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西藏水利工程劣化現(xiàn)狀及防護(hù)措施研究進(jìn)展論文
西藏地區(qū)地理位置獨(dú)特，地質(zhì)氣候復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣。與其他地區(qū)相比，西藏地區(qū)的主要特點(diǎn)是嚴(yán)寒干燥、紫外線輻射強(qiáng)烈、曰溫差大、大風(fēng)頻繁、深覆蓋層凍土,且西部地區(qū)水利工程一般規(guī)模大、泄洪建筑物受高速含砂石沖刷嚴(yán)重。從長(zhǎng)江科學(xué)院與西藏水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合調(diào)查結(jié)果看，西藏水利工程常見(jiàn)的破壞因素有裂縫、凍融、碳化與鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、化學(xué)腐蝕、鹽類侵蝕、滲漏溶蝕等。在這些破壞因素的耦合作用下，混凝土和金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命大為縮短，進(jìn)而威脅到水工結(jié)構(gòu)的安全。
2.1凍融破壞
混凝土的凍融破壞是混凝土耐久性劣化典型表現(xiàn)之一。引起混凝土凍融剝蝕的主要原因是混凝土微孔隙中的水在溫度正負(fù)交互作用下，形成冰脹壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力，從而使混凝土產(chǎn)生由表及里的剝蝕破壞，并導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，影響建筑物的安全3。混凝土凍融循環(huán)產(chǎn)生的破壞作用主要表現(xiàn)為凍脹開(kāi)裂和表面剝蝕。一般水工混凝土的凍融破壞，在其表面都可看到裂縫和剝落[4-]�；炷两ㄖ锼幍沫h(huán)境凡有正負(fù)溫交替變化且混凝土內(nèi)部飽水時(shí)，混凝土都會(huì)產(chǎn)生凍融作用導(dǎo)致的破壞，特別在泄洪洞、尾水出口等部位，受到凍融破壞及高速水流沖刷的雙重作用，結(jié)構(gòu)表面混凝土剝蝕脫落嚴(yán)重。頻繁的凍融變化對(duì)水工建筑物施工期及建成運(yùn)行管理期管理均造成很大影響。
2.2沖刷磨損
西藏地區(qū)氣候干燥、濕度非常低，易造成混凝土的失水收縮，形成表面裂縫。同時(shí)，曰溫差大造成混凝土表面熱脹冷縮，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小，受內(nèi)部混凝土的約束，表面易形成微細(xì)裂縫。并且高寒地區(qū)幾天有的甚至一天就形成一次凍融循環(huán)，表面混凝土經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的凍融循環(huán)后，出現(xiàn)脹裂癥狀，混凝土性能開(kāi)始劣化。與此同時(shí)，若收到水流作用，極易剝離、脫落。如此反復(fù)發(fā)生，由表及里，最終導(dǎo)致混凝土的破壞。
2.3滲漏溶蝕
滲漏溶蝕現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西藏地區(qū)水利工程混凝土的溶蝕情況比較嚴(yán)重。大量的滲漏水，不但會(huì)使水利效益受到影響，更重要的是將會(huì)對(duì)水工混凝土建筑物本身產(chǎn)生破壞，甚至影響建筑物的穩(wěn)定和安全。
2.4碳化
混凝土碳化使混凝土的pH值降低，導(dǎo)致混凝土中的鋼筋脫鈍，引起鋼筋的銹蝕�；炷撂蓟蟮目捉Y(jié)構(gòu)改變，影響混凝土與侵蝕離子的化學(xué)結(jié)合能力，從而影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。混凝土碳化是一般大氣環(huán)境下混凝土中鋼筋脫鈍銹蝕的前提條件。調(diào)研中各電站都存在不同程度的碳化現(xiàn)象，存在凍融破壞的部位碳化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，低海拔地區(qū)如林芝地區(qū)的水電站碳化現(xiàn)象不明顯。
2.5金屬銹蝕
調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，曰喀則地區(qū)某水庫(kù)有多處鋼筋出露(見(jiàn)圖1),鋼助出露最大長(zhǎng)度達(dá)10cm,鋼助直接暴露在空氣中，銹蝕較嚴(yán)重。形成鋼筋出露的主要原因是混凝土保護(hù)層厚度不夠，加之西藏地區(qū)強(qiáng)烈的溫差加劇了鋼筋與混凝土變形的不協(xié)調(diào)性，反復(fù)作用致使表面混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋直接與空氣接觸，加劇鋼筋銹蝕�；炷恋钠茐脑虿粌H取決于外部環(huán)境的作用，而且還取決于混凝土本身的性能及其外部的保護(hù)措施。要提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，進(jìn)行腐蝕防護(hù)，有改善鋼筋混凝土的自身結(jié)構(gòu)和對(duì)混凝土進(jìn)行表面防護(hù)兩類不同的方法。
3.1完善筑壩材料及筑壩技術(shù)
為了降低混凝土的凍結(jié)破壞，提高混凝土的抗凍性，降低混凝土中毛細(xì)管孔隙率，減少混凝土用水量，降低水灰(膠)比，采用高效減水劑和固體減水劑(如I級(jí)粉煤灰)都是有效的措施。長(zhǎng)江科學(xué)院近年來(lái)相關(guān)研究成果如下：
(1)摻入外加劑。影響混凝土抗凍性的最主要的因素不是強(qiáng)度，而是硬化混凝土的氣泡參數(shù)。氣泡間距系數(shù)約為0.025cm時(shí)，可有效地提高混凝土的抗凍性6。對(duì)于長(zhǎng)期處于潮濕和嚴(yán)寒環(huán)境中的水工建筑物，為了確保混凝土有良好的抗凍融耐久性，在混凝土中摻入適量的引氣劑，通過(guò)引入的小氣泡切斷毛細(xì)管的通路，降低毛細(xì)管作用，從而提高混凝土的抗凍性。此外，混凝土外摻膨脹劑MgO后，其彈性模量與未摻時(shí)基本相當(dāng)，極限拉伸值和干縮率有小幅降低，自生體積變形從收縮轉(zhuǎn)為微膨脹7"8。由此可知，外摻MgO在一定程度上可改善水工混凝土的變形特性，提高其抗裂能力。
(2)摻入纖維。水工混凝土摻入改性聚乙烯醇纖維或聚丙烯纖維，可有效抑制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高混凝土抵抗塑性開(kāi)裂的能力9。單摻玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維、高性能異性塑鋼纖維均能明顯抑制抗沖磨混凝土的自生體積收縮10。摻鋼纖維有利于提高混凝土的初裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、等效抗折強(qiáng)度，大幅提高其承載能力變化系數(shù)和彎曲韌度值，使其具備更好的延性和抵裂性。
(3)加入摻合料。研究粉煤灰對(duì)復(fù)合膠凝材料硬化漿體微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入后，硬化漿體的早期微觀結(jié)構(gòu)較疏松，養(yǎng)護(hù)期間產(chǎn)生大量低Ca/Si的C-S-H凝膠，促使復(fù)合膠凝材料硬化漿體變致密[13-14。摻粉煤灰和磷渣后，混凝土彈性模量略有降低，都能在_定程度上改善混凝土的后期抗?jié)B和抗凍性能[15]。兩者對(duì)比，摻磷渣碾壓混凝土的早期抗裂能力較低，但后期抗裂能力明顯比摻粉煤灰碾壓混凝土高(4)在施工工藝方面，需要注意對(duì)于要求具有較高抗凍融性的上下游外露引氣混凝土，應(yīng)嚴(yán)格控制振搗時(shí)間，尤其不能采用高頻機(jī)械振搗;嚴(yán)格控制混凝土入模溫度;混凝土拆模前后均應(yīng)采取可靠的保溫措施;混凝土拆模時(shí)間宜遲不宜早;不宜采用灑水養(yǎng)護(hù);抗裂鋼筋直徑宜細(xì)，間距宜小。
3.2采用表面涂層防護(hù)技術(shù)
長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和南京水利科學(xué)研究院針對(duì)不同區(qū)域影響水工混凝土耐久性的水文地質(zhì)氣候影響因素，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)了一系列防滲抗裂、抗沖磨、抗老化和金屬侵蝕防護(hù)性能的有機(jī)防護(hù)涂層材料。
(1)CW820系列聚天冬氨酸酯聚脲/納米SiO2混凝土表面抗沖耐磨防護(hù)材料。采用與混凝土粘接良好的環(huán)氧膠泥作為底層材料，界面劑作為中層材料，配合高彈性、耐沖磨和耐候性優(yōu)異的聚天冬氨酸酯聚脲/納米SiO:復(fù)合材料作為面層，構(gòu)建性能優(yōu)異的三層抗沖耐磨綜合體系。
(2)CW610系列水性環(huán)氧樹(shù)脂/納米Si〇2復(fù)合涂層材料。通過(guò)納米材料的復(fù)合增強(qiáng)作用，有效提高涂料自身力學(xué)性能及其抗老化性、耐磨性等對(duì)混凝土的表面防護(hù)性能。
(3)新型有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化復(fù)合抗老化涂層材料。選用耐久性好的無(wú)機(jī)聚合材料，在其分子結(jié)構(gòu)中引入疏水、不開(kāi)裂的含氟有機(jī)高分子形成納米雜化結(jié)構(gòu)，制備出具有優(yōu)異疏水性和耐久性的新型有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化復(fù)合抗老化涂層材料。
(4)新型乙烯基酯樹(shù)脂富鋅金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕涂層材料。通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成，具有與金屬附著力強(qiáng)、抗氯離子滲透性好、耐老化性好等優(yōu)點(diǎn)。
3.3小結(jié)
(1)西藏地區(qū)水利工程劣化防治可從完善筑壩材料及筑壩技術(shù)、采用表面涂層防護(hù)技術(shù)兩方面入手。
(2)可通過(guò)摻外加劑、纖維、摻合料等方法來(lái)改善鋼筋混凝土自身性能。
(3)水工混凝土表面涂層可阻止腐蝕介質(zhì)的滲入，延長(zhǎng)鋼筋混凝土使用壽命。
4研究趨勢(shì)
上述已研發(fā)的混凝土保護(hù)涂層材料在工程實(shí)際中起到了保護(hù)水工混凝土的作用，但不一定能適應(yīng)西藏地區(qū)特殊的水文地質(zhì)氣候條件。針對(duì)西藏地區(qū)低溫寒冷、晝夜溫差大的特點(diǎn)，還需從以下幾個(gè)方面入手作進(jìn)一步研究：
(1)劣化機(jī)理研究。結(jié)合西藏地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，從分析混凝土組成材料及配合比設(shè)計(jì)等方面入手，試驗(yàn)研究高寒、大溫差、強(qiáng)輻射、低濕度等特征環(huán)境條件下混凝土的力學(xué)、變形、耐久性能，揭示特征氣候影響混凝土耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)的內(nèi)在規(guī)律和主導(dǎo)因素。
(2)改善筑壩材料。針對(duì)西藏地區(qū)特殊水文地質(zhì)氣候條件，進(jìn)_步改善筑壩材料，提高水工混凝土材料的耐候性。
(3)表面防護(hù)措施。優(yōu)選涂層材料，從配方設(shè)計(jì)入手進(jìn)行材料和施工工藝優(yōu)化，提高材料的綜合性能，尤其是抗凍性和耐沖磨性能，以期適應(yīng)西藏地區(qū)特征氣候條件。
(4)建立壩體病變的預(yù)警模型。應(yīng)用精細(xì)數(shù)值分析方法反演環(huán)境條件、施工工藝、溫控措施對(duì)壩體溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定及耐久性等進(jìn)行深入研究，建立壩體病變的預(yù)警模型，評(píng)估運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提出改善耐久壽命的綜合措施。
(5)編制西藏地區(qū)筑壩材料耐久性設(shè)計(jì)和施工指南。通過(guò)研究現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)用于西藏地區(qū)水庫(kù)大壩工程建設(shè)的適應(yīng)性，提出西藏地區(qū)筑壩材料耐久性設(shè)計(jì)和施工指南推薦稿。
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