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关于水工混凝土建筑物的病害与防治问题的思考
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内容提示：近年来，水工混凝土建筑物的病害诊断与修补方面取得了新的成就，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，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
近年来，水工混凝土建筑物的病害诊断与修补方面取得了新的成就，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，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
一、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。要对建筑物病害做出正确评估，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，根据它们的变化趋势来评价建筑物的安全与否，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。
裂缝是混凝土建筑物最常见的病害之一，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。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。
二、新材料应用
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。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。
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。
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。
三、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
最新生产的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。
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，已在多项工程中成功应用。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。
3、钢板及碳纤维补强加固新技术
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
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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。
四、病害预防
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。
一、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。要对建筑物病害做出正确评估，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，根据它们的变化趋势来评价建筑物的安全与否，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。
裂缝是混凝土建筑物最常见的病害之一，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。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。
二、新材料应用
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。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。
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。
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。
三、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
最新生产的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。
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，已在多项工程中成功应用。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。
3、钢板及碳纤维补强加固新技术
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
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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。
四、病害预防
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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200812/12156.htm
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