任务四 混凝土坝表面破坏处理
※基本知识※
一、混凝土表面破坏的形式与成因
混凝土坝表层破坏往往是由于设计考虑不周、施工质量差、管理不善或其他因素造成的，表层裂缝已作介绍。表层其他破坏现象、原因和发生部位见表3-3。
表3-3 表层破坏的现象、原因和部位
续表
※技术应用※
二、混凝土表面破坏的修补要求
1.表层损坏混凝土的清除方法
在清除表层损坏混凝土时，应根据损坏的部位与程度，分别选用下述方法处理：
（1）人工凿除。对于浅层或面积较小的损坏混凝土可以采用。
（2）风镐凿除。对于损坏较深（5～50cm）、面积较大的损坏混凝土，可以结合人工进行。
（3）小型爆破为主的爆除。对于损坏深度大于50cm，且面积较大的损坏混凝土，可采用爆除方法。对于某些不宜进行爆破作业的特殊部位，可钻排孔，用人工打楔凿除，或用机械切割凿除。
（4）膨胀剂静力剥除。这种方法是沿混凝土清除边缘用机械切割边缝，深度不超过清除厚度，然后顺着清除界面钻孔并装膨胀剂。膨胀剂一般为石灰加掺合剂形成。这是一种安全、简便、高效的新型实用技术方法，在一些改造工程中使用，获得良好效果。
2.清除表层损坏混凝土的技术要求
在清除表层损坏混凝土时，既要保证表层以下或周围完好的混凝土、钢筋、管道、观测设备及埋设件等不受破坏，又要保证损坏区域附近的机械设备和建筑物的安全。当采用以小型爆破为主的方法清除时，对有钢筋部位的表层损坏混凝土，可参照以下技术要求制定具体措施。
（1）爆破程序。爆破作业一般应分层分区进行，以保证爆破效果。爆破程序为：切断贯穿性钢筋和钻防振孔→拆除钢筋层→混凝土松动爆破→混凝土龟裂爆破及浅孔爆破→凿除保护层。
（2）布设防振孔。设防振孔一排，布置在凿除区内，与清除边线相距约30cm，孔深约为爆破孔的2倍，如图3-12所示。
图3-12 松动爆破布孔示意图（单位：cm）
1—保留区；2—保护层；3—防振孔；4—爆破装药孔；5—清除边线
（3）钢筋的处理。凡贯穿在凿除区和保留区之间的钢筋，必须在爆破前切断，在切断时，要注意随后焊接用的钢筋应保留有足够的搭接长度。
（4）爆破的控制。为了防止爆破时对相邻部位混凝土及建筑物的不良影响，对各爆破区的孔深、孔距、最小抵抗线、装药量和一次起爆总装药量等参数，要严加控制，并通过试验验证。
（5）爆破和凿除。参照图3-13，按下列要求进行：
图3-13 混凝土清除分区示意图（单位：cm）
1—保留区；2—人工或风镐凿除区；3—龟裂爆破区；4—松动爆破区；5—浅孔爆破区；6—清除边线；7—临空面
1）距清除边线1m以外的混凝土，采用松动爆破。
2）距竖直面清除边线30～100cm范围内的混凝土，采用龟裂爆破切割。
3）在底面清除边线以上50～100cm范围内采用浅孔松动爆破，并用火雷管起爆。
4）距竖直清除边线30cm和距底面清除边线50cm以内，采用人工或风镐凿除。
三、修补方法的选择和对修补材料的要求
（1）当修补面积较大，深度大于20cm时，可采用普通混凝土（包括膨胀水泥混凝土和干硬性混凝土）、喷混凝土、压浆混凝土或真空作业混凝土回填；深度在5～20cm时，可采用喷混凝土或普通混凝土回填；深度在5～10cm时，可采用普通砂浆、喷浆或挂网喷浆填补；深度在5cm以下时，可采用预缩砂浆、环氧砂浆或喷浆填补。
（2）当修补面积较小，深度大于10cm时，可用普通混凝土或环氧混凝土回填，深度小于10cm时，可用预缩砂浆或环氧砂浆填补，深度在5mm左右的低凹小缺陷，也可用环氧石英膏填补。
由于环氧材料比一般材料价格高，因此只有在修补质量上要求较高的部位，或当用其他材料无法满足要求时，方可考虑使用。
（3）对修补面积不大并有特定要求的部位，可采用钢板衬护或其他材料（如铸铁、铸石等）镶护的方法，但要保证衬护或镶护材料与原混凝土连接可靠，并注意表面接合平顺。
（4）除了根据损坏的部位和原因分别提出抗冻、抗渗、抗侵蚀、抗风化等要求外，一般要求砂浆和混凝土应为高强度、耐磨和具有一定的韧性。混凝土的技术指标不得低于原混凝土，所用水泥强度不得低于原混凝土水泥的强度，一般采用C40以上的普通硅酸盐水泥为宜；水灰比应尽量选用较小值，并通过试验确定。
（5）对由于湿度变化而引起风化剥蚀的部位，进行修补时，宜在砂浆或混凝土中掺入水泥质量1／10000左右的加气剂，以提高砂浆或混凝土的抗冻性和抗渗性，但同时会使强度稍有降低，因此应控制含气量不超过5%。
※技能操作※
四、混凝土表层修补的常用方法
对混凝土表层修补中所采用的水泥砂浆修补、预缩砂浆修补、喷浆修补、环氧砂浆修补等方法与裂缝处理的方法是相同的。除此，这里再介绍几种方法。
（一）喷混凝土修补
喷混凝土的密度及抗渗能力比一般混凝土大，而且具有快速、高效、不用模板以及把运输、浇注、捣固结合在一起的优点。
1.材料与配比
根据强度、防渗、抗冻等要求进行试验确定。一般水泥：砂子：石子=1：2：2，水灰比为0.4～0.45，速凝剂掺量为水泥量的2%～4%。
2.修补工艺
（1）喷混凝土前的准备工作。喷混凝土的准备工作，基本上与喷浆相同。
（2）喷混凝土作业。喷混凝土的喷射方法与养护方法可参照前述喷浆修补有关内容进行。一次喷射层厚度一般以不小于最大骨料粒径的1.5倍为宜。
喷射层的间隔时间与水泥品种、施工温度和速凝剂掺量有关，一般不超过前一层终凝时间。当修补面积较大时，可考虑分区自上而下喷射。
（二）混凝土真空作业修补
真空作业是采用真空系统将浇筑的混凝土中多余的水量提早吸出，以增加混凝土的早期强度，提高混凝土的质量，缩短拆模期限的一种修补方法。
1.真空作业的设备装置
混凝土真空作业的装置有移动式和固定式两种。移动式装置可装在汽车或拖车上，固定式装置可参看图3-14，其主要设备包括真空泵、真空槽、连接器等。
图3-14 真空系统布置示意图
1—真空盘或真空模板；2—吸气压力胶管；3—连接器分嘴；4—连接器；5—吸气总管；6—集水槽；7—真空槽；8—连接管；9—真空泵
2.真空作业的技术要求
（1）施工程序。洗刷模板→涂抹肥皂水或石灰浆→支设模板→浇注混凝土或预填骨料混凝土→真空作业→拆模→养护。
（2）真空系统各项设备应严密不漏气，并保持清洁，防止杂物及水被吸入真空泵内。
（3）真空盘与混凝土表面接触要严密，各真空盘应尽量靠紧。在最初抹平混凝土表面时，应比设计高度高出5～10mm（一般应经试验确定），使真空作业后混凝土表面高度与设计高度相符。真空作业后不得在混凝土表面加水泥砂浆面层。
（4）真空模板必须安装牢固，防止变形、漏气。每次作业时，混凝土必须浇筑至高出该层真空腔的上缘，并填满真空腔。
（5）真空作业的吸水量，要根据所要求的真空作业层厚度及水灰比降低值确定，可按下式确定：
式中 ω——吸水量，kg／m2；
Wc——每立方米混凝土中的水泥用量，kg／m3；
h——要求的真空作业层厚度，m；
——要求的水灰比降低值。如拌和混凝土的水灰比为0.65，要求真空作业后水灰比降低至0.62，则
=0.65-0.62=0.03。混凝土真空作业时，一般水灰比控制在0.55～0.65，经真空作业后，水灰比降低值约为0.05。
（6）真空度一般为350～550mmHg，真空槽和连接器可控制在较高范围，真空腔可控制在较低范围。
（7）真空作业时间随着混凝土的密度和作业层厚度按吸水量而定。当作业层厚度不超过25cm时，一般采用15～45min；当超过25cm时，可延长至50min。真空作业修补可用一次吸真空法，也可用二次吸真空法，如第一次作业后，吸水量仍未达到要求指标，可间隔10min，再做第二次吸真空10～15min。
（8）真空作业最好在混凝土振捣抹平后15min内开始，最迟也不应超过30min。真空模板各层吸真空作业必须在其上一层混凝土振捣完毕后才开始。
（9）真空作业中途如因故停工，间断时间应小于30min。
（10）气温低于8℃时，应做好真空系统防冻措施。
（11）真空作业完毕后，先拔掉吸气嘴的气管，再停真空泵，以防灰浆水倒灌。
（12）拆模时间：水平表面可在作业完毕后立即拆除模板；40°以下的斜面以2～3h为宜；40°以上或竖直面以5～24h为宜。对承重的真空模板，须通过验算确定。
（13）真空盘或真空模板每次使用后，应立即冲洗过滤布；在每次作业前，可在过滤布上涂一层肥皂水、石灰浆，或其他能防止黏结的廉价材料。
（14）在真空作业后，混凝土的养护与普通混凝土相同。
3.真空作业的效果
混凝土经真空作业后，其强度提高值见表3-4。但当混凝土的水泥用量大于400kg／m3，水灰比为0.4以下时，吸真空的效果就大大降低，不宜再用真空作业。
表3-4 混凝土真空作业后的强度提高值
（三）压浆混凝土（预填粗骨料混凝土）修补
压浆混凝土是将有一定级配的洁净粗骨料预先填入模板中，并埋入灌浆管，然后通过灌浆管用泵把水泥砂浆压入粗骨料间的空隙中胶结而成为密实的混凝土。
1.材料与配比
（1）砂。砂宜采用细砂，超过2.5mm的颗粒应预先筛除，细度模数最好在1.2～2.4。
（2）粗骨料。粗骨料应为洁净的卵石或碎石，宜采用间断级配，最小粒径不得小于2cm，最大粒径尽可能大些，使孔隙率降低。在一般情况下，孔隙率为35%～40%。
（3）掺合料。掺入一定数量的掺合料可以节约水泥，改善砂浆的和易性，提高抗渗和抗蚀能力。最常用的掺合料有火山灰质混合材料和粒状高炉矿渣等，其中以粉煤灰应用最广。粉煤灰的质量应符合混凝土施工规范的规定，掺入量可通过试验确定。
（4）外加剂。为了改善砂浆的性能，常掺用加气剂、塑化剂和铝粉等外加剂，最佳掺量应由实验来确定。铝粉掺入量为水泥与掺合料总质量的4/100000～1/10000。用铝粉时，应先将铝粉与干的掺合料拌匀。
（5）配合比。压浆混凝土的配合比设计，应根据试验求得压浆混凝土强度与砂浆强度的关系，再按要求的砂浆强度确定砂浆配合比。但砂浆与胶结料的质量比不超过1.6。为了满足施工的需要，用压浆法浇注混凝土的砂浆，应具有下列分层度和流动度指标：
1）分层度（即砂浆的离析程度）不大于2cm。
2）流动度（即砂浆的稠度）：当石子粒径为20mm时为17～22s；当石子粒径大于20mm时为22～25s。
选择适当的分层度和流动度，是为了使砂浆在压力作用下，通过管道输送时处于悬浮状态，以利于提高输送效率。
2.压浆系统的布置
压浆系统的布置，除应使压浆作业顺利进行外，还应使其移动次数最少，且输浆管线路最短。压浆系统布置方式如图3-15所示。
图3-15 压浆系统布置示意图
1—水泥、砂材料；2—带式输送机；3—强制式砂浆搅拌机；4—带有搅拌装置的砂浆储备器；5—砂浆泵；6—输浆泵；7—灌浆泵；8—称水装置；9—模板
3.压浆混凝土作业
（1）准备工作。具体内容包括：
1）立好模板，筛选洗净粗骨料，分层填筑，每层厚度不宜超过20cm，并加以捣实，以降低填石的孔隙率。
2）在预填粗骨料过程中，应按设计要求埋入灌浆管和观测管，并保证不被填石所破坏。
3）压浆前应对管路做压水试验，检查有无漏水。
（2）压浆作业注意事项。具体内容包括：
1）砂浆拌和时间应不少于3min。压浆开始时，先压送水泥浆较多的砂浆，以润滑管路，然后再压送按规定配合比拌和的砂浆。
2）初次拌好的砂浆必须测定流动度，如数值超过规定值，应加以改正。在压浆过程中，也应经常检查流动度。
3）压浆管的布置方式，应根据修补部位的形状及大小确定，可以穿过侧面模板水平放置，也可以竖直放置。竖放时，压浆管距离模板不宜小于50cm，以免对模板产生过大压力。压浆管间距与位置，应根据浇注范围、压浆管的作用半径及管径，砂浆流动度与灌浆压力等事先试验确定，一般间距为1.5～2.0m。
4）当施工部位的厚度不大，而面积较大、埋设的灌浆管较多时，应对灌浆顺序进行安排。一般采用双线循环法，即从一端向另一端推进，如图3-16所示。开始灌浆时，第一线和第二线同时进行，当第一线灌完后，第二线仍继续灌浆，而将第一线的输浆管接到第三线，同样第二线灌完后，再把输浆管装到第四线，如此连续向前推进。
图3-16 灌浆顺序示意图
1，2，3，…，n—第一、二、三、…、n线
5）当结构物的标高由四周向中心逐渐增高或者是斜面，而布置的灌浆管不能同时灌浆时，应先从最下部开始，逐渐上升，不得间断。
6）压浆过程中，必须测定砂浆的上升情况，观测结果要作详细记录。
7）发生严重故障时，如模板破坏和设备损坏等被迫停止工作时间较长，则应将被埋入砂浆中的所有灌浆管提升到砂浆面以上10～15cm处，并用铁钎捅捣或通压缩空气等方法使管路通畅，将设备内的砂浆全部弃掉，且冲洗洁净。继续压浆前，应先适量地压送纯水泥浆（水灰比采用 0.5）后再压送砂浆，以免砂浆由上而下灌注时在接缝形成蜂窝麻面。
4.压浆混凝土的效果和应用
压浆混凝土早期强度增长较缓慢，但后期有显著增长，并有较高的抗渗能力，如90d龄期的抗渗能力可达1.5MPa以上，其强度可以达到普通混凝土的强度。它不仅适用于一般抗渗要求较高部位的修补，也适用于钢筋稠密、埋设件复杂、结构尺寸要求精确度较高以及水下不易浇筑捣固的部位的修补。
有抗冻要求的压浆混凝土，应通过试验合格后，才能使用。