黑河引水工程沣峪渡槽混凝土结构病害治理

2010-04-14许晓会

水利与建筑工程学报 2010年5期

许晓会,刘斌

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西西安710001)

1 工程概况及存在问题

1.1 工程概况

沣峪渡槽是西安市黑河引水工程长安段输水暗渠跨越沣河的一座输水建筑物,渡槽长度67.48 m,设计流量14 m3/s,加大流量15 m3/s。渡槽下部为现浇钢筋混凝土悬链线板拱排架结构,上部为现浇矩形钢筋混凝土槽箱结构,板拱主跨40 m,拱圈采用变截面悬链线无铰板拱形式,板拱宽度3.4m,厚度0.70m～0.95 m;拱圈上部采用单排架支撑结构,排架最高7.293 m,最低 2.455 m,排架柱尺寸0.45 m×0.35 m,横系梁尺寸0.35 m×0.3 m,上部槽箱外轮廓尺寸高3.45 m,宽3.4m,槽箱净尺寸2.7(宽)m×3.0(高)m,端肋壁厚0.35 m,槽箱两侧壁厚0.25m,底板厚0.25 m,顶板厚0.2 m。槽箱、拱圈、排架均采用C25现浇钢筋混凝土结构,拱座为C15钢筋混凝土,进出口槽箱渐变段为C20现浇钢筋混凝土,栏杆采用C20预制钢筋混凝土[1]。

1.2 存在问题

沣峪渡槽于1994年建成,现已运行十多年,由于所处区域气候变化频繁,风蚀、冻融、碳化破坏速度较快,加之当时施工精度不高,致使钢筋保护层偏薄,引起渡槽拱圈、排架、槽箱等钢筋混凝土都不同程度出现裂缝、部分钢筋裸露、锈蚀、混凝土胀落等现象。为了保障渡槽正常、安全供水,因此,对沣峪渡槽进行加固、及时治理工程病害是十分必要的。

1.3 检测结果

2010年元月到2010年2月对渡槽进行了检测,其结果如下:

(1)混凝土裂缝。排架、承台等部位出现裂缝,裂缝最大长度162 cm,最大宽度0.60 mm,最大深度34.7 mm,尤其是渡槽下游9#排架南柱混凝土疏松严重。

(2)钢筋锈蚀。各部位钢筋出现不同程度的锈蚀、混凝土顺筋胀裂或胀落、钢筋外露等损伤,排架尤为严重,钢筋锈蚀主要发生在箍筋沿线,钢筋锈蚀导致的钢筋最大截面损失率35.3%,最小3.6%。

(3)混凝土碳化。槽箱混凝土碳化深度6.0 mm～10.2 mm、排架碳化深度7.5 mm～15.5 mm、拱圈碳化深度 9.3 mm～13.2 mm,平均碳化值10.0 mm左右。

混凝土保护层厚度检测:排架胀裂或胀落露筋的部位的保护层实测值界于3.2 mm～10 mm之间,未胀裂或脱落露筋部位的混凝土保护层的实测值界于11 mm～54 mm之间。

(4)混凝土强度和弹模。槽箱、排架、拱圈C25混凝土强度检测值界于40.8 MPa～52.1 MPa之间,大于设计值15.8 MPa;混凝土弹性模量值界于3.09×104MPa～3.78×104MPa之间,高于28 d龄期弹性模量2.8×104MPa[2]。

1.4 病害成因分析

根据检测报告和现场勘查,初步分析产生病害原因主要有以下几方面:

(1)保护层过薄导致病害。渡槽许多部位钢筋保护层厚度不足10mm,空气中的CO2极易透过较薄的混凝土保护层,侵蚀钢筋,造成钢筋锈蚀,产生张力,从而使混凝土保护层开裂、脱落。开裂后的保护层失去了对钢筋的保护功能,进一步加速、加剧钢筋锈蚀。若不及时加以防护,达到一定程度时,会危及混凝土结构的强度和耐久性,为渡槽埋下安全隐患。

(2)风蚀、雨浸、冻融导致病害。渡槽南向的病害情况明显严重于北向,这主要是由于渡槽位于秦岭北麓沣峪口特殊的地理位置,特定的气象条件影响,是典型的冻融破坏现象。冬季气温变化频繁,且风速较大,雨水频繁经风吹浸透槽体,水存留在混凝土内部,结冰、膨胀,导致混凝土由表及里发生浅层破坏,时日一长,混凝土便疏松、剥落,从而导致内部钢筋锈蚀、混凝土胀裂、脱落,钢筋外露[3]。

(3)碳化反应导致病害。混凝土浇筑密实度较差,导致空气中的CO2极易与混凝土中的Ca(OH)2发生碳化反应,消耗了氢氧根,大大降低了混凝土pH值,使混凝土由强碱性变为弱碱性甚至中性,由于pH值的降低,混凝土对钢筋表面钝化膜的保护功能丧失,引发钢筋锈蚀;再次,钙离子流失使混凝土结构力学性能劣化,导致碳化后的混凝土结构空隙增加,引起钢筋锈蚀[3]。

导致病害的原因是以上3个方面因素综合、相互作用的结果,渡槽目前的病害,严重影响渡槽寿命,危及西安市供水安全。因此,应尽快予以保护、加固,以避免渡槽险情。

2 加固方案及工艺[3]

2.1 加固设计原则

沣峪渡槽加固设计的基本原则为:在满足原功能的前提下,对混凝土构件出现的裂缝、胀裂、胀落、钢筋锈蚀、外露、混凝土碳化等病害采用新技术、新材料、新工艺进行加固补强,加固设计方案力求安全可靠、技术合理、经济美观、施工期不影响渡槽正常输水。

2.2 加固方案

根据检测结果和现场查勘分析:产生病害的主要原因是混凝土保护层太薄及局部混凝土振捣不密实,导致钢筋锈蚀、混凝土裂缝,经复核后,拟对渡槽9#排架柱进行补强加固,其余部位进行修补加固。针对存在的具体问题分别处理如下:

(1)排架柱补强处理:渡槽9#排架南柱原混凝土疏松严重、强度偏低,主筋锈蚀损失率达35.3%。拟采用角钢补强加固措施,即采用4根与柱同高的角钢支撑、钢板连接、修补砂浆保护后并涂刷水泥基防水浆料方案。确保渡槽安全,延长其使用寿命。

(2)裂缝灌浆处理:对裂缝宽度δ＜0.2 mm的裂缝不处理,对裂缝宽度δ≥0.2 mm的裂缝进行灌胶,材料采用环氧树脂混凝土裂缝灌缝胶,压力控制在0.2MPa左右。

(3)钢筋阻锈及砂浆修补:对外露钢筋和揭掉表层胀裂的混凝土后露出的钢筋,除锈后涂刷钢筋阻锈剂、并用修补砂浆恢复原结构轮廓。

(4)增加原混凝土保护层:对渡槽表面清理处理后,涂刷界面剂,再均匀涂抹5 mm厚的修补砂浆,以增加钢筋保护层的厚度,提高和加强对混凝土内钢筋的保护。

(5)混凝土防碳化处理:对渡槽整个表面涂刷一层防碳化涂料,从而阻止冻融破坏和碳化反应,恢复混凝土结构碱性环境,防止混凝土力学性能继续劣化,延长结构使用寿命。

另外,为了使加固处理后的渡槽整体美观、颜色一致、外观协调,满足保护栏杆的要求,对栏杆表面清理并涂刷通用型水泥基防水浆料处理。

2.3 加固工艺

根据渡槽存在的问题,加固设计主要针对渡槽排架柱补强加固、裂缝灌浆、钢筋阻锈及砂浆修补、增加混凝土保护层、混凝土防碳化处理、栏杆防护等几方面。

2.3.1 排架柱补强加固处理工艺[4,5]

①首先对立柱露筋除锈、阻锈处理,并用修补砂浆修复原结构轮廓。②在柱四个角用4根与柱同高的角钢(规格∠100×100×10)支撑,角钢上端焊接在钢板圈(钢板厚度20 mm)并用砂浆锚杆(直径25 mm螺纹钢)固定于墩帽上;角钢下端焊接在钢板(厚度10 mm)上,并用高粘度环氧砂浆固定于承台上。③ 用连接钢板(规格300×100×10)与角钢焊接,间距为400mm～600 mm。④用高粘度环氧砂浆充填角钢与柱之间的空隙,以便于原柱形成整体。⑤对排架柱用修补砂浆进行整体修补加固,在角钢面修补砂浆2 mm厚的位置粘贴耐碱网格布(以防由于钢结构与砂浆的温变系数的差异造成空鼓或脱落现象的发生),外层加抹5 mm～10 mm厚修补砂浆,最表层涂刷水泥基防水浆料,厚度1.5 mm。

2.3.2 裂缝灌浆处理工艺

施工前,首先对裂缝按渡槽槽箱、排架、板拱等不同部位进行全面检查,记录裂缝发生的位置、宽度、长度、深度、性质等,并编号、绘制裂缝展开图,按裂缝宽度 δ≥0.2 mm与 δ＜0.2mm进行分类,做好标记。对于裂缝宽度δ＜0.2 mm的裂缝不处理;对裂缝宽度δ≥0.2 mm的裂缝先进行裂缝及表面混凝土表层清理,待清理干净后,确保无灰、无封闭剂或任何其它可能影响树脂对混凝土粘接的物质后方可进行灌胶;裂缝灌胶采用具有抗拉、粘接强度高、可灌性好的超低粘度的环氧树脂混凝土裂缝灌缝胶。

对较宽较深裂缝处埋设灌胶嘴,埋设时,先在灌胶嘴的底盘上抹一层厚约1 mm的环氧胶泥,将灌胶嘴的进胶孔骑缝粘贴在预定的位置上;灌胶施工前,采用环氧树脂胶泥封缝,使裂缝形成一个封闭性空腔,由裂缝的一端开始压胶后,压力保持在0.2 MPa左右,待裂缝灌浆饱和后进行封闭即可。

对于浅层裂缝,采用超低粘度的环氧树脂混凝土裂缝灌缝胶,用注射器直接灌注在缝隙内,待其自然固化即可。浅层的平面裂缝:直接采用注射器灌注在裂缝内;浅层的立面裂缝:将裂缝由下向上逐段封闭,从每段的顶部灌注。

2.3.3 钢筋阻锈及砂浆修补工艺

剔除混凝土构件的锈蚀钢筋、外露钢筋周边胀裂或胀落、松动的混凝土,并清除灰尘、杂物,进行清理性打磨,彻底清除、凿除表面松散无强度的混凝土,露出坚固的混凝土新鲜基底,待清洗后将暴露的钢筋表面锈迹打磨干净,然后涂刷水泥基钢筋阻锈剂2遍;对支柱与渡槽接触部位的钢板及锈蚀部分进行清理、打磨,将钢板表面清理干净后,直接涂刷水泥基钢筋阻锈剂进行保护。待上述工艺完成后,涂刷界面剂于清洁、干燥、坚固的混凝土新鲜混凝土基底基面上,用刷子或者滚筒蘸取混合液涂刷,待第1遍涂层表干之后,用原液涂刷第2遍,然后在涂刷界面剂的界面上,对于残缺部分混凝土采用水泥基聚合物砂浆进行修补,恢复原混凝土构件的轮廓,将渡槽各部位结构尺寸恢复至原貌。

水泥基钢筋阻锈剂要求能有效地抑制混凝土内钢筋锈蚀现象的产生。要求①与钢筋和混凝土的粘结性能优异,并能提高混凝土保护层与钢筋的握裹力,同时具有良好的防锈和抗冻融能力;②良好的锈蚀抑制性能,在无法暴露全部锈蚀钢筋时,只需将暴露部分的钢筋完全涂刷,要能满足防锈、阻锈要求;③本身具有迁移型阻锈能力,能够通过迁移功能保护未涂刷部分不再生锈;④对钢筋表面的浮锈打掉即可满足阻锈功能;⑤要求无毒无害、生态环保,易于施工。

2.3.4 增加混凝土保护层

在加厚处理前,先清理原混凝土表面,然后涂刷界面剂2遍。第1遍,将界面剂和清水按照1∶1的比例稀释,按8 m2/L～10 m2/L的量,用刷子或滚筒蘸取混合液涂刷;待第1遍涂层表干后,用本产品原液,按8 m2/L～10 m2/L涂刷第2遍。

再等界面剂表干后,按照5 mm厚的水泥基聚合物修补砂浆均匀涂抹,以增加钢筋保护层的厚度,提高和加强对混凝土内钢筋的保护。

2.3.5 混凝土防碳化处理

在裂缝处理、钢筋阻锈及砂浆修补、增加混凝土保护层完成后,为了降低混凝土的碳化速度,减少冻融影响,需对渡槽整体(包括槽箱、排架、拱圈)表面进行全面的防碳化处理。即对整体结构表面涂刷水泥基防水浆料,使整个渡槽混凝土结构表面形成附着力极强的密实、坚硬涂层,有效防止水分侵入混凝土,从而阻止冻融破坏和碳化反应,恢复混凝土结构碱性环境,防止混凝土结构的力学性能继续劣化,延长结构使用寿命。其处理的具体工艺为:在清洁、干燥的混凝土基面上,待混凝土保护层加厚恢复(或槽箱顶、底板原混凝土表面清理)后,直接涂刷通用型水泥基防水浆料两遍,两遍涂刷方向相互垂直,用量按1.5 kg/m2控制。