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工程设计

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工程设计

混凝土裂缝及伸缩缝渗漏是混凝土水工建筑物常见病害,特别是混凝土大坝水下部位,一旦出现裂缝及伸缩缝渗漏,将对坝体安全构成直接危害。由于水库运行需要,许多大坝不允许放空水库进行修补。该项技术可实现水下修补,对混凝土大坝的安全运行,具有十分重要的意义。

简介: 2001年10月中国水利学会水工结构专业委员会和中国水力发电学会水工及水电站专业委员会所属的水工混凝土建筑物病害修补和处理分专业委员会,在湖南张家界召开了第六届全国水工混凝土建筑物病害修补和处理技术交流大会。 这次大会对近几年我国有关水工混凝土建筑物的病害检测、评估与修补、加固方面工作的新进展、新材料、新技术、新工艺等,进行了交流。关键字:水工混凝土 建筑物 病害 诊断修补

该技术研制出适用于混凝土大坝水下裂缝修补用的嵌缝止水材料“遇水膨胀止水条”。它具有膨胀速度快、膨胀率大、析出物少等特点。这种水下封堵材料的主要性能指标是:静水最大体积膨胀率为150%~250%,黏结伸长率不小于500%,黏结强度随水中浸泡养护时间增多而增强,1天为0.3Mpa,3天为0.55Mpa,7天为0.85Mpa,28天后可达1.05Mpa,抗渗水压力不小于1.5Mpa.

2001年10月中国水利学会水工结构专业委员会和中国水力发电学会水工及水电站专业委员会所属的水工混凝土建筑物病害修补和处理分专业委员会,在湖南张家界召开了第六届全国水工混凝土建筑物病害修补和处理技术交流大会。这次大会对近几年我国有关水工混凝土建筑物的病害检测、评估与修补、加固方面工作的新进展、新材料、新技术、新工艺等,进行了交流。

此外,还研制出一种水体交叉网络结构的高性能有机、无机复合止水封堵材料,能够在水下潮湿混凝土表面快速固化,弹性好,与混凝土黏结强度达0.5Mpa,在延伸率为100%范围内拉伸时,与混凝土表面黏结不脱落。

一、对所有报告的简单评述

该技术适用于水工混凝土建筑物水下裂缝及伸缩缝的修补处理,曾在陈村水电站大坝上游面水下,伸缩缝修补和引滦入津隧洞水下底板裂缝修补工程中进行了现场应用试验,效果良好。

这次大会共收到57个单位提供了54篇报告,这些远非能概括近年来水工混凝土建筑物的病害诊断与修补方面所取得的新成就。根据所提供的报告,归纳起来可得到三点看法:

水工混凝土建筑物因所受水荷载及温度变化等条件的不利影响,建成后往往带病运行,运行后又有一个老化过程,因此需要精心地检查、维护和修理才能保证其安全运行。否则,即一定期限后就会发生严重事故。

实践经验表明,许多预防老化病害的措施,在规划设计和施工阶段就应认真考虑并实施。假如当年设计和施工人员对老化病害能有较深的认识并采用有效的预防措施,则某些严重事故原本是可以避免或延缓的,假如使用阶段对建筑物进行定期检验或检查,并对任何损坏及时修补,使轻微的损伤进一步减少到剩下的风险是允许的为止。这样,建筑物的安全使用期限将会大大延长。

围绕着建筑物病害诊断与修补这一课题,进行了大量科研工作和工程实践,并取得了很大的进步,所有这些新发展,看来是“新技术进步开发了新的应用领域,而应用又反过来为新技术进步提供了动力”这一原则的典型例证。

二、病害检测与评估

水工混凝土建筑物各种病害、缺陷,大多始发于或显露于结构外表面,如裂缝、破损、磨蚀、渗漏、钢筋锈蚀以及结构外观变形等。有些病害的起因比较简单,仅根据现场仔细检查、测绘病害的形态、范围和程度,就可以分析清楚和做出判断。实际上,许多严重病害,大部分是可以用目测发现的,但目测必须系统化,由经验丰富的技术人员进行。但有一些病害的情况却很复杂,病因亦很多,需要结合具体工程条件进行多方面检测、试验或调查工程的设计、施工资料,经过综合分析后,才能得出比较清楚的认识和做出恰当的评估。

顺便指出,对建筑物的病害做出正确评估,一方面应重视原形观测资料的分析,在实测数据可靠的情况下,如位移、变形、渗水量、扬压力、裂缝扩展等,主要根据它们的变化趋势来评价建筑物的安全与否,这种方法简单易行,目前多以效应量的变化趋势作为评估依据;另一方面是离不开有经验的专业人员和专家相结合进行现场观察检查,以及对实测资料的全面综合分析并做出安全评价。这是因为对建筑物的安全评价,还没有达到做出规范的可能,也不可能有不变的统一标准。所以主要还是靠有丰富经验的工程技术人员,凭他们的实践经验,对各种资料做出正确的解释,并依靠从类似工程或处理类似情况得来的经验审慎地做出安全评价。

裂缝是混凝土建筑物最常见的病害之一,可以说,所有混凝土建筑物都有裂缝存在,只是裂缝数量的多少及危害程度有所不同而已。裂缝大体上可分为两类:一是施工期出现的裂缝,主要是湿度、干缩引起的;二是运行期出现的裂缝,其原因比较复杂,包括荷载、温度、地震、基础变形及化学反应等。有些裂缝仅从外观形态、工程特征及环境条件上就可找到原因。例如,钢筋锈蚀后的沿筋裂缝,外观上容易判别;若从混凝土密实度、保护层厚度、碳化深度等方面进行检测,将有助于深入认识并制定合理处理方案。

对于混凝土内部缺陷,如蜂窝、孔洞、溶蚀及混凝土疏松部位等,可采用回弹仪测强法、超声法或超声——回弹综合法、射钉法等来检测评估。近年来国内在这方面有较大发展,应用面波仪、探地雷达进行缺陷检测。探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术,利用一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此,根据接收到波的传递时间、幅度与波形资料可推断介质内部结构。这次大会有2篇文章中有报导。总之,各种类型的病害缺陷需要有与之相应的检查诊断手段,需要有经验的专业人员进行检测评估。大多数病害检测仍需要检测混凝土现实强度,最直观、最有效的手段仍是钻芯取样,同时可检查内部缺陷,如渗水路径、裂缝、孔洞、疏松夹层、混凝土与岩石接合情况等,当怀疑有碱骨料反应时,对芯样进行膨胀试验、切面观察、含碱量测定等,有助于综合分析和做出合理评价。

三、新材料

1、水泥基渗透结晶型防水材料

近年来,由于多种原因导致混凝土材料抗渗性降低的情况日趋严重,引起国内外工程界的极大关注。水泥基渗透结晶防水材料是波特兰水泥、硅沙和多种特殊的活性化学物质组成的灰色粉末状无机材料。1942年由德国化学家发明,70年代国外市场畅销,由于价格原因,直到90年代才开始进入我国市场。例如,由加拿大引进的XYPEX水泥基渗透结晶型防水材料系列产品在上海、北京、广州等地区获得较多应用,在水工混凝土建筑物防渗修补中也逐渐得到应用,如天生桥二级、大坳、安康、十三陵水库等工程均取得良好效果。这种材料的作用机理是特有的活性化学物质利用水泥混凝土本身固有的化学特性和多孔性,以水为载体,借助于渗透作用,在混凝土微孔及毛细管中传输,再次发生水化作用,形成不溶性的结晶并与混凝土结合成为一整体。由于结晶体填塞了微孔及毛细管孔道,从而使混凝土致密,达到永久性防水、防潮和保护钢筋、增强混凝土结构强度的效果。

水泥基渗透结晶型防水材料分为混凝土表面处理用的防水材料和内掺的混凝土本体防水剂,分别适用于混凝土表面处理防水体系和混凝土本体自防水体系。一般情况下混凝土表面处理防渗漏,按比例与水拌合成浆,可以涂刷或喷涂在混凝土表面。试验表明,当表面裂缝宽度在0.3~0.5mm以内时,不必灌浆,只需用这种材料表面涂刷一层,由于活性物质渗入再次水化作用生成结晶体堵塞了裂缝,因而裂缝将逐渐自动修复。由于以上特点,可以预计,水泥基渗透结晶型防水材料将在水工混凝土建筑物防渗和补强方面得到广泛应用。同类产品还有KRYSTOL T1/T2系统防水材料等,不再赘述。

“水泥基渗透结晶型防水材料(GB18445-2001)”国家标准2002年起正式实施。对原材料的试验方法、试件成型、养护以及性能试验均作出了规定,使水泥基渗透结晶型防水材料的应用趋于规范化。

2、聚合物水泥砂浆类材料

聚合物水泥砂浆作为防渗、防腐、防冻材料已在水工混凝土建筑物修补工程中得到广泛应用。这种以少量胶乳材料对水泥砂浆或混凝土改性后,增强其抗渗性、抗碳化和抗冻性,经过近20年的工程实践证明,是一种性能可靠、经济、施工方便的修补材料,目前已列入有关设计规范和施工规程,施工方法有人工涂刷,喷涂及灰浆机湿喷,大大提高了施工速度及施工质量。推荐采用丙烯酸聚合物改性水泥砂浆,因为它的机械性能和化学性能均优于其他胶乳。

据报导,清江高坝洲水利枢纽13~21坝段采用碾压混凝土外包常态混凝土作为防渗结构。由于多种因素影响使层间结合部位抗渗性能下降。为此,长江科学院推荐使用聚合物水泥砂浆防渗层,层厚5~8mm,面积2600m2,28d龄期抗压强度61.6MPa,抗折强度>11.7MPa,抗拉强度7.4MPa,粘结抗拉强度2.9~3.7MPa,极限拉伸率336×10-6,抗渗标号S15,而且抗碳化性能和抗冻性能均优良,于2000年3月已全部施工完毕。

3、新型灌浆材料

利用环氧树脂和聚氨酯在一定条件下制备出可以形成同步互穿聚合物网络结构的新型化学灌浆材料(PU/EP-IPN)。该化灌材料综合了环氧树脂浆材和聚氨酯浆材的性能优点,浆材粘度低、凝结时间可调、强度高、变形性和可灌性都很。水下混凝土灌浆试块的粘接抗拉强度能达1.05MPa。是一种性能优良、适用性强、适合水下灌浆的多功能新型灌浆材料。

研究选用具有高弹性及水下固化的聚氨酯材料与具有极低粘度良好可灌性的甲凝材料相互改性,利用交叉渗透交联工艺制备出PU/PMMA互穿聚合物网络弹性体灌浆材料,其浆液粘度适当,可灌性良好,具有优良的水下固结及固结后弹性体要求的延伸率。试验表明,该浆液在不添加任何溶剂,含固量100%条件下的初始粘度在280cp以下,浆液水下与混凝土表面固结后的弹性延伸率达150%以上仍与混凝土表面具有良好粘结而不脱落。

四、新技术、新工艺

1、水下修补材料及水下修补技术取得较大进展

由国家电力总公司资助,中国水科院及南京水科院分别研制出适于水下修补施工的嵌缝材料GBW遇水膨胀止水条、水下快凝堵漏材料、PU/EP、IPN水下灌浆材料、水下伸缩缝弹性灌浆材料、水下弹性快速封堵材料等。这些材料大多采用先进的高分子互穿网络技术,根据水下修补施工的特点,材料的固化时间可调,曾在陈村水电站坝上游面水下伸缩缝修补和引滦入津隧洞水下底板裂缝修补工程中进行了现场应用试验,效果良好。

华东勘测设计研究院科研所研制的高分子互穿网络水下PBM快速封堵材料及灌浆材料,可在几分钟至几十分钟固化,强度增长快,与混凝土和金属结构粘结强度高,已在丹江口等多项工程中成功应用。此外,还研制成功粘贴SX防渗模块,用于水下伸缩缝修补,并在新安江进行了现场试验。

此外,水下不分散混凝土在众多工程中得到应用,近年来国内先后研制成UWB、NNDC、NCD、CP、SCR等多种水下不分散剂,可以配制适用于水工薄层修补的水下不分散混凝土,已在五强溪、葛洲坝等工程中获得成功应用。随着应用领域的不断扩大,对这种材料的需求也会不断增长。此外,一种适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应用。

“水下不分散混凝土试验规程”DL/T5117—2000于今年初已颁布实施,对原材料的试验方法、试件成型、养护以及性能试验均作出了行业规定,使水下不分散混凝土的应用趋于规范化。

水下修补施工已不再主要依靠潜水员体力劳动,一些大坝水下工程公司,具有液压泵、液压潜孔钻、液压梯形开槽机、液压打磨机等一系列先进施工设备,已形成水下裂缝及伸缩缝修补的成套技术。

2、混凝土裂缝注浆技术

自从环氧树脂类高分子材料被用于混凝土建筑物裂缝修补工程后,至今它已经成为仅次于钢材和水泥的第三种材料被广泛应用。以往传统方法是靠人工控制将树脂浆液注入裂缝内。当环氧浆液粘度大,裂缝宽度较小时,这种修补方法并不一定十分成功。最近由日本引入一种“壁可”注浆技术,则是通过橡胶管的弹性收缩压力自动完成注浆,在注入过程中始终维持约0.3MPa的压力,可以将浆液注入宽度为0.02mm裂缝末端。同时,缓慢均匀地灌浆压力可将缝隙中的空气压入混凝土毛细管中,并通过混凝土的自然呼吸作用排出,有效地避免了气阻现象,从而保证了灌浆质量。在无人看管的情况下,注浆管靠内部压力可以持续很长时间自动注浆,需要人工操作的只是用泵将浆液压入到注射管内。尽管采用低压低速注浆,却节省了大量人力和时间。

3、钢板及碳纤维补强加固新技术

混凝土结构外表面粘贴钢板补强加固技术始于20世纪60年代,目前它已成为国内外适用面较广的加固技术。钢板通过粘结力强大的粘结剂与结构紧密结合为一体,共同承担荷载,对结构的抗拉、抗弯、抗剪等能力进行补强,显著提高强度和韧性,恢复承载能力,延长使用寿命。由于钢板贴合部位的混凝土受到约束,可控制已有裂缝的扩展,防止新裂缝的产生。因此,粘结剂的性能及粘贴工艺是成功与否的关键。

碳纤维补强加固技术是利用高强度或高弹性模量的连续碳纤维,单向排列成束,用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics 或 Polymer,简称CFRP)片材,将片材用专用环氧树脂胶粘贴在结构外表面受拉或有裂缝部位,固化后与原结构形成一整体,碳纤维即可与原结构共同受力。由于碳纤维分担了部分荷载,就降低了钢筋混凝土的结构的应力,从而使结构得到补强加固。由于耐久性好,施工简便,不增大截面,不增加重量,不改变外形等优点,日渐受到国内外工程界重视。

碳纤维片的抗拉强度可达3500MPa,比钢材高7~10倍;弹性模量(2.35~4.30)×105MPa,由于采用了性能优良的粘结材料,不仅树脂渗入混凝土中,将碳纤维片材紧密粘贴在结构外表面,而且树脂有较高的粘结强度,能有效地传递碳纤维与混凝土之间的应力,确保不产生界面粘结剥离现象。与其他补强加固方法一样,碳纤维加固方法亦有其适用范围。当混凝土构件由于刚度不够,导致变形过大而影响使用时,粘贴碳纤维基本不会提高其刚度。此外,碳纤维是高强度、高弹性模量材料,采用它加固钢筋混凝土结构时,由于碳纤维和普通钢筋的极限应变值相差好几倍,混凝土裂缝已扩展很宽,结构已接近破坏,此时碳纤维的应力还很低,因此并不能充分发挥碳纤维的强度作用。

碳纤维复合材料用于混凝土结构的补强加固在我国只有几年的历史,但发展迅速。1997年由日本引进该技术,近几年主要用于钢筋混凝土建筑物的梁、板、柱等构件的补强加固。在水工混凝土建筑物补强加固工程中,南京水科院在山东和新疆的两项工程中采用了这项新技术。目前国内虽能少量生产碳纤维片,但在材质均匀及预浸树脂含量等关键技术方面与国外相比,尚有较大差距。粘结用的环氧树脂材料,对不同部位的使用功能和使用条件需选用不同型号,不同的性能指标。国产树脂性能比较单一,与国外产品性能相比,差异较大,这些都是国产材料急需解决的重要问题。

4、新的施工设备

在总结化学灌浆经验和工程实践的基础上,长江科学院研制出HGB—1型化学灌浆设备,油缸和泵体作为执行元件,液压动能作为动力源,采用分体式结构,包括自动调速稳压变量泵和密闭的储浆、送浆管路系统,可进行远距离控制。同以往化灌设备相比,有以下特点:压力范围为0~10MPa,排浆量为0~20L/min,可以任意调节,使设备做到低压时大流量,高压时小流量。根据化学浆材反应不可逆的特性,两种不同的化学浆材分别由两个独立的工作缸体吸进和排出。混合系统采用静态液体混合器,代替以往的敞开式混合,避免了浆材气味散发,有利于环保和人身健康。储存浆材和输出浆材采用全密封管路系统,使气味降到最小。

高压无气喷涂设备是为解决环氧树脂、聚氨脂等材料的快速、大面积喷涂而研制的。这是以压缩空气为动力,驱动高压泵,利用高压泵气缸与柱塞缸的面积差将压力放大。当高压喷涂材料通过特殊喷嘴喷出达到大气时,立刻剧烈膨胀,雾化成为具有一定冲力的微细颗料,呈扇形喷向受喷面。根据需要喷涂一遍至数遍,混凝土结构表面即可形成一定厚度的柔性膜层,从而达到抗冲耐磨、封闭混凝土防渗、防碳化、保护钢筋、延长结构使用寿命,相对于以往施工采用人工称量、混合、手工涂刷工艺,既费工耗时,涂层质量也难以保证,可以说,是喷涂工艺的重大进步。目前国产高压无气喷涂设备不少,如上海出产的GP2A1型,配有W—1.0/0.7空压机,使用方便,省工省时,比手工涂刷可提高效率5倍以上。这一设备已在贵州东风电站泄洪中孔表面抗冲防护修补中应用。

五、老化病害的预防

一般而言,随着混凝土材料技术和设计实践、施工水平的不断进步,混凝土或钢筋混凝土建筑物经过50年或更长的使用时间,没有必要采取特殊方法对建筑物进行补强、加固、防渗处理。可是从现实情况来看,水工混凝土建筑物却存在着各种各样的缺陷和病害,甚至尚未建成,就出现严重工程缺陷,或者刚投入使用,就不得不进行修补。

如果考虑到一切可以利用的经验,那么未来的建筑工程的设计、施工和使用三个阶段都必须重视水工混凝土建筑物老化病害的预防措施。实践经验表明,今后应优先考虑采用新材料、新工艺、新技术维修带病运行的建筑物和把不断更新的专门技术应用于新建筑。在这个不断创新的年代里,人们对混凝土材料的认识,已从以往偏面追求高强度逐渐转变为采用高性能混凝土,这种转变的本身就是重大的变革。近年来,高性能混凝土技术取得了长足进步,大量研究和工程实践表明,科学地选择材料和配合比,则混凝土的性能改善还有巨大的潜力。采用优选的火山灰粒料,特别是冷凝微硅粉,其粒径仅为水泥粒径的1/100量级,它能够填充在水泥颗粒之间,同时能够将水泥水化产生的Ca2转化为凝胶,从而提高了混凝土的强度和抗渗性。同时采用超效外加剂,不仅显著减少用水量,而且还大大改善混凝土的和易性,即使在钢筋极密集的情况下,可以说近乎自流平。由于多功能外加剂中的特殊活性物质的作用,使混凝土的性能得到改善或提高,这种混凝土非常耐用,几乎完全不渗透,而且非常耐磨蚀和抗冻融,减少收缩裂纹,保护钢筋不受锈蚀。

近年来对纤维加强混凝土、聚合物混凝土的研究工作也已取得较大进展。聚合物波特兰水泥混凝土在拌和过程中加入单聚合物或聚合物后,当混凝土养护时,聚合物基体在混凝土基体内形成,从而使混凝土材料具有较高的抗渗性、耐久性和耐磨损,已用于溢洪道、消力池及容易发生冻融破坏部位。根据当前或即将达到的水平,消除混凝土材质劣化引起的各种病害,混凝土建筑物是能够耐久使用的,安全使用期是能够比现在认识的增加很多。有必要改变以往建筑物“先天不足,后天修补”的看法和做法。建议规划、设计、施工和使用等有关部门,必须采取相应的措施,正确对待建筑物老化病害的预防问题。由于篇幅所限,对未来建筑领域的很多工艺细节不能深入讨论。

由于规划设计阶段未能预知环境条件和使用情况的变化,建筑物可能潜伏严重事故的情况,这种情况我们在适当时间是可以认识和防止损害的,即每隔一定时间,必须对建筑物的工作质量进行检验或检查。这种检查或检测在适当的时候可以探测出建筑物在严重事故将要发生以前所起的变化,特别是准确、及时检测出反常状态。由运行管理人员和专家结合进行现场认真观察和检测,以及对量测资料的全面综合分析和安全评估。依靠有丰富经验的工程技术人员,凭他们的实践经验,对观察资料作出正确的分析;凭他们从类似工程或处理类似情况得来的经验,对建筑物总体老化演变各阶段定量的信息分析,发现尚处于萌芽状态中的危险,跟踪效应量的缓慢变化或偏移,对评价建筑物安全是十分重要的。

事实上,绝大多数水工建筑物的破坏过程都不是突然发生的,一般都有一个缓慢的从量变到质变的过程,日常认真细致的检查,经常的观测以及对其结果的分析,不仅可以发现结构的缺陷,而且可以据以确定消除缺陷的处理方案。局部细微的缺陷,如不加以维护修理,经历一定时间就可能发展成重大事故。建筑物上出现的缺陷,常常预示着某些潜伏的危险,因此,除了应及时修复之外,还必须检查其原因并订出消除缺陷的各种处理措施。实践经验表明,健全的管理制度和操作规程,是水工建筑物运行的保证,否则,任何细小的疏忽和错误,都可能导致严重的破坏。系统地记录各种检查结果、大小事故情况及其处理过程,这些资料的积累对掌握水工建筑物的实际工作状态是十分重要的。

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