水工混凝土建筑物的病害診斷與修補

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簡介： 2001年10月中國水利學會水工結構專業(yè)委員會和中國水力發(fā)電學會水工及水電站專業(yè)委員會所屬的水工混凝土建筑物病害修補和處理分專業(yè)委員會，在湖南張家界召開了第六屆全國水工混凝土建筑物病害修補和處理技術交流大會。 這次大會對近幾年我國有關水工混凝土建筑物的病害檢測、評估與修補、加固方面工作的新進展、新材料、新技術、新工藝等，進行了交流。
關鍵字：水工混凝土 建筑物 病害 診斷修補

　　2001年10月中國水利學會水工結構專業(yè)委員會和中國水力發(fā)電學會水工及水電站專業(yè)委員會所屬的水工混凝土建筑物病害修補和處理分專業(yè)委員會，在湖南張家界召開了第六屆全國水工混凝土建筑物病害修補和處理技術交流大會。這次大會對近幾年我國有關水工混凝土建筑物的病害檢測、評估與修補、加固方面工作的新進展、新材料、新技術、新工藝等，進行了交流。

　　一、對所有報告的簡單評述

　　這次大會共收到57個單位提供了54篇報告，這些遠非能概括近年來水工混凝土建筑物的病害診斷與修補方面所取得的新成就。根據(jù)所提供的報告，歸納起來可得到三點看法：

　?。?）水工混凝土建筑物因所受水荷載及溫度變化等條件的不利影響，建成后往往帶病運行，運行后又有一個老化過程，因此需要精心地檢查、維護和修理才能保證其安全運行。否則，即一定期限后就會發(fā)生嚴重事故。

　?。?）實踐經(jīng)驗表明，許多預防老化病害的措施，在規(guī)劃設計和施工階段就應認真考慮并實施。假如當年設計和施工人員對老化病害能有較深的認識并采用有效的預防措施，則某些嚴重事故原本是可以避免或延緩的，假如使用階段對建筑物進行定期檢驗或檢查，并對任何損壞及時修補，使輕微的損傷進一步減少到剩下的風險是允許的為止。這樣，建筑物的安全使用期限將會大大延長。

　?。?）圍繞著建筑物病害診斷與修補這一課題，進行了大量科研工作和工程實踐，并取得了很大的進步，所有這些新發(fā)展，看來是“新技術進步開發(fā)了新的應用領域，而應用又反過來為新技術進步提供了動力”這一原則的典型例證。

　　二、病害檢測與評估

　　水工混凝土建筑物各種病害、缺陷，大多始發(fā)于或顯露于結構外表面，如裂縫、破損、磨蝕、滲漏、鋼筋銹蝕以及結構外觀變形等。有些病害的起因比較簡單，僅根據(jù)現(xiàn)場仔細檢查、測繪病害的形態(tài)、范圍和程度，就可以分析清楚和做出判斷。實際上，許多嚴重病害，大部分是可以用目測發(fā)現(xiàn)的，但目測必須系統(tǒng)化，由經(jīng)驗豐富的技術人員進行。但有一些病害的情況卻很復雜，病因亦很多，需要結合具體工程條件進行多方面檢測、試驗或調查工程的設計、施工資料，經(jīng)過綜合分析后，才能得出比較清楚的認識和做出恰當?shù)脑u估。

　　順便指出，對建筑物的病害做出正確評估，一方面應重視原形觀測資料的分析，在實測數(shù)據(jù)可靠的情況下，如位移、變形、滲水量、揚壓力、裂縫擴展等，主要根據(jù)它們的變化趨勢來評價建筑物的安全與否，這種方法簡單易行，目前多以效應量的變化趨勢作為評估依據(jù)；另一方面是離不開有經(jīng)驗的專業(yè)人員和專家相結合進行現(xiàn)場觀察檢查，以及對實測資料的全面綜合分析并做出安全評價。這是因為對建筑物的安全評價，還沒有達到做出規(guī)范的可能，也不可能有不變的統(tǒng)一標準。所以主要還是靠有豐富經(jīng)驗的工程技術人員，憑他們的實踐經(jīng)驗，對各種資料做出正確的解釋，并依靠從類似工程或處理類似情況得來的經(jīng)驗審慎地做出安全評價。

　　裂縫是混凝土建筑物最常見的病害之一，可以說，所有混凝土建筑物都有裂縫存在，只是裂縫數(shù)量的多少及危害程度有所不同而已。裂縫大體上可分為兩類：一是施工期出現(xiàn)的裂縫，主要是濕度、干縮引起的；二是運行期出現(xiàn)的裂縫，其原因比較復雜，包括荷載、溫度、地震、基礎變形及化學反應等。有些裂縫僅從外觀形態(tài)、工程特征及環(huán)境條件上就可找到原因。例如，鋼筋銹蝕后的沿筋裂縫，外觀上容易判別；若從混凝土密實度、保護層厚度、碳化深度等方面進行檢測，將有助于深入認識并制定合理處理方案。

　　對于混凝土內部缺陷，如蜂窩、孔洞、溶蝕及混凝土疏松部位等，可采用回彈儀測強法、超聲法或超聲——回彈綜合法、射釘法等來檢測評估。近年來國內在這方面有較大發(fā)展，應用面波儀、探地雷達進行缺陷檢測。探地雷達方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁波技術，利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的傳遞時間、幅度與波形資料可推斷介質內部結構。這次大會有2篇文章中有報導?？傊?，各種類型的病害缺陷需要有與之相應的檢查診斷手段，需要有經(jīng)驗的專業(yè)人員進行檢測評估。大多數(shù)病害檢測仍需要檢測混凝土現(xiàn)實強度，最直觀、最有效的手段仍是鉆芯取樣，同時可檢查內部缺陷，如滲水路徑、裂縫、孔洞、疏松夾層、混凝土與巖石接合情況等，當懷疑有堿骨料反應時，對芯樣進行膨脹試驗、切面觀察、含堿量測定等，有助于綜合分析和做出合理評價。

　　三、新材料

　　1、水泥基滲透結晶型防水材料

　　近年來，由于多種原因導致混凝土材料抗?jié)B性降低的情況日趨嚴重，引起國內外工程界的極大關注。水泥基滲透結晶防水材料是波特蘭水泥、硅沙和多種特殊的活性化學物質組成的灰色粉末狀無機材料。1942年由德國化學家發(fā)明，70年代國外市場暢銷，由于價格原因，直到90年代才開始進入我國市場。例如，由加拿大引進的XYPEX水泥基滲透結晶型防水材料系列產(chǎn)品在上海、北京、廣州等地區(qū)獲得較多應用，在水工混凝土建筑物防滲修補中也逐漸得到應用，如天生橋二級、大坳、安康、十三陵水庫等工程均取得良好效果。這種材料的作用機理是特有的活性化學物質利用水泥混凝土本身固有的化學特性和多孔性，以水為載體，借助于滲透作用，在混凝土微孔及毛細管中傳輸，再次發(fā)生水化作用，形成不溶性的結晶并與混凝土結合成為一整體。由于結晶體填塞了微孔及毛細管孔道，從而使混凝土致密，達到永久性防水、防潮和保護鋼筋、增強混凝土結構強度的效果。

　　水泥基滲透結晶型防水材料分為混凝土表面處理用的防水材料和內摻的混凝土本體防水劑，分別適用于混凝土表面處理防水體系和混凝土本體自防水體系。一般情況下混凝土表面處理防滲漏，按比例與水拌合成漿，可以涂刷或噴涂在混凝土表面。試驗表明，當表面裂縫寬度在0.3～0.5mm以內時，不必灌漿，只需用這種材料表面涂刷一層，由于活性物質滲入再次水化作用生成結晶體堵塞了裂縫，因而裂縫將逐漸自動修復。由于以上特點，可以預計，水泥基滲透結晶型防水材料將在水工混凝土建筑物防滲和補強方面得到廣泛應用。同類產(chǎn)品還有KRYSTOL T1/T2系統(tǒng)防水材料等，不再贅述。

　　“水泥基滲透結晶型防水材料（GB18445-2001）”國家標準2002年起正式實施。對原材料的試驗方法、試件成型、養(yǎng)護以及性能試驗均作出了規(guī)定，使水泥基滲透結晶型防水材料的應用趨于規(guī)范化。

　　2、聚合物水泥砂漿類材料

　　聚合物水泥砂漿作為防滲、防腐、防凍材料已在水工混凝土建筑物修補工程中得到廣泛應用。這種以少量膠乳材料對水泥砂漿或混凝土改性后，增強其抗?jié)B性、抗碳化和抗凍性，經(jīng)過近20年的工程實踐證明，是一種性能可靠、經(jīng)濟、施工方便的修補材料，目前已列入有關設計規(guī)范和施工規(guī)程，施工方法有人工涂刷，噴涂及灰漿機濕噴，大大提高了施工速度及施工質量。推薦采用丙烯酸聚合物改性水泥砂漿，因為它的機械性能和化學性能均優(yōu)于其他膠乳。

　　據(jù)報導，清江高壩洲水利樞紐13～21壩段采用碾壓混凝土外包常態(tài)混凝土作為防滲結構。由于多種因素影響使層間結合部位抗?jié)B性能下降。為此，長江科學院推薦使用聚合物水泥砂漿防滲層，層厚5～8mm，面積2600m2，28d齡期抗壓強度61.6MPa，抗折強度＞11.7MPa，抗拉強度7.4MPa，粘結抗拉強度2.9～3.7MPa，極限拉伸率336×10-6，抗?jié)B標號S15，而且抗碳化性能和抗凍性能均優(yōu)良，于2000年3月已全部施工完畢。

　　3、新型灌漿材料

　　利用環(huán)氧樹脂和聚氨酯在一定條件下制備出可以形成同步互穿聚合物網(wǎng)絡結構的新型化學灌漿材料（PU/EP-IPN）。該化灌材料綜合了環(huán)氧樹脂漿材和聚氨酯漿材的性能優(yōu)點，漿材粘度低、凝結時間可調、強度高、變形性和可灌性都很。水下混凝土灌漿試塊的粘接抗拉強度能達1.05MPa。是一種性能優(yōu)良、適用性強、適合水下灌漿的多功能新型灌漿材料。

　　研究選用具有高彈性及水下固化的聚氨酯材料與具有極低粘度良好可灌性的甲凝材料相互改性，利用交叉滲透交聯(lián)工藝制備出PU/PMMA互穿聚合物網(wǎng)絡彈性體灌漿材料，其漿液粘度適當，可灌性良好，具有優(yōu)良的水下固結及固結后彈性體要求的延伸率。試驗表明，該漿液在不添加任何溶劑，含固量100%條件下的初始粘度在280cp以下，漿液水下與混凝土表面固結后的彈性延伸率達150%以上仍與混凝土表面具有良好粘結而不脫落。

　　四、新技術、新工藝

　　1、水下修補材料及水下修補技術取得較大進展

　　由國家電力總公司資助，中國水科院及南京水科院分別研制出適于水下修補施工的嵌縫材料GBW遇水膨脹止水條、水下快凝堵漏材料、PU/EP、IPN水下灌漿材料、水下伸縮縫彈性灌漿材料、水下彈性快速封堵材料等。這些材料大多采用先進的高分子互穿網(wǎng)絡技術，根據(jù)水下修補施工的特點，材料的固化時間可調，曾在陳村水電站壩上游面水下伸縮縫修補和引灤入津隧洞水下底板裂縫修補工程中進行了現(xiàn)場應用試驗，效果良好。

　　華東勘測設計研究院科研所研制的高分子互穿網(wǎng)絡水下PBM快速封堵材料及灌漿材料，可在幾分鐘至幾十分鐘固化，強度增長快，與混凝土和金屬結構粘結強度高，已在丹江口等多項工程中成功應用。此外，還研制成功粘貼SX防滲模塊，用于水下伸縮縫修補，并在新安江進行了現(xiàn)場試驗。

　　此外，水下不分散混凝土在眾多工程中得到應用，近年來國內先后研制成UWB、NNDC、NCD、CP、SCR等多種水下不分散劑，可以配制適用于水工薄層修補的水下不分散混凝土，已在五強溪、葛洲壩等工程中獲得成功應用。隨著應用領域的不斷擴大，對這種材料的需求也會不斷增長。此外，一種適于海水中施工的水下不分散混凝土材料，

　　已成功的在天津海堤施工中應用。

　　“水下不分散混凝土試驗規(guī)程”DL/T5117—2000于今年初已頒布實施，對原材料的試驗方法、試件成型、養(yǎng)護以及性能試驗均作出了行業(yè)規(guī)定，使水下不分散混凝土的應用趨于規(guī)范化。

　　水下修補施工已不再主要依靠潛水員體力勞動，一些大壩水下工程公司，具有液壓泵、液壓潛孔鉆、液壓梯形開槽機、液壓打磨機等一系列先進施工設備，已形成水下裂縫及伸縮縫修補的成套技術。

　　2、混凝土裂縫注漿技術

　　自從環(huán)氧樹脂類高分子材料被用于混凝土建筑物裂縫修補工程后，至今它已經(jīng)成為僅次于鋼材和水泥的第三種材料被廣泛應用。以往傳統(tǒng)方法是靠人工控制將樹脂漿液注入裂縫內。當環(huán)氧漿液粘度大，裂縫寬度較小時，這種修補方法并不一定十分成功。最近由日本引入一種“壁可”注漿技術，則是通過橡膠管的彈性收縮壓力自動完成注漿，在注入過程中始終維持約0.3MPa的壓力，可以將漿液注入寬度為0.02mm裂縫末端。同時，緩慢均勻地灌漿壓力可將縫隙中的空氣壓入混凝土毛細管中，并通過混凝土的自然呼吸作用排出，有效地避免了氣阻現(xiàn)象，從而保證了灌漿質量。在無人看管的情況下，注漿管靠內部壓力可以持續(xù)很長時間自動注漿，需要人工操作的只是用泵將漿液壓入到注射管內。盡管采用低壓低速注漿，卻節(jié)省了大量人力和時間。

　　3、鋼板及碳纖維補強加固新技術

　　混凝土結構外表面粘貼鋼板補強加固技術始于20世紀60年代，目前它已成為國內外適用面較廣的加固技術。鋼板通過粘結力強大的粘結劑與結構緊密結合為一體，共同承擔荷載，對結構的抗拉、抗彎、抗剪等能力進行補強，顯著提高強度和韌性，恢復承載能力，延長使用壽命。由于鋼板貼合部位的混凝土受到約束，可控制已有裂縫的擴展，防止新裂縫的產(chǎn)生。因此，粘結劑的性能及粘貼工藝是成功與否的關鍵。

　　碳纖維補強加固技術是利用高強度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬形成碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics 或 Polymer，簡稱CFRP）片材，將片材用專用環(huán)氧樹脂膠粘貼在結構外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結構形成一整體，碳纖維即可與原結構共同受力。由于碳纖維分擔了部分荷載，就降低了鋼筋混凝土的結構的應力，從而使結構得到補強加固。由于耐久性好，施工簡便，不增大截面，不增加重量，不改變外形等優(yōu)點，日漸受到國內外工程界重視。

　　碳纖維片的抗拉強度可達3500MPa，比鋼材高7～10倍；彈性模量（2.35～4.30）×105MPa，由于采用了性能優(yōu)良的粘結材料，不僅樹脂滲入混凝土中，將碳纖維片材緊密粘貼在結構外表面，而且樹脂有較高的粘結強度，能有效地傳遞碳纖維與混凝土之間的應力，確保不產(chǎn)生界面粘結剝離現(xiàn)象。與其他補強加固方法一樣，碳纖維加固方法亦有其適用范圍。當混凝土構件由于剛度不夠，導致變形過大而影響使用時，粘貼碳纖維基本不會提高其剛度。此外，碳纖維是高強度、高彈性模量材料，采用它加固鋼筋混凝土結構時，由于碳纖維和普通鋼筋的極限應變值相差好幾倍，混凝土裂縫已擴展很寬，結構已接近破壞，此時碳纖維的應力還很低，因此并不能充分發(fā)揮碳纖維的強度作用。

　　碳纖維復合材料用于混凝土結構的補強加固在我國只有幾年的歷史，但發(fā)展迅速。1997年由日本引進該技術，近幾年主要用于鋼筋混凝土建筑物的梁、板、柱等構件的補強加固。在水工混凝土建筑物補強加固工程中，南京水科院在山東和新疆的兩項工程中采用了這項新技術。目前國內雖能少量生產(chǎn)碳纖維片，但在材質均勻及預浸樹脂含量等關鍵技術方面與國外相比，尚有較大差距。粘結用的環(huán)氧樹脂材料，對不同部位的使用功能和使用條件需選用不同型號，不同的性能指標。國產(chǎn)樹脂性能比較單一，與國外產(chǎn)品性能相比，差異較大，這些都是國產(chǎn)材料急需解決的重要問題。

　　4、新的施工設備

　　在總結化學灌漿經(jīng)驗和工程實踐的基礎上，長江科學院研制出HGB—1（2）型化學灌漿設備，油缸和泵體作為執(zhí)行元件，液壓動能作為動力源，采用分體式結構，包括自動調速穩(wěn)壓變量泵和密閉的儲漿、送漿管路系統(tǒng)，可進行遠距離控制。同以往化灌設備相比，有以下特點：（1）壓力范圍為0～10MPa，排漿量為0～20L/min，可以任意調節(jié)，使設備做到低壓時大流量，高壓時小流量。（2）根據(jù)化學漿材反應不可逆的特性，兩種不同的化學漿材分別由兩個獨立的工作缸體吸進和排出。（3）混合系統(tǒng)采用靜態(tài)液體混合器，代替以往的敞開式混合，避免了漿材氣味散發(fā)，有利于環(huán)保和人身健康。（4）儲存漿材和輸出漿材采用全密封管路系統(tǒng)，使氣味降到最小。

　　高壓無氣噴涂設備是為解決環(huán)氧樹脂、聚氨脂等材料的快速、大面積噴涂而研制的。這是以壓縮空氣為動力，驅動高壓泵，利用高壓泵氣缸與柱塞缸的面積差將壓力放大。當高壓噴涂材料通過特殊噴嘴噴出達到大氣時，立刻劇烈膨脹，霧化成為具有一定沖力的微細顆料，呈扇形噴向受噴面。根據(jù)需要噴涂一遍至數(shù)遍，混凝土結構表面即可形成一定厚度的柔性膜層，從而達到抗沖耐磨、封閉混凝土防滲、防碳化、保護鋼筋、延長結構使用壽命，相對于以往施工采用人工稱量、混合、手工涂刷工藝，既費工耗時，涂層質量也難以保證，可以說，是噴涂工藝的重大進步。目前國產(chǎn)高壓無氣噴涂設備不少，如上海出產(chǎn)的GP2A1型，配有W—1.0/0.7空壓機，使用方便，省工省時，比手工涂刷可提高效率5倍以上。這一設備已在貴州東風電站泄洪中孔表面抗沖防護修補中應用。

　　五、老化病害的預防

　　一般而言，隨著混凝土材料技術和設計實踐、施工水平的不斷進步，混凝土或鋼筋混凝土建筑物經(jīng)過50年或更長的使用時間，沒有必要采取特殊方法對建筑物進行補強、加固、防滲處理。可是從現(xiàn)實情況來看，水工混凝土建筑物卻存在著各種各樣的缺陷和病害，甚至尚未建成，就出現(xiàn)嚴重工程缺陷，或者剛投入使用，就不得不進行修補。

　　如果考慮到一切可以利用的經(jīng)驗，那么未來的建筑工程的設計、施工和使用三個階段都必須重視水工混凝土建筑物老化病害的預防措施。實踐經(jīng)驗表明，今后應優(yōu)先考慮采用新材料、新工藝、新技術維修帶病運行的建筑物和把不斷更新的專門技術應用于新建筑。在這個不斷創(chuàng)新的年代里，人們對混凝土材料的認識，已從以往偏面追求高強度逐漸轉變?yōu)椴捎酶咝阅芑炷?，這種轉變的本身就是重大的變革。近年來，高性能混凝土技術取得了長足進步，大量研究和工程實踐表明，科學地選擇材料和配合比，則混凝土的性能改善還有巨大的潛力。采用優(yōu)選的火山灰粒料，特別是冷凝微硅粉，其粒徑僅為水泥粒徑的1/100量級，它能夠填充在水泥顆粒之間，同時能夠將水泥水化產(chǎn)生的Ca(HO)2轉化為凝膠，從而提高了混凝土的強度和抗?jié)B性。同時采用超效外加劑，不僅顯著減少用水量，而且還大大改善混凝土的和易性，即使在鋼筋極密集的情況下，可以說近乎自流平。由于多功能外加劑中的特殊活性物質的作用，使混凝土的性能得到改善或提高，這種混凝土非常耐用，幾乎完全不滲透，而且非常耐磨蝕和抗凍融，減少收縮裂紋，保護鋼筋不受銹蝕。

　　近年來對纖維加強混凝土、聚合物混凝土的研究工作也已取得較大進展。聚合物波特蘭水泥混凝土在拌和過程中加入單聚合物或聚合物后，當混凝土養(yǎng)護時，聚合物基體在混凝土基體內形成，從而使混凝土材料具有較高的抗?jié)B性、耐久性和耐磨損，已用于溢洪道、消力池及容易發(fā)生凍融破壞部位。根據(jù)當前或即將達到的水平，消除混凝土材質劣化引起的各種病害，混凝土建筑物是能夠耐久使用的，安全使用期是能夠比現(xiàn)在認識的增加很多。有必要改變以往建筑物“先天不足，后天修補”的看法和做法。建議規(guī)劃、設計、施工和使用等有關部門，必須采取相應的措施，正確對待建筑物老化病害的預防問題。由于篇幅所限，對未來建筑領域的很多工藝細節(jié)不能深入討論。

　　由于規(guī)劃設計階段未能預知環(huán)境條件和使用情況的變化，建筑物可能潛伏嚴重事故的情況，這種情況我們在適當時間是可以認識和防止損害的，即每隔一定時間，必須對建筑物的工作質量進行檢驗或檢查。這種檢查或檢測在適當?shù)臅r候可以探測出建筑物在嚴重事故將要發(fā)生以前所起的變化，特別是準確、及時檢測出反常狀態(tài)。由運行管理人員和專家結合進行現(xiàn)場認真觀察和檢測，以及對量測資料的全面綜合分析和安全評估。依靠有豐富經(jīng)驗的工程技術人員，憑他們的實踐經(jīng)驗，對觀察資料作出正確的分析；憑他們從類似工程或處理類似情況得來的經(jīng)驗，對建筑物總體老化演變各階段定量的信息分析，發(fā)現(xiàn)尚處于萌芽狀態(tài)中的危險,跟蹤效應量的緩慢變化或偏移，對評價建筑物安全是十分重要的。

　　事實上，絕大多數(shù)水工建筑物的破壞過程都不是突然發(fā)生的，一般都有一個緩慢的從量變到質變的過程，日常認真細致的檢查，經(jīng)常的觀測以及對其結果的分析，不僅可以發(fā)現(xiàn)結構的缺陷，而且可以據(jù)以確定消除缺陷的處理方案。局部細微的缺陷，如不加以維護修理，經(jīng)歷一定時間就可能發(fā)展成重大事故。建筑物上出現(xiàn)的缺陷，常常預示著某些潛伏的危險，因此，除了應及時修復之外，還必須檢查其原因并訂出消除缺陷的各種處理措施。實踐經(jīng)驗表明，健全的管理制度和操作規(guī)程，是水工建筑物運行的保證，否則，任何細小的疏忽和錯誤，都可能導致嚴重的破壞。系統(tǒng)地記錄各種檢查結果、大小事故情況及其處理過程，這些資料的積累對掌握水工建筑物的實際工作狀態(tài)是十分重要的。