暗渠聯結井閘碳化治理

齊德海

1 工程概況

引灤工程爾王莊管理處聯結井閘始建于1983年,它擔負著向天津供水的艱巨任務,是聯結水庫、暗渠、泵站的咽喉要道,在爾王莊管理處17座水閘中具有舉足輕重的地位。聯結井閘自運行以來,由于先天的混凝土強度偏低、振搗不實、保護層厚度不足等原因致使機架橋柱、梁的混凝土保護層疏松脫落,箍筋部分裸露銹蝕,碳化深度4 cm～6 cm,普遍出現了箍筋、順筋銹脹裂縫,回彈儀測強為11 MPa～22 MPa。因其結構的耐久性問題比較嚴重及在引灤輸水工程的重要地位,該工程列為爾王莊管理處維修加固的重點項目。工程采用了化學灌漿、MCI遷移性鋼筋防銹劑、鋼纖維砂漿、防碳化涂料等一些新工藝、新材料,對鋼筋混凝土結構進行了補強加固。

2 混凝土碳化破壞原因分析

2.1 混凝土的質量

由于聯結井閘機架橋柱、梁局部混凝土的質量較差,雖然混凝土表面不一定有明顯的微裂縫隙,但孔隙多、孔徑大,滲透性也大,攔不住碳酸氣和濕氣的去路。碳酸氣和濕氣易找到直達鋼筋的捷徑,不僅使得碳化加速,而且可能使平均碳化深度尚未到達鋼筋表面,已使鋼筋提前銹蝕。

2.2 鋼筋保護層厚度

阻攔碳化是混凝土保護層的主要功能之一。保護層越厚,CO2透入到混凝土內部越難,對抑制鋼筋表面銹蝕、使混凝土脹裂的能力也越強。檢查發現聯結井閘機架橋柱、梁局部混凝土的保護層較薄,有些部位只有1 cm～3 cm,且縱筋、箍筋部位的保護層均有開裂現象,因此加速了梁、柱鋼筋的銹蝕。

2.3 環境影響

天津地區的氣候與水工建筑物所處的環境造成的局部濕度偏高,特別有助于混凝土的碳化。混凝土在碳化過程中會向外排出一定的水分。混凝土失去這些水分時會產生收縮,在混凝土內部產生微小裂縫。對于較大水壓力的滲透,這些微小裂縫會被擴大,進而形成貫穿的通道,使滲水速度加快。這在天津寶坻爾王莊地區,特別是在爾王莊水庫、引灤明渠周邊地區的空氣相對濕度更有助于混凝土的碳化。

2.4 鋼筋銹蝕的影響

由于鋼筋混凝土構筑物長期暴露在自然環境中,空氣中的CO2在適當的溫度、濕度浸入到硬化的水泥漿細孔中,與混凝土中Ca(OH)2反應生成CaCO3,使混凝土堿度降低。這種CO2從混凝土表面浸入到混凝土內部的過程稱為碳化。碳化使混凝土堿度降低,減弱對鋼筋的保護作用,鋼筋就容易銹蝕,銹蝕形成的鐵銹體積膨脹(為原來的2倍～8倍),對混凝土保護層施加一膨脹力。又由于碳化層產生的碳化收縮對其內部形成壓力,而表面碳化層產生拉力,也能夠使結構表面產生微小裂紋。這種收縮裂紋成為空氣和水的通道,更加快了混凝土的碳化,最終導致混凝土保護層開裂和剝落,從此進入惡性循環。當鋼筋暴露在大氣中時,銹蝕過程將加快,最后導致截面減小,嚴重降低結構強度,影響混凝土建筑物的壽命。

綜上原因分析,為了確保引灤工程的正常運行,確保安全輸水,聯結井閘機架橋柱、梁的病癥必須進行綜合治理,以提高鋼筋混凝土結構的耐久性。

3 施工工藝

3.1 工程的治理原則

治理后的聯結井閘具備原有承載力、整體性和耐久性,防止進一步損壞結構和構件,盡量避免大動大補,并盡可能保持原有結構外觀。處理方法從實際出發,在安全可靠的前提下,力求簡單易行、經濟合理。但是由于混凝土病害嚴重,且程度不一,因此我們對機架橋柱、梁、平臺分別采取了不同的治理方案。

3.2 工藝流程

鑿除混凝土→鋼筋除銹→基層清理→刷MCI遷移性鋼筋防銹劑(2020)→刷界面劑(第一遍)→抹鋼纖維砂漿(第一遍)→化學灌漿→刷界面劑(第二遍)→抹鋼纖維砂漿(第二遍)→刷界面劑(第三遍)→抹鋼纖維砂漿(第三遍)→養護→刷MCI2021→刷防碳化涂料(三遍)。

4 修補材料

1)鋼纖維砂漿。配比:水泥∶砂∶鋼纖維∶硅粉∶減水劑∶水=1∶1.5∶0.08∶0.1∶0.05∶0.38。鋼纖維砂漿是一種性能優良且使用廣泛的新型復合材料。亂向分布的短纖維阻礙內部裂縫的擴展和宏觀裂縫的發生,從而使抗拉、抗彎、抗剪強度等顯著提高。其抗沖擊、抗疲勞、耐久性也有較大改善。摻入硅粉和減水劑的鋼纖維砂漿可以提高砂漿的密實性、抗壓強度、抗滲性、耐久性,改善混凝土拌合物的和易性。

2)MCI-2020遷移性鋼筋防銹劑。MCI-2020是一種通過涂抹在混凝土表面,即可自行滲透擴散至內部鋼筋表面,形成單分子保護膜,保護鋼筋不被腐蝕的防銹劑。即使它不與鋼筋直接接觸,也能在混凝土中滲透擴散一定距離,從而到達鋼筋表面,起到對鋼筋的保護作用,能夠有效抑制鋼筋腐蝕,延長結構的使用壽命。

3)MCI-2021混凝土表面密封劑鋼筋防銹劑。混凝土表面密封劑,通過深入混凝土內6 mm與混凝土中的化學物質鈣反應,生成不溶的硅酸鹽結構封閉表面孔隙,提高混凝土的密度并使表面防水、防碳化、防氯化物及酸堿侵蝕,但不影響混凝土的呼吸性能。MCI-2021的另一特性是它的防腐劑可遷移進入最密實的混凝土中,達4 cm,在鋼筋表面形成一個單分子防腐保護層,阻止鋼筋進一步銹蝕,延長鋼筋混凝土結構的使用壽命。

4)界面劑。ZV型混凝土修補膠與水泥調和而成,其配比為1∶1。使用時均勻涂抹混凝土表面,力求薄而不淌,待漿液不粘手時,即可進行下一道工序。

5 化學灌漿

1)灌漿采用灌漿泵,灌漿壓力:0.35 MPa～0.45 MPa。2)灌漿材料:環氧樹脂∶固化劑=2∶1(體積比)。3)預埋灌漿嘴:灌漿嘴用“水不漏”預埋,2個～3個嘴子內部架橋(預留通道)用來排氣,間隔20 cm～50 cm。4)在灌漿前,先用氣通一下各嘴子是否相通。灌漿先從柱子底部往上灌,要求連續不間斷、循序漸進。因為環氧樹脂與固化劑混合后凝固時間為1 h,并且防止把空氣灌入到混凝土內部,影響灌漿效果。灌漿結束標準:灌漿以灌漿量和估計的漿液用量相差不多,并以各個預埋嘴子出漿(出漿后用鉚釘堵住)和柱子的微細裂紋浸出漿液為準。

6 鋼筋銹脹裂縫的施工

1)對于順筋脹裂,部分保護層和邊角脫落,結構已處于不安全期或危險期。將開裂、松動的保護層全部鑿掉,將包裹鋼筋的混凝土挖掉一薄層,使鋼筋全部露出來,按3.2施工工藝進行施工。

2)對于箍筋、順筋已有部分銹蝕,且保護層裂縫已達到箍筋表面。將開裂、松動的保護層全部鑿掉,將包裹鋼筋的表層混凝土剔鑿,使鋼筋表面裸露,按3.2施工工藝進行施工。

3)對于水閘的機架橋梁、柱缺陷在混凝土表層,損傷、碳化深度未超過鋼筋保護層,不致影響結構的安全使用。工藝是只將碳化表層進行剔除,除鋼筋不需除銹外,其他工藝同上。

7 混凝土表面涂料涂覆

在混凝土表面涂料涂覆,可使混凝土與CO2,Cl-,O2和H2O隔離,是防止鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕的一種常用的有效措施。一般在預測到鋼筋混凝土結構將受到銹蝕損害時采用,也可以在經局部修補的較輕微銹蝕的鋼筋混凝土結構上起保護作用。目前在我國水利、電力、港口工程中使用較普遍的為環氧樹脂厚漿涂料。其特點為:固體組分高,粘結力強,密封性好,抗老化性好,保護周期長,但價格較貴。它可以有效地防止碳化,防氯離子滲透,耐磨、耐蝕。除環氧厚漿涂料外,還有環氧瀝青厚漿涂料、聚氨酯涂料、氯丁膠乳瀝青防水涂料。在此項聯結井閘補強加固工程中,我們根據鋼筋混凝土的不同損壞程度,采用了化學灌漿、鋼纖維砂漿、MCI遷移性鋼筋防銹劑等綜合治理方法,使原鋼筋混凝土結構外部形成了一個鋼護套,其抗壓、抗彎強度均已達到設計強度,并杜絕了鋼筋的銹蝕。因此,我們在混凝土表面涂料涂覆時,采用了一般的外檐涂料,并在涂料中摻入了BC01膠,使其更牢固、不褪色,既經濟又可達到防碳化、美觀的目的。

8 結語

天津市引灤工程爾王莊管理處所處地區的氣候與水工建筑物所處的水環境造成的局部濕度偏高,特別有助于混凝土的碳化。因此,對影響碳化的因素,碳化對鋼筋混凝土結構物的損壞,以及針對碳化引起水工建筑物的缺陷所采取的治理措施,作闡述和分析是非常必要的。引灤工程爾王莊管理處聯結井閘碳化治理后,經過近3年的運行、觀測,其結構承載力、整體性、耐久性的各項指標均達到設計要求,無任何碳化、裂紋及鋼筋銹蝕等跡象。因此證明此次治理工程設計合理,完善可靠,為相同類型的其他水工建筑物碳化治理提供了豐富的實踐經驗。

[1] 李常升.水利水電工程質量監控與通病防治全書[M].北京:中國環境科學出版社,1999.

[2] 黃國興,陳改新.水工混凝土建筑修補技術及應用[M].北京:中國環境科學出版社,2005.