水工混凝土缺陷修补加固技术分析

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摘要：通过对唐徕渠水工混凝土缺陷修补加固技术进行应用试验，在不改变原有水工建筑物使用功能和技术参数的情况下，针对水工混凝土不同程度缺陷表面进行降糙、补强、防渗、抗冻等修补加固处理，以提高灌溉渠道及建筑物的使用寿命。

关键词：水工混凝土；修补加固；技术应用；施工技术

1工程概况

唐徕渠是宁夏引黄灌溉最大的干渠，全长294km，其中干渠长147.7km，支干渠长146.3km，渠道砌护率73%，沿线主要建筑物有直开口513座、涵洞44座、水闸51座、渡槽20座、陡坡跌水1座、桥梁240座，各类建筑物共计869座。干渠进口设计流量127m3/s，年均行水185d左右，近年年均引水量9.8亿m3，承担着宁夏9个市县120多万亩（1亩≈0.067hm2）农田灌溉以及典农河、沙湖、星海湖等19万亩湖泊湿地的补水任务。

2唐徕渠水工混凝土主要缺陷问题分析

唐徕渠灌区冬季气候寒冷，但为增加土壤墒情又必须进行冬灌，冬灌结束时间多为每年11月20日前后，日平均气温已到零下。渠道停水后蓄积在渠道内坡的水分来不及完全向外渗出就冻结在渠道土壤内，在冬季遇上极端低温天气冻胀变形异常增大，对砼冻融剥蚀破坏异常严重。尤其是挖方渠道，冬灌停水后渠道自身的水分不能及时向外渗出，外坡或田间来水又补充在渠道内，造成渠道土壤含水量大增，对砼冻融剥蚀破坏更为严重。以唐徕渠西门桥下（唐徕渠桩号73+235）渠道混凝土为例，渠道于2003年进行全断面衬砌，底板衬砌采用40cm厚的混凝土浇筑，混凝土标号为C30、F200、W6。工程运行10多年后，出现大面积冻融剥蚀破坏，局部剥蚀深度达10cm左右，部分底板表面钢筋已经露出。通过对渠道运行状况及施工工艺分析，发现混凝土冻融剥蚀破坏的主要原因有：①在混凝土拌和、运输、输送过程中，引气剂引发的微小气泡大量损失，混凝土含气量远低于抗冻混凝土含气量的要求，导致混凝土抗冻标号达不到设计要求；②混凝土振捣不密实、养护不到位或者表面受冻害等因素。

3唐徕渠水工混凝土缺陷修补加固技术应用试验

为提高渠道及建筑物使用寿命，在不改变原有水工建筑物使用功能和技术参数的情况下，管理处对西门桥下渠底混凝土表面进行降糙、补强、防渗、抗冻处理试验，修复加固方案如下。

3.1修补方案

方案一：重度剥蚀部位修补。剥蚀深度大于30mm区域为重度剥蚀区，采用聚合物混凝土和聚合物砂浆进行修补处理，具体方案见图1。方案二：中度剥蚀部位修补。剥蚀深度5～30mm区域为中度剥蚀区，建议采用聚合物砂浆进行修补处理，具体方案见图2。方案三：轻微剥蚀或暂未剥蚀需修补部位，采用4种不同的防护材料进行整体防护处理。整体防护的目的主要是为混凝土提供一个整体防护、防渗涂层，杜绝空气、水分进入混凝土内部，防止冻融剥蚀、钢筋锈蚀、混凝土碳化等老化病害的发生和发展。第一种：聚合物水泥基类涂料[1]，如SK9608渗透型防渗防碳化涂料，是由高分子聚合物乳液、水泥、石英粉、外加剂组成的水性涂料，属绿色环保材料，具体方案见图3。第二种：环丙涂层材料。以环氧树脂、丙烯酸聚氨酯为主要材料，如HY804有机硅环丙树脂涂料，具体方案见图4。第三种：聚脲涂层。聚脲是由异氰酸酯组份反应生成的一种弹性体涂层材料，具体方案见图5。方案四：重新浇筑混凝土表面撒播强化料处理方案。凿除冻融剥蚀混凝土，凿除深度20cm，重新浇筑C30F200W8混凝土，表面撒播混凝土强化料进行压光。

3.2修补防护处理方案的优势特点

[2]SK9608涂层：具有优异的粘结强度、延伸性、韧性和耐久性；粘结牢固，涂层致密，良好的抗渗性；有效阻止水分、CO2、Cl-、SO42-对混凝土腐蚀性破坏；可在潮湿或干燥基面上直接施工；其为水性涂料，属绿色环保材料。HY804环丙涂层：具有良好的粘结强度，确保涂层与混凝土基础粘结牢固；具有较高的韧性、抗压强度和抗冲击性能；涂层连续、致密光滑，表面平整，糙率系数极低，提高流速和过水能力；丙烯酸聚氨酯面漆具有优异的耐候性、耐紫外线、耐化学品性、耐盐雾性能、耐冲击性和耐磨性，野外暴露环境条件下使用寿命达20年以上。聚脲涂层：具有良好的抗拉强度高（＞15MPa）和断裂伸长率（＞300%）；粘结强度高，涂层与基层粘结牢固；喷涂一次成膜，无接缝、连续，快速固化，施工速度快；不含有挥发性溶剂，属环保绿色材料。重新浇筑混凝土表面强化料：能够提高混凝土表面硬度和强度；大幅度提高混凝土表面耐磨性能和抗冲刷性能；通过选择强化料颜色，混凝土表面更加具有装饰性。3.3施工工艺及技术要求3.3.1应用范围适用于渠道、溢洪道、水闸、渡槽、桥梁等水工混凝土建筑物的修补及防护处理。3.3.2主要材料主要材料包括HY801底涂界面剂、HY804有机硅烷丙烯酸复合涂料、M901丙烯酸聚氨酯面漆、SPC界面剂、SPC聚合物砂浆、SK9608防渗防碳化涂料，性能指标如下。HY801底涂界面剂性能指标检验项目：表干时间小于等于6h，粘结强度大于等于2.5MPa。HY804有机硅烷丙烯酸复合涂料性能指标检测项目：抗压强度大于等于60.0MPa，抗折强度大于等于10.0MPa，粘结强度大于等于2.5MPa，抗冻标号大于等于F300，抗渗标号大于等于W12。M901丙烯酸聚氨酯面漆性能指标检验项目：表干时间小于等于4h，表干时间小于等于24h；在耐候性（人工加速老化1000h）方面，气泡、剥落、粉化等级为0；在耐碱性（30d）方面，无气泡、剥落、粉化现象；在耐酸性（30d）方面，无气泡、剥落、粉化现象；附着力大于等于1.5MPa；在抗冻性（200次冻融循环）方面，无脱落、破裂、气泡现象。SPC界面剂技术指标检验项目：干粉状时均匀一致，无结块；液状时搅拌均匀后呈均匀状态，无结块，无沉淀；剪切粘结强度（7d）大于等于0.7MPa；拉伸粘结强度（7d未处理）大于等于0.3MPa。SPC聚合物砂浆技术指标检验项目：抗压强度大于等于30MPa，抗折强度大于等于8MPa，粘结强度大于等于4MPa，抗冻标号大于等于F300，抗渗标号大于等于W12。SK9608渗透型防腐防碳化涂料技术指标检验项目：抗压强度大于等于30MPa，抗折强度大于等于8MPa，粘结强度大于等于1.5MPa，抗冻标号大于等于F300，抗渗标号大于等于W12。聚脲应符合DL/T5317—2014《水电水利工程聚脲涂层施工技术规程》有关技术要求。混凝土强化料应符合JC/T906—2002《混凝土地面用水泥基耐磨材料》有关技术要求。3.3.3修补工艺及技术要求基础处理：①对混凝土表面采用合金磨片进行打磨，直至露出坚硬、新鲜的混凝土基面；②对冻融剥蚀、漏筋部位采用SPC聚合物砂浆进行修复；③对混凝土裂缝、漏水部位采用高压灌浆工艺进行化学灌浆处理；④采用高压水冲洗干净混凝土表面。配制材料：①涂层材料必须按配比严格配制，不得随意加水稀释；②涂层材料充分搅拌均匀，切记一次拌料不能太多，随用随拌。涂层施工：①充分湿润混凝土表面，均匀涂刷1道SPC界面剂；②刮涂涂层材料，根据各自材料特性按照技术要求刮涂相应层数，控制刮涂厚度；③对于立面、斜面和底部，一次涂层厚度要薄，防止流淌；④特殊部位如存在蜂窝、麻面、破损部位，可适当增加涂层次数；⑤根据各自材料特性自然养护7～14d即可投入运行。

4水工混凝土缺陷修补加固技术在宁夏引黄灌区的应用思考

4.1宁夏引黄灌区工程建设现状

混凝土砌护渠道具有防渗抗冲、耐用美观等诸多优点，因此在宁夏引黄灌区节水改造项目中被大量采用。据统计，宁夏引黄灌区主要包括卫宁灌区、青铜峡灌区和扬黄灌区三大灌区，包含干渠及支干渠91条共计2214.8km，各类渠系建筑物7615座，灌溉面积达784万亩。自1998年以来，宁夏引黄灌区从区情出发，以水资源高效利用为中心，以基础设施建设为重点，启动实施了宁夏大型灌区续建配套与节水改造项目，主要实施渠道衬砌加固以及病险建筑物改造工程。截止目前，已衬砌加固渠道1865.8km，砌护率达到84%。

4.2宁夏引黄灌区水工混凝土缺陷原因分析及修补加固的必要性

由于宁夏地处西北内陆干旱半干旱区，气候冬季严寒、夏季炎热，冬季最低气温可达﹣22℃以下，日平均气温在零下的时间多达90余天。冬灌停水时间在11月下旬，一般平均气温在﹣10～﹣2℃之间。受多种因素影响，部分渠段渠水不能及时排出，导致混凝土表面结冰，形成了一个封闭层使土壤中的水分也无法正常排出，且部分混凝土工程因建设标准较低、施工质量把控不严等各种主观和客观因素的影响，在连续冻胀和冻融作用下，衬砌渠道以及水工混凝土建筑物在运行中屡次出现冻胀破坏现象，造成衬砌面的破损、变形、裂缝甚至是渠道滑坡等情况，渠道防渗效果大大降低[3]，渠道运行安全性无法保障，影响到水的利用率及工程效益的发挥。根据检查评估统计，目前宁夏引黄灌区中运行超过10年的衬砌渠道，已经出现不同程度的冻胀破坏现象，而且随着工程运行年限的增加，混凝土冻胀破坏会日益加剧。因此，混凝土修补防护材料和工艺技术在灌区工程中大面积推广利用，对延长水工混凝土使用寿命、降低渠道及建筑物的运行维护成本、提高灌区水工程效益有着重要意义。

4.3水工混凝土缺陷修补加固方案试验结果

根据唐徕渠渠道底板冻融剥蚀修补防护处理现场试验，经过一个冬季运行，在2021-03-15进行现场勘查发现，大部分修补底板表面平整、无空鼓、无开裂、无剥蚀现象，修补质量较好。结合渠道破坏状况、现场试验情况以及类似工程修补经验，推荐以下修补方案。轻度剥蚀（剥蚀深度小于5mm）部位修补：局部SPC聚合物砂浆修补，表面HY804有机硅烷丙烯酸复合涂料防护处理（1.5mm）。中度剥蚀（剥蚀深度5～30mm）部位修补：采用聚合物砂浆+SK9608渗透型防腐防碳化涂料进行修补处理。重度剥蚀（剥蚀深度大于30mm）部位修补：采用聚合物混凝土和聚合物砂浆进行修补处理。

4.4水工混凝土缺陷修补加固方案应用推广建议

根据《宁夏水利建筑工程预算定额》测算，水工混凝土轻度剥蚀修补成本约150元/m2，中度剥蚀修补成本约300元/m2，重度剥蚀修补成本约470元/m2。而如果拆除重建，按照目前渠道衬砌40cm厚度测算，拆除重建费用约400元/m2。因此，从施工成本、施工难度、工期等综合因素考虑比较，建议在水工混凝土出现轻度剥蚀时采取第一种修补方案，即局部SPC聚合物砂浆修补，表面HY804有机硅烷丙烯酸复合涂料防护处理（1.5mm）方案最为经济可行。

参考文献：

［1］李文川，刘长海.聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用研究［J］.四川水泥，2017（7）：16.

［2］陶东，马文波，郭振莉，等.宁夏固海灌区长山头渡槽伸缩缝防渗处理新技术［J］.中国建筑防水，2020，（2）：45-49.

［3］朱思远，陆立国，顾靖超.宁夏引黄灌区渠道砌护破坏原因分析与防治措施研究［J］.节水灌溉，2011（4）：44-47.

作者：徐辉 陶东 康婷 单位：宁夏回族自治区唐徕渠管理处