桃园橡胶坝坝墩冻融剥蚀原因分析及处理方案

2023-07-31朱政兴

山东水利 2023年5期

王锋，丁莉，朱政兴

（1.山东临沂水利工程总公司，山东临沂 276000；2.临沂正平质量检测有限公司，山东临沂 276000）

桃园橡胶坝坝袋更换维修项目工程位于临沂城区段，沂河北京路桥下游150m处的主河道中。该橡胶坝于2008年建成，共10节坝袋，单节净长77m，全长783.2m，回水长度7.6km，水面面积4.6km2，蓄水量达1250万m3。至橡胶坝坝袋更换项目实施前已安全运行了13年。橡胶坝坝袋更换维修项目工程于2021年实施完毕。

1 冻融剥蚀现状

在桃源橡胶坝坝袋更换维修项目施工过程中，现场查勘发现橡胶坝边墩和中墩水位变动区域的混凝土剥蚀严重，混凝土表层的砂浆部分有的全部脱落，骨料外露，局部钢筋锈蚀、外露。

为了解混凝土的质量情况，会同第三方检测机构对橡胶坝中墩和边墩混凝土进行了质量检测。通过检测结果发现混凝土碳化深度均在17～19mm的范围内，混凝土强度为18.4～19.2MPa，混凝土强度已经不能满足C25混凝土的设计要求。

2 成因分析

边墩和中墩混凝土剥蚀部位大都处于水位变化区域，受渗透侵蚀、冻融循环和温差变化等因素的影响，造成混凝土出现剥蚀现象。混凝土结构快速老化，从而降低了混凝土的耐久性和使用寿命。

2.1 混凝土冻融破坏的机理

混凝土是由水泥浆液和细骨料及粗骨料组成。施工过程中，为了达到必要的流动度及和易性，实际用水量要多于理论用水量，多余的水便以游离水的形式留存于混凝土中变成水泡进而形成孔隙。由于水化热和施工质量不均匀等原因，混凝土层会存在毛细孔、裂隙等缺陷。在水位变化及流经区域，当温度下降到0℃以下时，空隙或裂隙中的水凝结成冰，体积膨胀后产生局部张力。当环境温度高于0℃时冰又融化为水，混凝土内部的张力消除，膨胀作用消失。在多次冻融的情况下，易造成混凝土强度降低。经过反复冻融循环后，混凝土的损伤逐步积累扩大，最后发展成相互贯通的裂缝，产生由表及里的剥蚀破坏。

影响混凝土抗冻性能的主要因素有水灰比、含气量、混凝土的饱水状态、受冻龄期、外加剂、水泥种类和骨料质量等。混凝土水灰比越大，混凝土内部饱和水的开孔体积越大，平均孔径也越大，混凝土的抗冻性能越低。混凝土引气剂可以在混凝土内部形成大量密闭的小气孔，这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减少，起到减压作用，从而降低膨胀应力，减缓混凝土开裂，提高混凝土的抗冻性能。水泥种类对混凝土的抗冻性能有一定的影响，而且随着混凝土中掺合料的增加，混凝土抗冻性随之降低。骨料的坚固性、风化程度、含泥量、杂质含量能够影响混凝土的抗冻性。骨料吸水率和骨料的尺寸也是影响抗冻性的因素。

2.2 温差对混凝土的破坏机理

当混凝土受日照、气温、水温等影响后温度发生变化，就会引起混凝土结构中的材料发生不均匀变形，从而在结构内部产生温度应力。当温度应力超过混凝土抗拉强度时，即产生裂缝。裂缝随温度变化而扩张或合拢，反复交替，加剧了混凝土的破坏。

2.3 碳化对混凝土的影响机理

空气中的二氧化碳逐渐渗透到混凝土中与其中的碱性物质发生化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土的碱度降低，这个过程就是碳化。当碳化超过混凝土保护层时，钢筋表面形成的钝化膜被破坏，在水与空气存在的条件下，钢筋开始生锈。钢筋锈蚀产生的体积比原来膨胀2～4倍，日积月累，导致混凝土开裂，产生顺筋裂缝。裂缝使水和二氧化碳更容易进入混凝土内，形成恶性循环，又加速了混凝土碳化和钢筋的锈蚀。

桃园橡胶坝的边墩和中墩混凝土采用泵送混凝土，水灰比较大，混凝土拌合物中掺加了粉煤灰，客观上降低了混凝土的抗冻性能。夏天温度高水位变化频繁，表面混凝土被暴晒。正是多次的冻融循环和水位及温湿度的交替变化，迫使混凝土强度逐步降低，混凝土层层剥蚀破坏。

3 修补处理技术方案及经济性比较

3.1 高抗冻性混凝土修补方案

采用C25混凝土，抗冻等级为F150，抗渗级别为W4，水泥选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。粗骨料选用吸水率低、渗透性差及高抗冻性的优质骨料，粒径控制在10～20mm范围内，骨料及砂的含泥量均不大于1%，水灰比不大于0.5。具体修补单价见表1。

表1 高抗冻性混凝土修补方案单价表

3.2 环氧树脂砂浆修补方案

环氧树脂修补胶系A，B两组份改性环氧树脂类胶粘剂，采用塑料桶包装，重量比为3：1合成的。每次配胶量不易过大，并需在可操作时间内用完。期间伴随温度升高，配胶量也会加大，可操作时间相应缩短，具体修补单价见表2。

表2 环氧砂浆修补方案单价表

3.3 预缩水泥砂浆修补方案

预缩水泥砂浆是水灰比在0.32～0.34之间的干硬性水泥砂浆，灰砂比控制在1∶2～1∶2.5之间，并掺加减水剂和引气剂，放置30～60min后方可使用，具体修补单价见表3。

表3 干硬性预缩水泥砂浆修补单价表

3.4 丙乳砂浆方案

丙乳砂浆由砂、普通水泥和特种水泥配制成，在工程实际中，采用参数为“1液5固”的形式，用手工涂抹的方式施工，具体修补单价见表4。

表4 丙乳砂浆修补方案单价表

4 修补处理方案

4.1 比选结果

通过以上修补方案的比较，丙乳砂浆与传统环脂砂浆相比，造价低，而且施工方法与普通水泥砂浆相似，工艺简单，操作方便，施工质量易于控制，粘结性好，与基础混凝土的力学性能和温度适应性好。而且克服了环氧树脂砂浆与基底混凝土之间的起鼓、开裂与脱落等缺点。

丙乳砂浆与普通砂浆相比，极限拉伸率高、抗拉强度高、收缩小、抗裂性好。与混凝土面、老砂浆及钢板粘结强度高，密封性好。而且基本无毒，能够阻止老混凝土进一步碳化，延缓钢筋锈蚀，抵抗剥蚀破坏。

根据橡胶坝边墩和中墩冻融剥蚀处理方案及技术经济比选结果，结合工程论证会对临沂市桃园橡胶坝边墩和中墩混凝土剥蚀修复方案的要求，即造价低、结合性好、粘结强度高、抗腐蚀能力强、抗冻渗效果好、质量容易把控等，确定采用丙乳砂浆修补方案。

4.2 修补工艺

1）清除损伤的老混凝土。根据坝墩损坏现状，用直尺划定混凝土修补范围。为确保修补质量和外观要求，修补区域几何尺寸要做到平整方正，周边进行垂直表面切除。采用人工和机械结合的方式对混凝土表面进行凿毛、打磨、抛毛处理。清除混凝土表面的疏松层、污垢和碳化层，处理平均厚度约为25mm，直至露出坚硬、牢固、新鲜的混凝土基面。

清除损伤的老混凝土及凿毛时注意避免损伤钢筋，凿除深度做到均匀一致。对于有锈蚀的钢筋部位先对钢筋的锈蚀进行打磨除锈，并采用高压水（水压控制在0.4～0.6MPa）将施工部位冲洗干净，检查修补深度和面积是否符合要求，经验收合格后再进行下道工序施工。

2）丙乳砂浆修补。采用丙乳砂浆修补时，混凝土基础面确保干燥。按照使用说明书要求，配比采用“1液5固”的形式，搅拌均匀后进行人工涂抹。砂浆铺筑到位后，用力压实，随后抹面，并注意向一个方向进行涂抹，不需要第二次收光。该工程共涂抹3层，涂抹平均厚度为25mm，每层厚度不小于5mm。期间保证丙乳砂浆层间密实，每层涂抹间隔时间不应小于24h，最后一层抹面时，切忌来回多次涂抹，应一次抹平，使其表面平整光滑。

3）养护。涂抹后要结合材料要求及天气、现场情况每天进行撒水喷雾养护，使表面始终处于湿润状态。