暗渠联结井闸碳化治理

齐德海

1 工程概况

引滦工程尔王庄管理处联结井闸始建于1983年,它担负着向天津供水的艰巨任务,是联结水库、暗渠、泵站的咽喉要道,在尔王庄管理处17座水闸中具有举足轻重的地位。联结井闸自运行以来,由于先天的混凝土强度偏低、振捣不实、保护层厚度不足等原因致使机架桥柱、梁的混凝土保护层疏松脱落,箍筋部分裸露锈蚀,碳化深度4 cm～6 cm,普遍出现了箍筋、顺筋锈胀裂缝,回弹仪测强为11 MPa～22 MPa。因其结构的耐久性问题比较严重及在引滦输水工程的重要地位,该工程列为尔王庄管理处维修加固的重点项目。工程采用了化学灌浆、MCI迁移性钢筋防锈剂、钢纤维砂浆、防碳化涂料等一些新工艺、新材料,对钢筋混凝土结构进行了补强加固。

2 混凝土碳化破坏原因分析

2.1 混凝土的质量

由于联结井闸机架桥柱、梁局部混凝土的质量较差,虽然混凝土表面不一定有明显的微裂缝隙,但孔隙多、孔径大,渗透性也大,拦不住碳酸气和湿气的去路。碳酸气和湿气易找到直达钢筋的捷径,不仅使得碳化加速,而且可能使平均碳化深度尚未到达钢筋表面,已使钢筋提前锈蚀。

2.2 钢筋保护层厚度

阻拦碳化是混凝土保护层的主要功能之一。保护层越厚,CO2透入到混凝土内部越难,对抑制钢筋表面锈蚀、使混凝土胀裂的能力也越强。检查发现联结井闸机架桥柱、梁局部混凝土的保护层较薄,有些部位只有1 cm～3 cm,且纵筋、箍筋部位的保护层均有开裂现象,因此加速了梁、柱钢筋的锈蚀。

2.3 环境影响

天津地区的气候与水工建筑物所处的环境造成的局部湿度偏高,特别有助于混凝土的碳化。混凝土在碳化过程中会向外排出一定的水分。混凝土失去这些水分时会产生收缩,在混凝土内部产生微小裂缝。对于较大水压力的渗透,这些微小裂缝会被扩大,进而形成贯穿的通道,使渗水速度加快。这在天津宝坻尔王庄地区,特别是在尔王庄水库、引滦明渠周边地区的空气相对湿度更有助于混凝土的碳化。

2.4 钢筋锈蚀的影响

由于钢筋混凝土构筑物长期暴露在自然环境中,空气中的CO2在适当的温度、湿度浸入到硬化的水泥浆细孔中,与混凝土中Ca(OH)2反应生成CaCO3,使混凝土碱度降低。这种CO2从混凝土表面浸入到混凝土内部的过程称为碳化。碳化使混凝土碱度降低,减弱对钢筋的保护作用,钢筋就容易锈蚀,锈蚀形成的铁锈体积膨胀(为原来的2倍～8倍),对混凝土保护层施加一膨胀力。又由于碳化层产生的碳化收缩对其内部形成压力,而表面碳化层产生拉力,也能够使结构表面产生微小裂纹。这种收缩裂纹成为空气和水的通道,更加快了混凝土的碳化,最终导致混凝土保护层开裂和剥落,从此进入恶性循环。当钢筋暴露在大气中时,锈蚀过程将加快,最后导致截面减小,严重降低结构强度,影响混凝土建筑物的寿命。

综上原因分析,为了确保引滦工程的正常运行,确保安全输水,联结井闸机架桥柱、梁的病症必须进行综合治理,以提高钢筋混凝土结构的耐久性。

3 施工工艺

3.1 工程的治理原则

治理后的联结井闸具备原有承载力、整体性和耐久性,防止进一步损坏结构和构件,尽量避免大动大补,并尽可能保持原有结构外观。处理方法从实际出发,在安全可靠的前提下,力求简单易行、经济合理。但是由于混凝土病害严重,且程度不一,因此我们对机架桥柱、梁、平台分别采取了不同的治理方案。

3.2 工艺流程

凿除混凝土→钢筋除锈→基层清理→刷MCI迁移性钢筋防锈剂(2020)→刷界面剂(第一遍)→抹钢纤维砂浆(第一遍)→化学灌浆→刷界面剂(第二遍)→抹钢纤维砂浆(第二遍)→刷界面剂(第三遍)→抹钢纤维砂浆(第三遍)→养护→刷MCI2021→刷防碳化涂料(三遍)。

4 修补材料

1)钢纤维砂浆。配比:水泥∶砂∶钢纤维∶硅粉∶减水剂∶水=1∶1.5∶0.08∶0.1∶0.05∶0.38。钢纤维砂浆是一种性能优良且使用广泛的新型复合材料。乱向分布的短纤维阻碍内部裂缝的扩展和宏观裂缝的发生,从而使抗拉、抗弯、抗剪强度等显著提高。其抗冲击、抗疲劳、耐久性也有较大改善。掺入硅粉和减水剂的钢纤维砂浆可以提高砂浆的密实性、抗压强度、抗渗性、耐久性,改善混凝土拌合物的和易性。

2)MCI-2020迁移性钢筋防锈剂。MCI-2020是一种通过涂抹在混凝土表面,即可自行渗透扩散至内部钢筋表面,形成单分子保护膜,保护钢筋不被腐蚀的防锈剂。即使它不与钢筋直接接触,也能在混凝土中渗透扩散一定距离,从而到达钢筋表面,起到对钢筋的保护作用,能够有效抑制钢筋腐蚀,延长结构的使用寿命。

3)MCI-2021混凝土表面密封剂钢筋防锈剂。混凝土表面密封剂,通过深入混凝土内6 mm与混凝土中的化学物质钙反应,生成不溶的硅酸盐结构封闭表面孔隙,提高混凝土的密度并使表面防水、防碳化、防氯化物及酸碱侵蚀,但不影响混凝土的呼吸性能。MCI-2021的另一特性是它的防腐剂可迁移进入最密实的混凝土中,达4 cm,在钢筋表面形成一个单分子防腐保护层,阻止钢筋进一步锈蚀,延长钢筋混凝土结构的使用寿命。

4)界面剂。ZV型混凝土修补胶与水泥调和而成,其配比为1∶1。使用时均匀涂抹混凝土表面,力求薄而不淌,待浆液不粘手时,即可进行下一道工序。

5 化学灌浆

1)灌浆采用灌浆泵,灌浆压力:0.35 MPa～0.45 MPa。2)灌浆材料:环氧树脂∶固化剂=2∶1(体积比)。3)预埋灌浆嘴:灌浆嘴用“水不漏”预埋,2个～3个嘴子内部架桥(预留通道)用来排气,间隔20 cm～50 cm。4)在灌浆前,先用气通一下各嘴子是否相通。灌浆先从柱子底部往上灌,要求连续不间断、循序渐进。因为环氧树脂与固化剂混合后凝固时间为1 h,并且防止把空气灌入到混凝土内部,影响灌浆效果。灌浆结束标准:灌浆以灌浆量和估计的浆液用量相差不多,并以各个预埋嘴子出浆(出浆后用铆钉堵住)和柱子的微细裂纹浸出浆液为准。

6 钢筋锈胀裂缝的施工

1)对于顺筋胀裂,部分保护层和边角脱落,结构已处于不安全期或危险期。将开裂、松动的保护层全部凿掉,将包裹钢筋的混凝土挖掉一薄层,使钢筋全部露出来,按3.2施工工艺进行施工。

2)对于箍筋、顺筋已有部分锈蚀,且保护层裂缝已达到箍筋表面。将开裂、松动的保护层全部凿掉,将包裹钢筋的表层混凝土剔凿,使钢筋表面裸露,按3.2施工工艺进行施工。

3)对于水闸的机架桥梁、柱缺陷在混凝土表层,损伤、碳化深度未超过钢筋保护层,不致影响结构的安全使用。工艺是只将碳化表层进行剔除,除钢筋不需除锈外,其他工艺同上。

7 混凝土表面涂料涂覆

在混凝土表面涂料涂覆,可使混凝土与CO2,Cl-,O2和H2O隔离,是防止钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的一种常用的有效措施。一般在预测到钢筋混凝土结构将受到锈蚀损害时采用,也可以在经局部修补的较轻微锈蚀的钢筋混凝土结构上起保护作用。目前在我国水利、电力、港口工程中使用较普遍的为环氧树脂厚浆涂料。其特点为:固体组分高,粘结力强,密封性好,抗老化性好,保护周期长,但价格较贵。它可以有效地防止碳化,防氯离子渗透,耐磨、耐蚀。除环氧厚浆涂料外,还有环氧沥青厚浆涂料、聚氨酯涂料、氯丁胶乳沥青防水涂料。在此项联结井闸补强加固工程中,我们根据钢筋混凝土的不同损坏程度,采用了化学灌浆、钢纤维砂浆、MCI迁移性钢筋防锈剂等综合治理方法,使原钢筋混凝土结构外部形成了一个钢护套,其抗压、抗弯强度均已达到设计强度,并杜绝了钢筋的锈蚀。因此,我们在混凝土表面涂料涂覆时,采用了一般的外檐涂料,并在涂料中掺入了BC01胶,使其更牢固、不褪色,既经济又可达到防碳化、美观的目的。

8 结语

天津市引滦工程尔王庄管理处所处地区的气候与水工建筑物所处的水环境造成的局部湿度偏高,特别有助于混凝土的碳化。因此,对影响碳化的因素,碳化对钢筋混凝土结构物的损坏,以及针对碳化引起水工建筑物的缺陷所采取的治理措施,作阐述和分析是非常必要的。引滦工程尔王庄管理处联结井闸碳化治理后,经过近3年的运行、观测,其结构承载力、整体性、耐久性的各项指标均达到设计要求,无任何碳化、裂纹及钢筋锈蚀等迹象。因此证明此次治理工程设计合理,完善可靠,为相同类型的其他水工建筑物碳化治理提供了丰富的实践经验。

[1] 李常升.水利水电工程质量监控与通病防治全书[M].北京:中国环境科学出版社,1999.

[2] 黄国兴,陈改新.水工混凝土建筑修补技术及应用[M].北京:中国环境科学出版社,2005.