、材料在应用过程中的质量控制以及修补后效果监测工作未得到相应的重视，导致防护修补过程中出现技术、材料选择不当，施工过程中质量控制不严导致修补效果差，完工后修补效果未达标引发责任纠纷等问题。因此，开展水工混凝土防护修补质量控制和效果监测相关研究具有很重要的现实意义。

2 防护修补质量控制技术

通过开展相关材料及施工过程的一系列检测与试验，归纳总结防护修补原材料质量控制、施工过程质量控制、完工质量控制三方面技术要点。

2.1 原材料质量控制指标

目前，防护修补领域尚无应用材料的统一控制标准。参照有关国家或地区的标准，在材料的基本性能满足工程需求的前提下，确定以下控制指标:

a.防护修补材料与被补材料之间的热膨胀系数差值应控制在50%以内。处于温度变化大的环境中的水工混凝土，研究其与防护修复材料的热相容性特别重要[7]，尤其是在结构初期整体防护和后期大范围修补中，热膨胀系数直接影响修补材料应力的发展。常见的聚合物修补材料有较高的热膨胀系数，为混凝土的6～14倍，在早期修补应用中常常出现分离、剥落和裂缝。为了降低聚合物的热膨胀系数，目前常用的做法是在聚合物中增加填料或骨料，但改良后聚合物的热膨胀系数仍是混凝土的1.5～5倍，导致修补材料发生膨胀时，约束力使修补材料出现开裂、翘曲或剥落。因此，在防护修补材料与混凝土基面之间的膨胀系数差值，尽量控制在50%范围之内，避免其修补的再生裂缝产生。

b.防护修补材料的弹性模量应等于或接近被补材料的弹性模量。在实际工程应用中，应保持防护修补材料与混凝土基面的弹性模量相同或相近，保证修补处受力均匀。弹性模量较低的修补材料在修补过程中表现出较高的塑性变形和较低的内部应力，避免了保护性或非结构性修补中裂缝和分离产生。

表面封堵材料、灌浆材料、界面材料在防护修补设计阶段应重点研究其材料性能及工程适用性，且在进场阶段需要在现场检查材料出厂合格证、有效期、质量检验报告和进场抽样检验报告，同时应该做生产性灌浆和涂刷试验，验证材料的膨胀量、实际涂刷面积等关键性能。

2.2 施工过程质量控制

a.裂缝连通性。在水工混凝土裂缝、伸缩缝处理中，为了防止裂缝、伸缩缝发生渗漏，需要钻灌浆孔后进行化学灌浆，才能完成缝内封堵工作。因此，保证灌浆孔与所处理的裂缝、伸缩缝的连通性是完成化学灌浆的前提条件[8]。

试验内容为检测裂缝深度，验证裂缝的贯通性。比如选取水库闸坝的闸墩一侧裂缝处灌注压力水，持续观测闸墩另一侧同高程处渗水情况。如果另一侧裂缝同高程处以下有明显的渗水痕迹，即可再加大灌注量10min，直到明显有持续水流即可停止该裂缝处灌注试验，从而确定裂缝与钻孔之间的连通情况，为后续的实际灌浆施工提供较为准确的参考数据。

b.检查孔布置。贯穿性裂缝、深层裂缝及对结构整体性影响较大的裂缝，应在施工的同时布置检查孔，且每条缝至少布置1个检查孔；每100m长裂缝布置检查孔数不少于3个，当处理长度小于100m时，也应当布置3个检查孔。

c.灌浆孔压水试验。在裂缝处灌注压力水，采用灌注压力水试验进行检测，持续观测水压力变化情况和进水量情况。

主要技术参数包括：孔径14mm，钻孔深度30～60cm，钻孔角度40°～45°，钻孔与裂缝间距30～50cm，注水压力0.3MPa(注浆机压力表)，稳压时间不少于30min。

试验检测工序为布孔和钻孔→清理混凝土表面和清孔→埋设注浆嘴(塞)→注水及观察水压力变化和进水量情况→拆嘴→封口→验收。压水检查合格后即可提交完工报告(含灌浆效果检查统计表)；对于检查不合格的区段进行补灌，直至再次检查合格。

d.灌浆密实度。为了检测内部灌浆及封堵效果，可以对处理后的部位有针对性地进行钻孔取芯，以便更为直观地观察浆液分布情况，检测内容包括深度、范围、饱和度等。现场灌浆密实度钻孔取芯验证情况见图1。

图1 现场灌浆效果钻孔取芯验证

2.3 实体质量控制

a.表观检查。对于一般涂层材料，表观要求颜色均匀、平整、无流挂、无漏涂、无针孔、无起泡、无开裂、无异物混入；对于聚脲涂层，表观要求应均匀涂覆，涂层厚度应满足设计要求，不起泡、不粉化、不剥落、不龟裂。

b.黏结性能。主要考察防护修补材料与混凝土基面之间的黏结性能。

试验设备采用SW-TJ10型碳纤维黏结强度检测仪，按照直接拉脱试验检测涂层与混凝土基面的正拉黏结强度，检测频率为每400m2抽取一组(一般现场随机抽取3个测区共9个检测点进行试验检测，检测点间距大于500mm)。当检测值不小于2.5MPa或基层混凝土破坏时满足质量控制要求。

c.涂层厚度。在涂层涂覆完成7天后，应当进行干膜厚度测试，每50m2面积检测一个点，测点总数应不少于30个。平均干膜厚度不应当小于设计干膜厚度，最小干膜厚度不应小于设计厚度的75%，当不符合上述要求时，应根据情况进行局部或全部补涂，直到达到要求的厚度为止。

检测频率及仪器设备：当每400m2抽取一组检测时，用卡尺测量黏结强度检测完成后钢标准块上留下的涂层厚度；当每100m2抽取一组检测时，采用超声涂层测厚仪直接现场检测。

3 防护修补效果监测技术

通过对近年来已完成防护修补的水利工程开展的原位跟踪观测与室内试验，开展混凝土缺陷防护修补处理前后运行状况、材料老化状况、黏结性能、现场钻芯取样试验等对比分析。

3.1 原位监测

a.运行状况。主要观测缺陷处理前后以及运行若干年后处理部位的运行状况，从而判断是否达到缺陷处理的目的，是否对原结构产生其他影响等。

下面以辽宁省后楼水库溢洪道边墙裂缝渗漏修补工程为例进行介绍。该工程修补处理前边墙裂缝渗漏明显，2011年完成裂缝渗漏修补处理，2020年开展了运行状况原位观测。观测结果表明，9年间裂缝部位表面封闭材料未出现开裂老化情况，裂缝密封效果良好，未再出现渗水现象(见图2)。

b.材料老化状况。主要观测缺陷处理材料的外观老化情况，从而判断材料是否发生劣化，是否需要进行二次补偿修复等。

后楼水库溢洪道边墙裂缝渗漏修补工程在2011年修补处理施工时调配的聚脲颜色偏蓝，运行9年后观察发现，手刮聚脲涂层的表面颜色稍微变浅，表层轻微粉化，粉状物呈白色，将粉状物抹掉之后，其颜色仍然保持原有色泽，没有明显变色表现，表明材料略微发生老化。

c.黏结性能。主要测试材料正拉黏结强度，了解防护修补材料与混凝土基面之间的黏结性能，从而评价防护修补效果。

后楼水库溢洪道边墙运行9年后，现场预留试验段实测正拉黏结强度测试结果为2.89MPa，满足正拉黏结强度大于2.5MPa的质量控制要求。试验情况见图3。

3.2 钻芯取样试验

除了通过原位跟踪观测与试验，获取运行状况、材料老化状况及黏结性能数据外，还需定期到工程现场进行钻芯取样，开展涂层厚度、碳化深度、抗冻和抗渗性能等试验，为防护效果评价提供更为可靠的依据。

a.涂层厚度。涂层厚度试验主要观察过流面涂层磨损情况和表面老化情况，通过检测涂层厚度，推断过流磨损和老化程度。试验情况见图4。

b.碳化深度。碳化深度检测主要考察表面封闭材料对混凝土的防碳化保护作用，通过检测对比分析掌握碳化未防护和防护的混凝土碳化速度的差异，进而推断碳化防护的混凝土结构的耐久性提升幅度。试验情况见图5。

c.抗冻和抗渗性能。通过抗冻性和抗渗性试验结果推断表面防护修补材料对混凝土的防冻防渗作用效果，验证材料在防渗漏、抗冻害方面的性能优势，为提升混凝土耐久性及使用寿命提供可靠的判定依据。

图5 钻芯取样后碳化深度测试试验

4 结 论

本文以水工混凝土防护修补技术实践经验为基础，总结提出防护修补质量控制与效果监测技术，对防护修补材料选择、施工过程和结构实体等关键步骤进行质量控制，并通过原位监测和现场钻芯取样对防护修补效果进行监测评价。相关成果对提升水工混凝土防护修补质量、延长混凝土工程使用寿命，具有重要指导和实践意义。