人民胜利堰闸混凝土防碳化处理方案优化研究

宋光宪 单建军 沈义勤

钢筋混凝土结构形式是当前世界上应用最普遍的建筑结构形式之一。耐久性是衡量钢筋混凝土结构的一项重要指标，而影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要因素就是混凝土的碳化。混凝土的碳化可能会引起构件力学性能和结构承载力的降低，从而导致结构过早退出服役期。

一、工程概况

人民胜利堰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，至今已运行20余年。该闸为大（2）型水闸，共8孔，单孔净宽10.00m。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。2009年9月，该闸被鉴定为三类闸；2014年1月，水利部批复对该闸进行除险加固，混凝土结构防碳化处理是该闸加固的一项主要内容。

二、水闸混凝土检测情况

为合理选择混凝土防碳化处理方案，根据该闸运行情况，分阶段对该闸结构混凝土碳化程度、表面强度等进行了检测，以了解混凝土碳化情况，并分析判断对结构稳定性影响。

1.水上部位混凝土碳化检测

2009年5月，对该闸水位以上的闸墩、翼墙、检修门轨道柱等进行了钢筋配置与混凝土碳化检测，检测项目包括钢筋间距＠、保护层厚度a和混凝土碳化深度d。

根据检测结果分析，闸墩保护层厚度为25.0～66.0mm，碳化深度为14.0～70.0mm，部分钢筋处于非碱性环境中，为易锈蚀状态；翼墙保护层厚度为 42.0～66.0mm，碳化深度为10.5～27.5mm，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14.0～46.0mm，碳化深度为7.5～37.5mm，部分钢筋处于非碱性环境中，为易锈蚀状态。

2.水下混凝土碳化检测

2009年5月对该闸结构混凝土检测时，由于受当时条件所限，只能对水位以上混凝土部位进行检测。2014年10月，该闸主体工程开工，完成了上、下游施工围堰和基坑排水后，又对该闸水下区、水位变化区进行了混凝土碳化深度检测。

根据检测结果分析，水下区碳化深度较小只有2～3mm，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流冲击和水质污染，表面损坏严重。水位变化区碳化比较明显，闸墩处为6～7mm，翼墙为6～10mm，排架柱为15mm，钢筋处于非碱性环境中，为易锈蚀状态。

3.混凝土表面强度检测

2014年10月，对该闸混凝土表面强度进行了检测，结果见表1。

4.检测结果综合分析

对以上检测结果进行分析，闸墩是易受碳化影响部位，特别是处于相对湿度60%～80%的部位，受到高速水流冲击，每年冻融破坏和常年较高的空气湿度等各种腐蚀因素影响，引起较严重的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；翼墙碳化深度比较大，和混凝土强度、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，部分排架保护层脱落，钢筋已经锈蚀。检测结果表明，混凝土强度是影响碳化深度的重要因素。

综上分析，该闸工程总体上碳化深度尚小于钢筋保护层厚度，碳化层较坚硬，但局部碳化严重，有钢筋锈蚀问题，为保证结构安全，需尽快进行防碳化处理。

三、混凝土碳化处理方案的原则

目前，混凝土碳化处理的基本原则为：若碳化深度较大，钢筋锈蚀明显，危及结构安全应拆除重建；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；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；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封闭，达到整体防护的效果。

四、混凝土碳化处理方案研究

表1 混凝土表面强度检测结果表

1.混凝土碳化处理调研

为科学合理地选择该闸混凝土防碳化处理材料及方案，先后对南水北调、海委和淮委沂沭泗局所属的一些水闸工程防碳化处理情况进行实地考察调研，了解类似水闸工程防碳化处理效果，并收集有关施工资料。

近年来，南水北调、海河等有关水工建筑物工程，多采用聚合物防水防腐涂料进行混凝土防碳化处理，效果总体良好。

2.混凝土碳化处理材料类型比选

对于混凝土碳化深度小于钢筋保护层厚度、碳化层比较坚硬的情况，防碳化处理一般均采用优质涂料对表面进行封闭，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等，三种类型材料技术经济比较情况见表2。

根据三种材料对比，该闸混凝土防碳化材料拟选取聚合物水泥基材料和其他防碳化涂料进行研究和比选。

3.混凝土碳化处理材料及方案现场工艺试验研究及比选情况

为保证防碳化处理效果，避免类似工程防碳化处理后发生的一些问题，分别选取了丙乳砂浆、SBR砂浆、AL-9608聚合物三种材料，在该闸闸墩和翼墙处布置几处试验区进行现场工艺试验研究，通过对这三种涂料和施工工艺试验研究效果进行比较，择优确定了防碳化处理材料和方案，并用于指导工程防碳化处理施工。

试验研究思路：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、实验室内性能进行检查和检测。

试验指标：高分子聚合物改性防渗防碳化涂料施工配比、干湿试验、高低温试验、抹面或喷涂厚度，以及与原混凝土面的粘结强度试验等。

试验研究方法：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实验区。在2#墩上选择2块1.5m×1.5m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3m×2m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3m×2m的区域进行AL-9608和丙乳砂浆修补。养护7d后取样在实验室做7d、14d、28d碳化实验以及材料其他性能检测。

试验研究结论：通过试验对比发现，性能上三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，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，使其更接近混凝土本色。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。

综合考虑碳化检测、工程调研、现场试验等情况，对该闸混凝土结构确定采用AL-9608涂料进行防碳化处理施工。

4.混凝土碳化处理方案

经施工现场试验研究确定的防碳化处理施工方案工艺流程为：基面预处理→基面缺陷处理→基面二次打磨→界面剂施工→底涂施工→中涂施工→面漆施工→养护。

其主要施工方法包括基面处理、涂料拌制、涂料涂刷、涂层养护等四个方面。

（1）基面处理

混凝土基面：混凝土基面采用喷砂处理，局部凹凸部位采用人工处理，疏松、空鼓部位预先凿除，较大缺陷用聚合物砂浆修补找平。涂刷防碳化涂层之前，混凝土基面预先喷水清洗和湿润处理，稍晾一段时间后再施刷涂料。

聚合物砂浆找平：如果基面凹凸不平、纹路较深，涂层不能覆盖或涂料表面装饰功能要求高时，用聚合物砂浆在基面上整体批刮，再涂刷防碳化涂料。

（2）涂料拌制

每次涂料配制前，应先将液料组分搅拌均匀。涂料的质量配比为：A组分∶B组分∶水＝1∶3∶（0～0.2）。涂刷底层时，加水量可取高限值。

（3）涂料涂刷

涂层分层多道涂刷完成，先界面剂砂浆找平、底涂刮涂（2遍）、面涂成型顺序施工，面涂涂刷方向相互垂直，间隔时间以不粘手为准，特殊部位可增加涂层次数。

底涂采用刮涂施工，面涂采用喷涂施工，确保涂层密实且刮涂均匀。

面漆喷涂前，先对基面进行清洗，除去表面灰尘，晾干后及时进行面漆喷涂。喷枪的空气压力控制在0.4～0.8MPa，枪口与墙面垂直略往上倾斜，枪口与墙面距离200～250mm。

（4）涂层养护

最后一道涂层施工完12h内不宜淋雨。若涂层要接触流水，则需自然干燥养护7d以上才可。密闭潮湿环境施工时，应加强通风排湿。

五、混凝土防碳化方案实施情况及效果

人民胜利堰闸混凝土防碳化处理于2015年1月9日开始实施，至2015年5月4日完成，共完成混凝土防碳化处理7414m2，包括混凝土基面喷砂、界面剂刷涂、砂浆找平、底涂刮涂、面涂喷涂等流程。

防碳化处理完成后进行了质量检测，主要检测结论:闸墩防碳化处理涂膜均匀，无明显刷痕、流挂，无起泡、掉粉、失色等外观质量缺陷；依据标准《AL9608型防水防腐涂料》（Q/TDGV02-2007），判定涂膜外观正常。

表2 三种类型防碳化材料比较表

该工程在2015年汛前开闸进行了防污调度，汛期投入运用，共安全泄洪3953.5万m3；汛后对水闸进行了检查，未发现起鼓、破损、裂缝等问题，也没有色泽明显变化，防碳化处理效果经受住了洪水考验，效果良好。

六、结论

人民胜利堰闸除险加固工程根据混凝土碳化检测结果，借鉴参考多项工程混凝土防碳化处理经验，通过防碳化处理材料及工艺试验的研究比选，确定了混凝土防碳化处理的方案，防碳化处理效果良好，为同类型水工建筑物混凝土防碳化处理提供有益的借鉴和参考■