高寒库区坝面网格梁抗冻融修补技术

2020-04-02郭丹萍李言亮

山东水利 2020年1期

俞伟，郭丹萍，李言亮

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安223001）

新疆克拉玛依市某高寒库区引水工程是当地引水工程中三座水库骨干工程之一，坝型为黏土心墙坝，水库蓄水量为3 700 万m3。水库大坝上游护坡采用了“菱形网格梁内嵌混凝土板”形式，自2000 年建成运行近17 年来，水位变动区域内的网格梁梁体发生了较为严重的冻融循环破坏，甚至出现钢筋外露和锈蚀等情况[1]。为解决类似冻融破坏的问题，笔者拟通过现场试验，开展网格梁混凝土冻融破坏部位不同材料修补技术的方案比较，以解决类似工程中出现的问题，确保水库大坝安全运行。

1 网格梁冻融破坏分析

通过对该水库大坝上游网格梁情况进行踏勘，发现网格梁混凝土表面出现了不同程度的冻融破坏面，存在明显的表层鳞片状剥落现象，严重的部位可以看到钢筋露出[2]，如图1 所示。

图1 网格梁冻融破坏现状

由于图1 中网格梁冻融破坏区域位于冬季水库蓄水位水平面上，网格梁冻融破坏特别明显，初步确定破坏部分主要由以下三方面因素造成：一是网格梁混凝土自身缺陷。从混凝土剥离情况看，混凝土为三级配，骨料偏粗，导致混凝土抗冻等级不达标。二是冻融环境。该水库位于丘陵区，昼夜温差较大，在每年冬、春季具备冻融环境，网格梁破坏严重的坝段位于大坝的北部，其上游面受太阳照射时间长，冻融次数增加。三是水分补给。据现场踏勘情景分析，水库在高水位结冰冰层较厚，当水库放水时，冰体覆着在水位变动区，随着温度的转暖，冰体又开始溶化消退，在这一期间冻融循环发生频繁，同时由于坝坡较缓，冰体覆盖在坝坡上的时间较长，底层冰体溶化为混凝土提供了丰富的水分。因此，网格梁产生冻融破坏具备了冻融过程和水分补给两个基本要素。

2 网格梁修补方案研究

以该水库大坝上游具有典型冻融破坏特征的300 m2网格梁混凝土护坡作为研究试验区，结合克拉玛依市引水工程近年来工程修补经验及国内在新疆北疆地区防止冻害的各种工程措施[3]，最终确定了三种网格梁修补方案：一是高性能混凝土。采用具有抗冻性能好的高性能混凝土对网格梁破坏部分直接进行修复，修复工艺简单，造价低，如图2（a）所示；二是聚氨酯防水黏结涂料。在未破坏的网格梁表层喷涂聚氨酯防水黏结涂料，切断水分由表层进入混凝土的通道，减免冻融破坏的发生，同时，利用涂料表面的光洁度，减免冬季在网格梁表面的结冰程度，从而消减结冰对网格梁混凝土的作用，旨在对现有状态良好的网格梁进行保护，如图2（b）所示；三是聚合物乳液改性砂浆（丙乳砂浆）。采用丙乳砂浆直接对混凝土梁进行修补，包裹梁体表面，切断水分由表层进入混凝土的通道，减免冻融破坏的发生，如图2（c）所示。

3 现场试验研究

3.1 高性能混凝土

高性能混凝土具有抗冻、抗侵蚀、抗裂、高强、早强等特点[4]。现场按表1 所示配合比进行了混凝土试拌，先将固体料加入机内干拌1 min 后，再把外加剂与拌和用水混匀后加入机内湿拌2 min。现场对高性能混凝土拌合物初始和30 min 后的坍落度、含气量以及表观密度进行测试，其技术性能如表2 所示。

图2 网格梁冻融破坏修补方案

根据混凝土破坏情况，使用风镐、冲击钻、吹风机等机具对网格梁两侧及表面破坏部分进行剥离及除尘，并在基层面架设钢丝网，采用6～8号的膨胀螺栓进行布点及支模后，进行高性能混凝土浇筑。

表1 高性能混凝土配合比

表2 高性能混凝土拌合物的技术性能

3.2 聚氨酯防水黏结涂料

聚氨酯防水黏结涂料是针对严寒地区水工大坝、桥梁等工程领域混凝土结构表面的抗冻害防水防护材料[5-6]，其主要技术指标：拉伸强度≥12.0 MPa；断裂伸长率≥450%；低温弯折性≤-40 ℃；不透水性（2.0 MPa×24 h）；黏接强度≥3.5 MPa（干粘）；≥2.5 MPa（湿粘）；固体含量≥98%；抗渗性2.0 MPa、24 h 无渗水；与冰的黏结力≤0.01 MPa。

该涂料施工方法：1）使用高压水和风清洗吹扫需要处理的混凝土基层，对于网格梁表面有明显苔痕、凸凹不平的地方，使用角向磨光机或电动钢丝刷进行打磨；2）涂刷专用界面剂；3）待界面剂固化后，使用刮板进行底层的涂刮，要求材料涂刮均匀；4）待底层材料固化约10 h 后，使用刮板进行面层涂刷。采用聚氨酯防水黏结涂料对冻融破坏较轻的网格梁表面进行现场涂刷。该技术已应用于新疆10 余座大型水库。

3.3 丙乳砂浆

丙乳砂浆由水溶性乳液与水、水泥和砂拌制的丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆[7]。一般情况，丙乳砂浆抹面厚度1.0～2.0 cm，最小厚度不应小于1.0 cm；其抗压强度可达40 MPa，抗拉强度达7 MPa，与老混凝土黏结强度3 MPa，抗冻等级可达F300[8]。

丙乳砂浆采用人工拌制，拌制时先将水泥和砂干拌均匀，再加入水和丙乳，充分拌和均匀，材料必须称量准确。聚合物乳液改性砂浆的配制，水泥∶砂∶水∶丙乳=100∶165∶50∶18。迎水面等防腐抗渗要求高的部位将丙乳用量提高到25～30 kg，水量相应减少，拌好的砂浆应在3 min 内用完。

人工涂刷方法：1）施工前需清除表面污物，将旧混凝土剥蚀层凿除，用钢钎、冲击钻、手凿等工具对基层表层混凝土进行凿毛清理的最小厚度为2 cm；2）凿除碳化松动的混凝土，露出坚硬新茬，在凿毛的旧混凝土表面（简称基面）用高压水冲洗干净；3）待基面无积水呈潮湿状时，在基面上涂刷一层丙乳净浆，配比为丙乳∶水泥=1∶2，要求净浆涂布均匀，无漏涂。

3.4 应用比较

1）技术比较。选择大坝上游具有典型冻融破坏特征的300 m2网格梁混凝土护坡作为研究试验区，结合当前国内北方地区混凝土抗冻设计工程中常采用材料，通过对网格梁混凝土冻融破坏部分进行不同材料方案的修补技术研究对比，遴选适合耐高温差、冻融、冰推等作用下的钢筋混凝土网格梁修补材料及技术工艺，以解决工程中冻融破坏部分网格梁混凝土的结构修补及其耐久性等问题，见表3。

2）综合比选。根据现场试验内容，将试验材料从经济性能、施工工艺、工作性能三个方面进行综合比较见表4[9]。由于网格梁混凝土遭受冻融破坏，其深度一般在3 cm 左右，实际清基面时要求在清除厚度6 cm 以上。丙乳砂浆和高性能混凝土均具有较好的抗冻、抗渗、抗冲磨能力，但丙乳价格相对昂贵，对于破坏较严重的网格梁推荐使用高性能混凝土进行修补；而对于冻融破坏较轻的网格梁表面推荐使用聚氨酯防水结涂料进行防护，不仅能够有效切断水分由表层进入混凝土的通道，而且使网格梁的外观形态美观整齐。