暗渠聯(lián)結(jié)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(lián)結(jié)井閘始建于1983年,它擔負著向天津供水的艱巨任務,是聯(lián)結(jié)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(lián)結(jié)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(xiàn)了箍筋、順筋銹脹裂縫,回彈儀測強為11 MPa～22 MPa。因其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)量

由于聯(lián)結(jié)井閘機架橋柱、梁局部混凝土的質(zhì)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(nèi)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(fā)現(xiàn)聯(lián)結(jié)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(xiàn)象,因此加速了梁、柱鋼筋的銹蝕。

2.3 環(huán)境影響

天津地區(qū)的氣候與水工建筑物所處的環(huán)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(chǎn)生收縮,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)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?jié)B水速度加快。這在天津?qū)氎鏍柾跚f地區(qū),特別是在爾王莊水庫、引灤明渠周邊地區(qū)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(gòu)筑物長期暴露在自然環(huán)境中,空氣中的CO2在適當?shù)臏囟取穸冉氲接不乃酀{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(nèi)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(chǎn)生的碳化收縮對其內(nèi)部形成壓力,而表面碳化層產(chǎn)生拉力,也能夠使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)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(huán)。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(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)的耐久性。

3 施工工藝

3.1 工程的治理原則

治理后的聯(lián)結(jié)井閘具備原有承載力、整體性和耐久性,防止進一步損壞結(jié)構(gòu)和構(gòu)件,盡量避免大動大補,并盡可能保持原有結(jié)構(gòu)外觀。處理方法從實際出發(fā),在安全可靠的前提下,力求簡單易行、經(jīng)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(yǎng)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(yōu)良且使用廣泛的新型復合材料。亂向分布的短纖維阻礙內(nèi)部裂縫的擴展和宏觀裂縫的發(fā)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?jié)B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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)6 mm與混凝土中的化學物質(zhì)鈣反應,生成不溶的硅酸鹽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的使用壽命。

4)界面劑。ZV型混凝土修補膠與水泥調(diào)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(huán)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(nèi)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(xù)不間斷、循序漸進。因為環(huán)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(nèi)部,影響灌漿效果。灌漿結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)將受到銹蝕損害時采用,也可以在經(jīng)局部修補的較輕微銹蝕的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(huán)氧樹脂厚漿涂料。其特點為:固體組分高,粘結(jié)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(huán)氧厚漿涂料外,還有環(huán)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(lián)結(jié)井閘補強加固工程中,我們根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jīng)濟又可達到防碳化、美觀的目的。

8 結(jié)語

天津市引灤工程爾王莊管理處所處地區(qū)的氣候與水工建筑物所處的水環(huán)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(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)井閘碳化治理后,經(jīng)過近3年的運行、觀測,其結(jié)構(gòu)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(jīng)驗。

[1] 李常升.水利水電工程質(zhì)量監(jiān)控與通病防治全書[M].北京:中國環(huán)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(huán)境科學出版社,2005.