港工混凝土結(jié)構(gòu)維修加固技術(shù)研究

齊 可 仁

(交通運輸部水運科學(xué)研究院，北京 100088)

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港工混凝土結(jié)構(gòu)維修加固技術(shù)研究

齊 可 仁

(交通運輸部水運科學(xué)研究院，北京 100088)

結(jié)合實踐經(jīng)驗，介紹了港口水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的破損修補與耐久性修復(fù)技術(shù)，并從增大截面、外粘型鋼及鋼板、預(yù)應(yīng)力等方面，闡述了混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)，從而確保港口碼頭結(jié)構(gòu)的安全性。

混凝土結(jié)構(gòu)，破損修補，加固技術(shù)，耐久性

近20年，我國已建成的港口水工建筑物很大一部分已經(jīng)投入運營數(shù)十年，其中混凝土結(jié)構(gòu)所占比重居多。以海港碼頭為例，其處于十分惡劣的海洋環(huán)境之中，很多海工混凝土結(jié)構(gòu)受到嚴重侵蝕，加上建設(shè)施工年代久遠，施工質(zhì)量、材料性能不能保證，以及碼頭運營期內(nèi)使用不當?shù)仍颍沟眠@些碼頭迫切需要進行維修與加固。越來越多碼頭亟須維修加固的現(xiàn)象，使得人們對于碼頭維修加固的關(guān)注度空前提高，涌現(xiàn)出許多針對港口碼頭維修加固技術(shù)的研究，我國港口水工建筑物的修補加固技術(shù)得到了很大的發(fā)展，一些新的加固方法、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)出來，維修加固技術(shù)水平也向著更高層次邁進。

1 混凝土結(jié)構(gòu)破損修補

1.1 損壞的鋼筋混凝土處理

移除損壞混凝土施工前必須進行承載能力驗算。鋼筋除銹采用的主要方法有手動鋼絲輪除銹、噴砂除銹以及高壓淡水除銹。近年來出現(xiàn)的水利清拆方法，是利用超高壓水設(shè)備進行高質(zhì)量的舊混凝土拆除和鋼筋除銹，作業(yè)效率高、噪聲小、無粉塵，不會對完好的鋼筋構(gòu)架及周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此該方法是鋼筋混凝土維修工程中一種高效環(huán)保的新方法。

1.2 混凝土保護層修復(fù)技術(shù)

傳統(tǒng)的混凝土保護層修補方法主要有立模澆筑普通混凝土、人工涂刮普通水泥砂漿等，其應(yīng)用范圍較為局限、維修效率不高、維修效果差，容易再次損壞。近年來，一系列新技術(shù)、新材料在港工混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固施工中得到應(yīng)用，如噴射混凝土施工技術(shù)、水下不分散混凝土、聚合物砂漿、自密實混凝土、改性水下環(huán)氧灌漿液等，這些新工藝的應(yīng)用令水工混凝土結(jié)構(gòu)維修的施工效率和施工效果都有了質(zhì)的飛越。

2 混凝土耐久性修復(fù)

混凝土耐久性修復(fù)[1,2]的傳統(tǒng)方法是混凝土結(jié)構(gòu)破損局部修補，即補丁修補法，但該方法不能清除未銹損部位的氯離子，由于原電池的作用，造成結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)(一般不到10年)又出現(xiàn)銹蝕破壞。近些年的研究開發(fā)了電化學(xué)修復(fù)方法，如電化學(xué)脫鹽技術(shù)和外加電流陰極保護技術(shù)等，解決了傳統(tǒng)維修方法屢修屢壞的難題，可保證結(jié)構(gòu)維修后15年以上甚至更長時間不會再出現(xiàn)銹蝕破壞，有效提升了我國基礎(chǔ)工程設(shè)施的耐久性。

2.1 電化學(xué)脫鹽

從2000年至今，大量研究者對電化學(xué)脫鹽(Electrochemical Chloride Extraction，簡稱ECE)保護技術(shù)開展了深入的研究工作，目前已進行大規(guī)模工程應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟效益明顯。

電化學(xué)脫鹽技術(shù)是應(yīng)對氯污染混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)方法，由美國聯(lián)邦公路局(FHWA)和美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)于20世紀70年代首次提出。該方法以鋼筋與外加直流電壓負極相連，正極外延置于混凝土表面，電解液在混凝土表面循環(huán)流動，在外加電場下經(jīng)過數(shù)周后Ca2+，Na+，K+等陽離子移動吸附至陰極，Cl-，OH-等陰離子向陽極移動最終在混凝土表面以水電解質(zhì)形式脫離。

2.2 外加電流陰極保護技術(shù)

陰極保護技術(shù)是以抑制鋼筋表面形成腐蝕電池為目的的電化學(xué)防腐技術(shù)，是應(yīng)對海洋環(huán)境、保護混凝土中鋼筋免受腐蝕和孔蝕最有效的防護措施之一，發(fā)展較為成熟。目前該技術(shù)應(yīng)用已較為廣泛，并制定了相應(yīng)的標準和規(guī)范，為鋼筋混凝土有效實施外加電流陰極保護提供了技術(shù)依據(jù)。

鋼筋混凝土外加電流陰極保護是以直流電源的負極與被保護的鋼筋相接，正極與難溶性輔助陽極相接，提供保護電流；電流通過連續(xù)的混凝土介質(zhì)，到達鋼筋表面使鋼筋發(fā)生陰極極化避免鋼筋外面鈍化膜被破壞而受到保護。

3 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

3.1 增大截面綜合加固技術(shù)

我國水工構(gòu)造物中混凝土結(jié)構(gòu)占很大一部分，目前國內(nèi)有相當一部分混凝土結(jié)構(gòu)修建年代久遠，修建時僅適應(yīng)當時的建設(shè)標準。隨著交通事業(yè)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量提高，水工建筑物工作中出現(xiàn)荷載等級偏低、承載力低及病害威脅的現(xiàn)象已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代需要。對這部分危舊結(jié)構(gòu)，突出缺點是原結(jié)構(gòu)鋼筋和混凝土截面尺寸偏小，整體剛度不夠，在對自重增加、外觀變化不敏感的情況下可以采用增大結(jié)構(gòu)截面的方法進行加固。

3.2 外粘型鋼及鋼板加固技術(shù)

外部粘鋼加固法是用環(huán)氧樹脂等粘結(jié)劑把鋼板等高強度材料牢固的粘貼于被加固構(gòu)件表面，使其與被加固構(gòu)件共同工作，可對構(gòu)件的抗拉、抗彎、抗剪等能力進行補強，顯著提高其剛度和韌性，恢復(fù)承載能力，延長使用壽命[3]。與其他加固方法相比，粘鋼加固具有技術(shù)先進、工藝簡便、施工周期短、材料消耗少、加固性能好、所占空間小以及不影響被加固結(jié)構(gòu)外觀和使用空間等諸多優(yōu)點。深入研究粘鋼加固的粘結(jié)劑耐久性問題及鋼板的防腐問題有助于粘鋼加固在我國水工建筑物維修加固中的進一步推廣和應(yīng)用。

3.3 預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)[4]的預(yù)應(yīng)力筋布置于主體結(jié)構(gòu)之外，通常由多根鋼絞線組合成集中鋼索。該方法對碼頭梁板結(jié)構(gòu)的維修加固補強效果明顯。SRAP工藝使得預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)水平進一步提高，是一種簡明、可靠、經(jīng)濟的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，施工工藝先進、快速，施工費用合理，綠色環(huán)保。它是采用鍍鋅軟鋼絲束和彈簧組合(SR加固材料)對混凝土構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力，配以多功能復(fù)合砂漿(AP砂漿)對混凝土結(jié)構(gòu)進行綜合修復(fù)加固，有利于延長在役碼頭使用壽命，節(jié)約建設(shè)投資。SRAP工藝的應(yīng)用使得預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)水平向更高層次邁進。目前，該技術(shù)已在碼頭、水閘、橋梁等工程中成功推廣。

3.4 海工混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)

科研人員取得了海工混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固成套技術(shù)及相關(guān)的計算理論，解決了海工混凝土潮濕表面粘結(jié)和鋼筋腐蝕造成基面退化等關(guān)鍵技術(shù)問題，并將相關(guān)成果納入《港口水工建筑物修補加固技術(shù)規(guī)范》的制定，填補了海工混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固研究的空白。就目前來看，海港混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)雖然仍有不少問題需要解決，但通過對應(yīng)用中出現(xiàn)的技術(shù)問題深入研究，相信在不久的將來，海工混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)定會不斷成熟和完善，為改善我國老舊碼頭急需維修加固的現(xiàn)狀，起到重大的推動作用。

3.5 維修加固新材料

伴隨著水運交通建設(shè)的不斷發(fā)展，建筑材料更新?lián)Q代，一批批先進的新材料被用于港口水工建筑物的維修加固實踐當中，取得了良好的加固效果。

在裂縫修補時，粘結(jié)強度較高、密實度較好的新型聚合物砂漿使用，很好的彌補了一般砂漿由于粘結(jié)強度不夠而不斷下漏的缺陷，避免了材料的浪費和對于海水的污染；高性能混凝土的問世及應(yīng)用，使噴射混凝土增大截面修復(fù)時，結(jié)構(gòu)混凝土具有更高的強度和更好的密實性、耐久性。此外，具有輕質(zhì)高強、化學(xué)穩(wěn)定性好、施工適應(yīng)性強、良好的粘結(jié)性、耐熱性和抗腐蝕性等眾多優(yōu)點的碳纖維復(fù)合材料[5]的出現(xiàn)，使維修加固材料發(fā)展到一個新的高度，對于維修加固技術(shù)水平的提高具有里程碑意義。

3.6 維修加固設(shè)計計算原則

隨著加固設(shè)計理念的不斷更新，在加固設(shè)計中考慮的因素更加全面。港口碼頭經(jīng)過數(shù)十年的營運，老化、破損、腐蝕等現(xiàn)象嚴重，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各項性能指標已和設(shè)計之初千差萬別。因此，對碼頭進行維修加固設(shè)計時需要充分明確被加固結(jié)構(gòu)的承載能力現(xiàn)狀，全面考慮影響承載能力的各方面因素，在加固前對結(jié)構(gòu)各項性能進行詳細的檢測。另外，無論是增大截面加固、粘鋼板加固還是粘貼碳纖維加固，加固后的結(jié)構(gòu)都是一個新、老結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜受力體系。新老結(jié)構(gòu)各部分之間如何受力分析，承載能力、結(jié)構(gòu)鋼如何計算，二次受力等問題都是提高維修加固技術(shù)水平和完善設(shè)計計算理念的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展需要和海岸資源限制，我國港口碼頭發(fā)展由建設(shè)為主向管養(yǎng)為主轉(zhuǎn)變，今后我國將有大量的港口碼頭結(jié)構(gòu)需要進行維修。港口水工建筑物的維修加固既要考慮其所處特殊環(huán)境的適用性，又要考慮其加固后繼續(xù)耐環(huán)境作用。適合水工結(jié)構(gòu)特點的維修加固新技術(shù)、新材料研究，及對其維修加固后的效果評價、使用安全性能和剩余壽命預(yù)測等將是急需開展研究的課題。

[1] 金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2] 陳肇元.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3] 張 濤,李紀元,邱煥榮.粘貼鋼板在橋梁加固中的應(yīng)用[J].交通標準化,2007(7):60-62.

[4] 孔 晶.體外預(yù)應(yīng)力加固法在路橋施工的用法及分析[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2011(17)：97-99.

[5] 張孝輝,劉善波.水工建筑物鋼板及碳纖維補強加固新技術(shù)[J].水利天地,2008(10):46-47.

On maintenance and consolidation techniques of port engineering concrete structure

Qi Keren

(ChinaWaterborneTransportResearchInstitute,Beijing100088,China)

Combining with the practical experience, the paper introduces the damage maintenance and durability repairing technique of the port engineering concrete structure, and illustrates the consolidation techniques of the concrete structure from the enlarging section, adhesive bonded bar, and prestress, so as to ensure the safety of the port’s wharf structure.

concrete structure, damage maintnenace, consolidation technique, durability

2016-11-19

齊可仁(1991- )，女，助理工程師

1009-6825(2017)04-0124-02

TU755.7

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