西北地区霜冻破坏水闸表面涂层结构恶化的研究

张 磊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 引 言

寒冷多雪地区的混凝土水工结构暴露在恶劣的环境中，经常受到霜冻的影响[1]。虽然表面涂层修复可从外部阻挡水，被认为是修复因霜冻而损坏的混凝土的有效措施，但在某些情况下，已经观察到涂层后的早期再损坏[2]。水闸是一种混凝土水工结构，由暗渠和启闭设施组成[3]。新疆南部是寒冷多雪的地区，自1980年以来，修建了许多水闸结构。人们担心随着时间的推移，这些建筑修复和重建费用会急剧增加。有必要通过更有效的维护/管理方法来降低寿命周期成本[4]。本研究根据寒冷、多雪环境条件的差异，确定了霜冻恶化的程度，并对再次恶化的水闸混凝土进行了现场调查，以便能够判断再次恶化的原因。最终目的是提出一种合适的修复方法和有效的检测方法，作为防止水闸混凝土冻害的措施。

2 研究方法

对水闸结构进行了气象调查和外部目视检查，以评估在不同环境中因霜冻损坏造成的结构退化。为了检查再劣化的表面涂覆混凝土，进行了超声波传播速度测量、黏合强度试验和内部状态的目视观察。还验证了使用超声波传播速度进行测量的有效性，并尽可能避免表面涂覆混凝土的涂覆效果下降和有害因素的渗透。

2.1 不同环境下水闸结构的冻害研究

该研究是在巴音郭楞蒙古自治州(简称“巴州”)的开都河和阿克苏地区的和田河和叶尔羌河进行的，它们是干旱区典型的寒冷多雪地区。表1列出了研究中涉及的水闸数量。

表1 研究的水闸数量

2.1.1 气象调查

利用国家气象局1998年10月到2018年5月的数据来计算冬季各地区的年最低气温、最大积雪深度、冻融天数和冰冻天数。年最低温度和最大积雪深度是这十年期间的平均值，冻融日是指日最高温度等于或高于0℃，最低温度等于或低于-1℃；冰冻日是指日最高温度等于或低于-1℃。

2.1.2 外部目视检查

图1所示为检查的水闸部件。检查了挡土墙的两个部分。使用表2的外观评级方法评估水闸混凝土的霜冻恶化程度，通过外部目视检查进行宏观评估，对结构恶化进行评级。每个部分的最高评分被作为该部分的总体评分。

图1 检查的水闸部件

表2 表面损坏的视觉评级

2.2 再劣化水闸的研究

进行研究的水闸于1981年建造。它是在2013年修复的，在建造32年后，使用了丙烯酸树脂修补材料和表面涂层材料进行修复，但是在修复后的18个月观察到开裂现象，见图2。

图2 再次恶化状态

2.2.1 超声波传播速度测量

通过使用层析成像和渗透方法进行超声波传播速度测量和分析[5]，检查表面涂层材料和基体混凝土修补材料的状况。图3显示了断层摄影测量和岩芯钻探部分。在层析成像方法中，每个区段上的测线数量为62(第1部分)、106(第2部分)、158(第3部分)、218(第4部分)和286(第5部分)。

图3 断层摄影测量部分和核心位置(单位：mm)

从使用层析成像方法的分析结果中发现劣化的截面西侧的两个区域岩芯集中，并且使用渗透方法在从岩芯底部以上每隔2cm的间隔进行超声波传播速度测量，检测过程如图4所示。并比较了使用这两种方法在修补材料、基体和劣化零件上测量的超声波传播速度。

图4 使用渗透法进行岩芯测量检测过程示意图

2.2.2 黏合强度测试方法

为了评估修补材料和表面涂层材料的黏合强度，使用附着力测试仪进行黏合强度测试。环氧树脂黏合剂用于将钢夹具、混凝土和其他材料黏合在一起，测试如图5所示。在测试中，根据国家标准测量表面涂层材料和修补材料、修补材料和基体以及表面涂层材料和基体之间的黏合强度。

图5 黏合强度测试示意图

2.2.3 内部状态的目视观察

在超声波传播速度测量之后，切断测量区域附近的部分(见图3)，并且从切割表面目视观察表面涂层材料下的修复和劣化情况，对基于超声波传播速度测量和黏合强度测试方法的分析结果进行比较。

3 测试结果和讨论

3.1 不同环境下霜冻恶化的评估

3.1.1 天气条件

两个地区的年平均最低温度、年最大积雪深度、冻融次数、冰冻天数情况都不同。对这两个地区天气状况的比较表明，巴州有一个非常寒冷的多雪地区，因为年平均最低温度较低，年最大积雪深度较大。而阿克苏地区的冰冻天数较多。从这些结果可以看出，冬季对这两个地区水闸混凝土的影响是不同的。

3.1.2 外观等级

图6显示了基于外部目视检查的按区段划分的水闸外观等级，图7显示了按使用年限进行控制平台外观评级的结果。从某种程度上来说，控制平台的等级一般最高，其后是挡土墙的水下部分、挡土墙的顶部和门柱。控制平台霜冻恶化特别严重，在某些情况下，等级高达5级。由于控制平台具有积雪堆积的可能，并且它们的结构相对较薄，因此它们更容易受到由融雪滞留和其他因素引起的冻融作用的影响。相反，门柱不容易受到冻融作用的影响，因为它们位于控制平台后面，最少暴露于积雪和阳光中。由此发现，直接受水的部分受到冻融作用的影响显著，并且它们的劣化程度增加。

图6 按区段划分的水闸外观等级

图7 各水闸控制平台的外观等级比例

就地区而言，和田河和叶尔羌河的3级或3级以上部件占比普遍高于开都河，除控制平台外，没有观察到4级或4级以上部件的比例。相反，虽然开都河的一些门柱和挡土墙被评为4级，但与和田河和叶尔羌河相比，较低等级的比例通常较高。从使用年限来看，在开都河使用了20年或更长时间的建筑物以及在和田河和叶尔羌河使用了30年或更长时间的建筑物的等级往往更高。因此，在阿克苏地区，霜冻恶化的速度更快，程度更大；在巴州，退化进程较慢，没有观察到明显的退化。两个地区的修复率和再劣化率几乎相同，都在20%左右，但超过一半的水闸在修复后发生了再次退化。这种情况也发生在这两个地区的所有表面涂层水闸。这些结果表明，在寒冷、多雪的环境下，现有维修的耐久性存在问题，必须根据不同的区域环境采取适当的防冻措施，以防止再被侵蚀。

3.2 再劣化原因的估计和劣化诊断

3.2.1 超声波传播速度测量

图8显示了使用层析成像方法得到的第1部分至第5部分中的超声波传播速度分布。由于速度通常外侧比内侧低，并且分布在每个横截面的拐角处是圆形的，因此可以假设已经发生了霜劣化，对有缺陷的拐角进行修补。

图8 使用层析成像方法找到的每个横截面上的速度分布

可以看出，西侧的缺陷比北侧的缺陷略深，面积较大。这是因为西边阳光更充足，冻融作用的影响更大。此外，第4部分顶侧V形区域的速度变得非常低，表明附近有内部缺陷。然而，修复材料和基体的劣化部分之间的速度通常没有明显的差异。

图9显示了采用渗透方法测得的岩芯超声波传播速度。对于核心1和核心2，修补材料厚度约为10cm，修补材料速度约为3500m/s。虽然超声波在混凝土中的传播速度通常为3500m/s或更高，但在两个岩芯的基质的某些部分，该值略高于2000m/s，表明部分存在变质。

图9 采用渗透方法测得的岩芯超声波传播速度

在速度低的情况下，发现使用层析成像方法可以在一定程度上识别内部恶化的位置。这些结果表明，表面涂层材料的内部状态和劣化程度可以通过超声波传播速度来粗略地测定，并且该技术作为霜劣化诊断方法的有效性得到了证实。

3.2.2 黏合强度

图10显示了黏合强度测试的结果。表面涂层材料和修补材料之间的黏合强度为1.630N/mm2，本研究中评估的黏合强度符合国标《胶液强度测定法》(GB 1742—1979)规定。然而，表面涂层材料和基体之间、修补材料和基体之间的黏合强度值非常低(0.507N/mm2和0.404N/mm2)。如图11所示，在这些部分中，断裂发生在劣化的基体中，而不是在具有基体的黏合表面。由于外部影响一直被阻隔，直到修复后18个月表面涂层材料才出现裂纹，因此在完成修复后，短时间内不太可能恶化，损坏部分很可能在维修时仍然存在。

图10 黏合强度

图11 断裂情况

由于在基体和修补材料之间的界面附近观察到空隙，因此假设界面附近的基体恶化。该结果也支持黏合强度测试的结果。图12展示了控制平台横截面，由于该水闸结构的修复是在冬季进行的，因此很可能在修复前的表面准备过程中基体劣化部分的移除是不完全的。因此，由于基体劣化部分中水分的滞留导致了霜冻损害进一步发生，最终呈现了早期再劣化，并且由于这种劣化导致表面涂层的裂纹渗入了更多的水，从而加速了霜冻劣化。

图12 控制平台的横截面

4 结 论

水闸混凝土的冻害程度因寒冷、多雪环境呈现出不同的情形，半数以上的修复水闸发生了再劣化，因此有必要根据区域环境采取适当的防冻措施以防止再劣化；超声波传播速度测量能够确定表面涂层材料下的内部状态和劣化程度，因此可将其作为霜冻劣化诊断的有效方法。

表面涂层混凝土的早期再劣化被认为是由霜冻劣化的进一步发展引起的，而霜冻劣化是由于修复基体劣化部分时残余水分没有充分去除所引发的。上述结果表明，有必要根据劣化条件建立系统的霜冻诊断和适当的修复方法，计划进行下一步调查和研究，提出延长水闸使用寿命、降低维护管理成本的方案。