人民胜利堰节制闸除险加固工程混凝土防碳化处理方案的选择

2018-03-07沈义勤

江苏水利 2018年2期

沈义勤

（沂沭泗水利管理局，江苏徐州 221018）

1 工程概况

人民胜利堰节制闸是大官庄水利枢纽的重要组成部分，控制分泄上游沭河和分沂入沭水道来水入老沭河，工程于1995年9月建成投入使用，运行至今20年。该闸为大（二）型水闸，共8孔，单孔净宽10.0 m，主要由上下游连接段、闸室、消能防冲设施、两岸连接建筑物等组成。

工程地处属温带大陆性季风气候区，冬季干冷，雨雪稀少、冻融破坏严重，春季风大、空气干燥，夏季气温高、湿度大、雨水集中，秋季气候凉爽、降水减少。多年平均气温l3.2℃，月平均气温7月份最高为26℃，1月份最低为-1.7℃，极端最高气温42℃，极端最低气温-24.9℃。水质上20世纪末污染较为严重，近年来水质达到三类标准。

2 混凝土碳化处理的原则

对已经产生碳化或者破坏的水工建筑物，混凝土防碳化处理可以全面提高混凝土的抗渗能力，阻止混凝土冻融剥蚀破坏，减小CO2向其内部侵蚀扩散，减缓混凝土的碳化速度，使混凝土保持良好的强度特性，钢筋处于高碱性环境保护中。

目前，对混凝土碳化处理的基本原则是：①若碳化深度较大，钢筋锈蚀明显，危及结构安全应拆除重建；②若碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，同时碳化层比较坚硬的，则可用优质涂料封闭；③若混凝土碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽然较小但碳化层疏松剥落的，应凿除碳化层，粉刷高强度砂浆或浇筑高强混凝土，然后全面封闭防护；④若钢筋锈蚀严重，应在修补前除锈，并应根据情况和结构要求加补钢筋，再用粘结性强的防护涂料对整个钢筋混凝土结构进行全面的封闭，达到整体防护的效果[1]。

3 结构混凝土检测

在确定混凝土防碳化处理方案前，应首先对结构混凝土碳化程度、表面强度等进行检测，分析判断混凝土的碳化对结构稳定性影响[2]。

表1 构件钢筋配置与混凝土碳化检测结果

1.1 水上混凝土碳化检测

2009年5月，水利部淮河流域水工程质量检测中心对工程的闸墩、翼墙、检修门轨道柱等进行了钢筋配置与混凝土碳化检测，检测结果见表1。检测项目包括钢筋间距＠、保护层厚度a、混凝土碳化深度d。

检测表明：闸墩保护层厚度为25.0～66.0 mm，碳化深度为14.0～70.0 mm，部分钢筋处于非碱性环境中，处于易锈蚀状态，翼墙保护层厚度为42.0～66.0 mm碳化深度为10.5～27.5 mm，部分钢筋处于碱性环境中，为不易锈蚀状态，检修门轨道柱保护层厚度为14.0～46.0 mm，碳化深度为7.5～37.5 mm，部分钢筋处于非碱性环境中，处于易锈蚀状态。

3.2 水下混凝土碳化检测

2009年5月对结构混凝土检测时，由于当时受条件所限，只能对水位以上混凝土部位进行检测。2014年10月，人民胜利堰除险加固工程主体工程开工，完成上下游施工围堰和基坑排水后，进一步对水下区、水位变化区进行混凝土碳化深度检测，检测结果见表2。

表2 混凝土碳化检测结果

检测表明：水下区碳化深度较小，只有2～3 mm钢筋处于碱性环境中，为不易锈蚀状态，但是闸墩底部由于受水冲击和水质污染，表面损坏严重。水位变化区碳化比较明显，闸墩6～7 mm，翼墙6～10 mm，排架柱15 mm。钢筋处于非碱性环境中，处于易锈蚀状态。

表3 混凝土表面强度检测结果

3.3 混凝土表面强度检测

2014年10月，对工程结构混凝土表面强度进行检测，检测结果见表3。

检测结果表明：结构混凝土表面强度还是较高，施工质量较好，碳化层比较坚硬。

3.4 检测分析

从检测数据看，闸墩是比较容易受碳化影响的部位，特别是处于相对湿度60%～80%的混凝土部位，受到高速水流的冲击，每年的冻融破坏和常年的高空气湿度等各种腐蚀因素积垢浓缩，引起较严重混凝土碳化及钢筋锈蚀，有时还会形成复合性侵蚀，使其成为最容易受碳化影响的部位；翼墙的碳化深度比较大，和施工强度、水流水质等有关系；排架主要是由于混凝土强度较低，导致碳化深度较大，经观察部分排架保护层脱落，钢筋已经锈蚀。检测结果也说明：强度是影响碳化深度的重要因素，保护层厚度则对延长建筑物的寿命至关重要。

通过检测和分析，我们认为人民胜利堰节制闸工程总体上碳化深度小于钢筋保护层厚度，同时，碳化层表面比较坚硬，对于碳化深度小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，防碳化处理一般均采用优质涂料对表面进行封闭。其封闭材料主要分为有机材料、无机材料以及结合两者特点的聚合物水泥基材料3种[3]。

有机涂料也称为柔性表面涂层材料，选用不饱和聚酯树脂、固化剂、增韧剂、稀释剂和填料等组成的修补材料，具体产品有各类树脂及有机硅类涂料等，其工作原理是能够在混凝土表层形成一层致密的薄膜，从而阻挡水分以及侵蚀性介质的侵入，故又称“成膜型防腐涂料”。

无机涂料主要指渗透结晶型涂层材料，是以硅酸盐水泥为基料并掺有硅砂等多种特殊活性化学物质的粉末状材料。它能够在混凝土表面水化并生成大量的凝胶状结晶吸水膨胀，对混凝土表面起到密实和防护作用，同时其中低分子量的可溶性物质可渗透进入混凝土内部生成膨胀性的硅酸盐凝胶堵塞混凝土内部的孔隙，从而进一步阻止水分和侵蚀性介质的进入。

聚合物水泥基修补材料是通过向水泥砂浆中掺加聚合物乳胶改性而制成的一类有机、无机复合修补材料。

无机修补材料虽然与基底混凝土物理性能基本一致，但其与混凝土之间的粘结力及力学特性不如有机修补材料，修补效果不佳。以渗入、吸附、凝结的方式填充混凝土孔隙的有机修补材料只是在混凝土表层形成一层薄膜，所以更难以达到从根本上对混凝土碳化破坏进行修补的目的，而且在环境温度变化范围较大时易开裂脱落，且其修补施工工艺要求高，材料价格昂贵，耐久性差。聚合物水泥基修补材料在硬化过程，伴随着水泥水化形成水化产物刚性空间结构的同时，由于水化和水分散失使得胶乳脱水，胶粒凝聚堆积并借助毛细管力成膜，填充结晶相之间的空隙，形成聚合物相空间网状结构。聚合物相的引入提高了水泥的密实性、粘结性，又降低了混凝土的脆性。与树脂基材料相比，它干缩小，不易开裂且成本低得多；与普通水泥砂浆相比，聚合物水泥修补材料的弹性模量低、抗拉强度高、极限拉伸率高、与老混凝土的粘接强度高。因此，聚合物水泥修补材料层能承受较大振动、反复冻融循环、温湿度强烈变化等作用，耐久性优良，适用于恶劣环境条件下水工混凝土结构的薄层表面修补。施工方法为人工涂刷，喷涂及灰浆机湿喷，大大提高了施工速度及施工质量。目前应用较多的是聚合物水泥基修补材料[4]。3种材料的比较见表4。

4 混凝土碳化处理方案的选择

4.1 混凝土碳化工艺的考察

2014年11月，建设、监理、施工等单位人员先后到南水北调、海河、沂沭泗局所属工程实地考察，查看工程防碳化处理效果，收集有关施工资料。

20世纪末至本世纪初，沂沭泗局对直属水闸开始进行碳化处理，积累了很多经验。嶂山闸闸室段以弧门侧轨为界，下游闸墩混凝土采用上海森泰ST-9608聚合物防水防腐涂料，上游闸墩是采用苏州科利源KLY改性水泥砂浆;彭道口、二级坝一闸三闸等采用丙乳砂浆；江风口闸采用丁苯胶乳（SBR）聚合物水泥砂浆;韩庄节制闸老闸、二级坝二闸等采用KW-1by防水砂浆;近年来，南水北调、海河等地工程，多采用聚合物防水防腐涂料进行混凝土防碳化处理。

表4 3种常用修补材料比较表

考察发现，不同碳化处理材料需要的施工条件、施工工艺上会有所差异，运行多年后效果差异很大。产生龟裂、裂缝、表面起鼓、大面积脱落等，色彩变化也较大。

为保证人民胜利堰节制闸进行碳化处理有良好的效果，防止产生上述问题，我们分别选取丙乳砂浆、SBR砂浆、上海奥兰AL-9608聚合物3种材料在工地闸墩和翼墙处分别进行工艺试验，通过对这3种涂料进行材料本身、施工工艺、以及在实际水闸中处理的结果进行比较，确定施工方案和工艺，并用于指导工程施工。

4.2 施工现场工艺试验

（1）试验思路：在自然环境状态下对碳化涂料，施工顺序、施工程序和方法等工艺以及成品观感、实验室内性能进行查看和检测。

（2）试验方法：考虑到光照对碳化效果的影响在闸墩阴面和翼墙阳面各取试验区。在2#墩上选择2块1.5 m×1.5 m的区域，凿除表面碳化层，用SBR作为修补材料；在5#墩选取1块3 m×2 m的区域，凿除表面碳化层，用AL-9608进行修补；在翼墙上选择2块区域进行AL-9608和丙乳砂浆修补。养护7 d后并取样在实验室做快速碳化实验以及材料其他性能检测。

（3）试验结论：通行试验对比发现，性能上3种涂料对防止混凝土碳化均有明显的作用，作为混凝土防碳化外涂材料都是可行的，检测结果见表5。观感上AL-9608强于SBR和丙乳砂浆，并且AL-9608的色彩可以进行调整，使其更接近混凝土色彩；从施工方面比较，AL-9608涂料和丙乳砂浆涂料施工涂刷比较简单，SBR涂料施工要求较高。最后确定采用AL-9608防水防腐材料进行施工。