大型灌区渡槽病害处理及降糙防护技术研究

南江江

(山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024)

国内目前有大中型灌区5600多处，大型引调水工程数十处，随着早期工程运行年限的增加，大型灌区及调水工程中的各种不同类型的建筑物(如渡槽、隧洞、箱涵、水闸、管道、泵站等)均将出现不同程度的老化病害问题，且不断加剧，对工程安全和效益的发挥影响越来越大。如何在基本不影响工程正常供水的前提下，采用何种性能优越的防渗材料对老化混凝土进行修复及表面耐久性防护显得尤为重要，所以材料的选择和严格的处理技术就成为混凝土结构修补防护成败的关键。经过对禹门口灌区渡槽病害检测评估和机理研究，提出了一套系统性水工混凝土修补加固及防护技术方案。

1 渡槽的病害问题

禹门口灌区工程14座输水渡槽均为U形薄壳结构，槽壳直径3.6m，槽深2.7m，跨长10～15m，壁厚14cm。槽身采用R300号钢筋混凝土结构简支于两端排架上，槽身顶部设拉梁，中间设宽人行走道，槽身由钢筋混凝土排架支撑。

禹门口灌区渡槽已运行20余年，建筑物的老化病害现象日趋严重，主要表现为混凝土剥落、冻融剥蚀、钢筋外漏锈蚀、混凝土严重碳化、伸缩缝止水老化渗水漏水等现象，严重影响工程输水安全，需对其进行修复加固。并且本渡槽又增加了为山西省大水网禹门口东扩工程的输水任务，输水流量需达到18m3/s。而原输水能力仅有14m3/s，需要找到一种低成本、高效率的改造方式，来修复加固渡槽并能提高其过流能力。

2 混凝土剥蚀修补处理技术

2.1 混凝土剥蚀机理

薄壁结构混凝土极易受到冻融破坏，主要破坏机理为：混凝土中的孔隙水在温度降低至零摄氏度以下结冰时，体积膨胀产生的膨胀力会降低混凝土强度，在反复冻融造成的疲劳破坏及钢筋锈胀的同时作用下，最终会导致表层的混凝土大面积剥蚀，因此修复已剥蚀的混凝土，同时必须加强混凝土表层的防护。

2.2 改性水泥砂浆的特点

改性水泥砂浆是乳胶和水泥砂浆的一种聚合物。其中的乳胶脱水后形成的胶粒，充填了水泥砂浆间的孔隙，提高了聚合物的密实性，加强了粘结性和延展性。与普通水泥砂浆相比，改性水泥砂浆的强度高、渗透性低、粘接力大，因此改性水泥砂浆适合对受剥蚀的混凝土表面进行修补。

由于聚合物水泥砂浆良好的抗渗性，较高的抗折强度及其良好的适应变形能力，因此作为高等级水泥混凝土建筑修补材料，不但减少了水泥混凝土面层的开裂，延长了使用寿命。相对普通混凝土或砂浆，聚合物则对水泥砂浆改性后改善了其脆性大、干缩变形大、抗腐蚀性不佳等特点，并使聚合物水泥材料向柔性材料方向发展。

聚合物改性纤维水泥砂浆的材料配比：改性丙烯酸酯类乳液∶水泥∶砂∶水∶减水剂∶纤维∶消泡剂=20%∶1∶2∶2.8%∶0.7%∶0.25%∶0.2%，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥。其主要物理力学指标见表1。

表1 聚合物纤维水泥砂浆主要物理力学指标表

2.3 工艺技术

(1)采用电锤将剥蚀混凝土及劣质混凝土等凿除，边沿尽可能垂直且呈凸多边形，深度以至坚固基面并不少于1cm控制。

(2)对锈蚀的钢筋先除锈，再刷防锈剂。

(3)对处理面用高压水冲洗干净。

(4)冲洗后的基面保持潮湿状态，但不得有积水，先涂刷一层聚合物水泥净浆(乳液∶水泥=1∶2)，涂刷均匀后即可进行聚合物纤维水泥砂浆施工。

(5)待表面不粘手时，刷一层聚合物水泥净浆封闭表面空隙，采用塑料薄膜覆盖保湿，1d后进行喷雾保湿养护。

3 伸缩缝的修复处理技术

3.1 伸缩缝老化失效机理

现状渡槽伸缩缝预留槽底部粘贴三层玻璃丝布，缝内上部采用聚氯乙烯胶泥填平，具体做法如图1所示。改造前现场测量伸缩缝最大缝宽5cm，最大变形位移2cm，伸缩缝表层胶泥被扯断裂，缝内外侧沥青麻丝脱落致使玻璃丝布风化老化，造成渡槽伸缩缝处不同程度渗水、漏水、冬季输水挂冰现象，危及渡槽安全。

图1 渡槽伸缩缝改造前大样图

3.2 伸缩缝的修复方案

结合禹门口灌区渡槽工程的特点及要求，为了保证渡槽伸缩缝能够适应微小转动或不均匀沉降的变形功能及止水效果，采用预留槽内嵌入能够适应较大变形的U形FZ型复合橡胶止水带。为保障上部聚合物纤维水泥砂浆与止水带的良好结合，止水带上部表层挂一层钢丝网，在钢丝网表面槽内填充聚合物纤维水泥砂浆。为了防止缝内填充的沥青麻絮风化老化，在伸缩缝底部采用柔性的厚3cm的双组份聚硫密封膏对伸缩缝外侧进行密封保护。伸缩缝改造方案如图2所示。橡止水带采用FZ型复合型止水带，技术指标见表2。

图2 渡槽伸缩缝改造后大样图

表2 橡胶止水带技术指标表

该止水结构的特点：①采用预留槽内嵌入能够适应较大变形的U形FZ型复合橡胶止水带，止水带中部的U形槽尺寸根据接缝变形设计，可以适应槽身微小转动或不均匀沉降的变形；②橡胶止水带嵌埋在聚合物水泥砂浆和沥青麻絮中间，可以增加其耐久性；③止水带上部表层粘挂一层钢丝密目网，可以增加聚合物纤维水泥砂浆与止水带的良好结合；④伸缩缝底部采用柔性的厚3cm的双组份聚硫密封膏对伸缩缝外侧进行密封保护，防止沥青麻絮风化脱落；⑤采用U形FZ型复合橡胶止水带结合柔性良好的双组份聚硫密封膏和性能优越的SK手刮聚脲三重柔性防护止水结构形式，提高防渗止水保障。

3.3 工艺技术

(1)将缝内杂物清理干净，冲洗干净并保持混凝土面干燥，采用聚合物水泥砂浆对基层混凝土表面修补整平。

(2)伸缩缝槽内底部粘贴U型橡胶止水带，在止水带外侧用聚合物砂浆坐浆挂钢丝网，再在预留槽内填充聚合物纤维水泥砂浆至密实并表面平整。

(3)在填充的聚合物纤维水泥砂浆表面及两侧手刮SK单组份聚脲，涂层宽度40cm、厚度不小于4mm(中间厚、两侧薄)，手刮聚脲应在界面剂允许的时段内进行施工，应均匀、平整、光滑。

(4)伸缩缝内嵌入的U型橡胶止水带外侧采用沥青麻絮填塞密实，最外侧采用厚3cm的双组份聚硫密封膏填压密实。

4 槽身内壁降糙处理技术

选择一种具有可靠的防渗性、柔韧性、抗冲磨、优良耐久性和环境友好的低糙率表面防护涂料，通过降低渡槽过流断面的糙率来提高渡槽的过流能力，是一种低成本、高效率的改造方式。

4.1 单组份聚脲材料的特点

通过室内材料性能试验研究和现场工艺性试验，单组份聚脲材料的特点：①施工不需要人工配比，固化过程中，无CO2产生，修补表面不会有气泡，可以任意厚度成膜，材料质量易保证不需要专门的设备，分层施工能保证涂层厚度的均匀性，可以多个工作面同时施工，提高工作效率；②单组份聚脲材料为脂肪族，耐老化性能好，不变色；③在室温或-45℃低温环境下，与基层混凝土粘接强度相差不大；④冻融循环300次前后粘结强度均大于3MPa；⑤在低温环境下仍具有良好的柔性，在-45℃拉断伸长率为144%；⑥圆环高速水流冲刷实验结果表明聚脲涂层抗冲磨性能非常优异，是C50混凝土材料的100倍以上；⑦无毒，对水质无污染。

单组份聚脲主要物理力学指标见表3。

表3 单组份聚脲主要物理力学指标表

4.2 降糙防护机理

渡槽内壁混凝土保护层厚度欠缺，在碳化及水中腐蚀性离子的影响下，内部钢筋产生锈蚀、膨胀，进而引发表层混凝土的剥落，因此对于渡槽这种薄壁混凝土结构，加强表层防护是非常关键的，能够阻滞钢筋锈蚀的发展，保证结构强度。渡槽槽身为钢筋混凝土结构，糙率为0.014，而试验结果表明单组份手刮聚脲材料的糙率仅为0.0089～0.0097。槽身内壁涂刮聚脲涂层后，一是表面比较光滑，二是聚脲材料是憎水性材料，在降低过流表面糙率的同时，对混凝土表面能够起到很好的防护作用。改造后的渡槽糙率为0.01，经过流能力复核，现渡槽断面尺寸即可满足流量18m3/s的要求。

4.3 工艺技术

(1)底层处理。对修补完成后的槽身内壁用角磨机对表面进行全面打磨冲洗并风干。

(2)刷界面剂。在混凝土表面均匀涂刷界面剂。

(3)手刮SK单组份聚脲涂层。手刮聚脲时间要在界面剂初始固化(沾手而不拉丝时)时涂刮第一遍手刮聚脲，后序涂刮应在前一道涂刮表干后进行，大面积聚脲刮涂遍数3～4遍，直至达到设计厚度2mm，聚脲应单向均匀涂刮，两次涂刷手刮聚脲作业面之间的搭接宽度应不小于50mm。手刮聚脲之间停歇时间大于一天以上或有水，需要底层聚脲表面刷一遍活化剂。

(4)养护。聚脲涂刮完成后，12h内不要有水浸泡，大于5℃气温常温养护72h。

5 混凝土防碳化处理技术

5.1 混凝土碳化机理

混凝土碳化是混凝土中Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成CaCO3，混凝土pH值逐渐降低，只有在强碱性环境中才能稳定存在的钢筋表面的钝化膜，当混凝土pH值降低到一定值时，钝化膜分解破坏，失去了对钢筋的保护作用，导致钢筋生锈膨胀，致使表层混凝土开开裂剥落。运行20余年的禹门口灌区渡槽混凝土多处碳化深度已达钢筋层，造成混凝土大面积剥落，已失去对钢筋的保护作用。经检测，对渡槽混凝土结构表面进行防碳化处理，可大大延长建筑物的使用寿命。

5.2 混凝土防碳化方案

目前，国内水利工程防碳化处理多采用涂层封闭法，渡槽内壁采用单组份聚脲涂层进行了全面防渗降糙的同时，已具备了防碳化功能；对于渡槽外壁和排架，由于不长期接触水，选用柔性聚合物水泥防水涂料。防碳化涂料有多种，如改性VAE、PCS、SK-优龙等，均具有较好的防碳化效果。根据现场试验及工程应用情况，柔性的VAE防碳化涂料防渗性能优异、耐候性好，施工简便，价格便宜等优点。

由于槽身及排架的混凝土碳化速度较快，为了延缓发展，提高混凝土耐久性，考虑在结构表面涂刷柔性的改性VAE防碳化涂层，可提高混凝土防碳化能力10倍。各层改性VAE防碳化防碳化材料的配比见表4，主要物理力学性能见表5。

表4 改性VAE防碳化涂料配比

表5 改性VAE防碳化涂层主要物理力学指标表

5.3 工艺技术

(1)基底混凝土处理。将损坏的混凝土清除干净，采用聚合物纤维水泥砂浆对混凝土构件残缺部分进行修补复原，全面打磨清洗干净并充分风干。

(2)喷涂或辊涂防碳化涂料。在混凝土表面涂刷4遍改性VAE防碳化涂层，每一遍涂层表面风干后，才可喷下一遍，涂层总厚度不小于1mm，喷涂要均匀光滑。

6 结语

禹门口灌区渡槽加固后通过现场监测试验，混凝土弹性模量相对加固前提高29%，说明修补加固对渡槽性能改善效果明显。修补加固后，渡槽设计水位运行一天可多输水近28万m3，过流能力显著提高，具有重大的经济社会效益。通过维修改造、降糙防护处理，渡槽工程焕然一新，相关病害问题已消除，经过6a的运行检验，无渗漏水现象，处理效果依然良好。

选用有效的修补材料、合适的材料配合比及严格的工艺技术是混凝土结构修复工作成败的关键。禹门口渡槽系统性的修补加固防护处理技术方案为水工混凝土工程尤其是薄壁混凝土工程的修补加固、防护及提高过流能力积累了宝贵经验，值得类似工程借鉴和推广。