黑河引水工程灃峪渡槽混凝土結(jié)構(gòu)病害治理

許曉會(huì),劉 斌

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安710001)

1 工程概況及存在問題

1.1 工程概況

灃峪渡槽是西安市黑河引水工程長(zhǎng)安段輸水暗渠跨越灃河的一座輸水建筑物,渡槽長(zhǎng)度67.48 m,設(shè)計(jì)流量14 m3/s,加大流量15 m3/s。渡槽下部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土懸鏈線板拱排架結(jié)構(gòu),上部為現(xiàn)澆矩形鋼筋混凝土槽箱結(jié)構(gòu),板拱主跨40 m,拱圈采用變截面懸鏈線無鉸板拱形式,板拱寬度3.4m,厚度0.70m～0.95 m;拱圈上部采用單排架支撐結(jié)構(gòu),排架最高7.293 m,最低 2.455 m,排架柱尺寸0.45 m×0.35 m,橫系梁尺寸0.35 m×0.3 m,上部槽箱外輪廓尺寸高3.45 m,寬3.4m,槽箱凈尺寸2.7(寬)m×3.0(高)m,端肋壁厚0.35 m,槽箱兩側(cè)壁厚0.25m,底板厚0.25 m,頂板厚0.2 m。槽箱、拱圈、排架均采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),拱座為C15鋼筋混凝土,進(jìn)出口槽箱漸變段為C20現(xiàn)澆鋼筋混凝土,欄桿采用C20預(yù)制鋼筋混凝土[1]。

1.2 存在問題

灃峪渡槽于1994年建成,現(xiàn)已運(yùn)行十多年,由于所處區(qū)域氣候變化頻繁,風(fēng)蝕、凍融、碳化破壞速度較快,加之當(dāng)時(shí)施工精度不高,致使鋼筋保護(hù)層偏薄,引起渡槽拱圈、排架、槽箱等鋼筋混凝土都不同程度出現(xiàn)裂縫、部分鋼筋裸露、銹蝕、混凝土脹落等現(xiàn)象。為了保障渡槽正常、安全供水,因此,對(duì)灃峪渡槽進(jìn)行加固、及時(shí)治理工程病害是十分必要的。

1.3 檢測(cè)結(jié)果

2010年元月到2010年2月對(duì)渡槽進(jìn)行了檢測(cè),其結(jié)果如下:

(1)混凝土裂縫。排架、承臺(tái)等部位出現(xiàn)裂縫,裂縫最大長(zhǎng)度162 cm,最大寬度0.60 mm,最大深度34.7 mm,尤其是渡槽下游9#排架南柱混凝土疏松嚴(yán)重。

(2)鋼筋銹蝕。各部位鋼筋出現(xiàn)不同程度的銹蝕、混凝土順筋脹裂或脹落、鋼筋外露等損傷,排架尤為嚴(yán)重,鋼筋銹蝕主要發(fā)生在箍筋沿線,鋼筋銹蝕導(dǎo)致的鋼筋最大截面損失率35.3%,最小3.6%。

(3)混凝土碳化。槽箱混凝土碳化深度6.0 mm～10.2 mm、排架碳化深度7.5 mm～15.5 mm、拱圈碳化深度 9.3 mm～13.2 mm,平均碳化值10.0 mm左右。

混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè):排架脹裂或脹落露筋的部位的保護(hù)層實(shí)測(cè)值界于3.2 mm～10 mm之間,未脹裂或脫落露筋部位的混凝土保護(hù)層的實(shí)測(cè)值界于11 mm～54 mm之間。

(4)混凝土強(qiáng)度和彈模。槽箱、排架、拱圈C25混凝土強(qiáng)度檢測(cè)值界于40.8 MPa～52.1 MPa之間,大于設(shè)計(jì)值15.8 MPa;混凝土彈性模量值界于3.09×104MPa～3.78×104MPa之間,高于28 d齡期彈性模量2.8×104MPa[2]。

1.4 病害成因分析

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)勘查,初步分析產(chǎn)生病害原因主要有以下幾方面:

(1)保護(hù)層過薄導(dǎo)致病害。渡槽許多部位鋼筋保護(hù)層厚度不足10mm,空氣中的CO2極易透過較薄的混凝土保護(hù)層,侵蝕鋼筋,造成鋼筋銹蝕,產(chǎn)生張力,從而使混凝土保護(hù)層開裂、脫落。開裂后的保護(hù)層失去了對(duì)鋼筋的保護(hù)功能,進(jìn)一步加速、加劇鋼筋銹蝕。若不及時(shí)加以防護(hù),達(dá)到一定程度時(shí),會(huì)危及混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性,為渡槽埋下安全隱患。

(2)風(fēng)蝕、雨浸、凍融導(dǎo)致病害。渡槽南向的病害情況明顯嚴(yán)重于北向,這主要是由于渡槽位于秦嶺北麓灃峪口特殊的地理位置,特定的氣象條件影響,是典型的凍融破壞現(xiàn)象。冬季氣溫變化頻繁,且風(fēng)速較大,雨水頻繁經(jīng)風(fēng)吹浸透槽體,水存留在混凝土內(nèi)部,結(jié)冰、膨脹,導(dǎo)致混凝土由表及里發(fā)生淺層破壞,時(shí)日一長(zhǎng),混凝土便疏松、剝落,從而導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕、混凝土脹裂、脫落,鋼筋外露[3]。

(3)碳化反應(yīng)導(dǎo)致病害?；炷翝仓軐?shí)度較差,導(dǎo)致空氣中的CO2極易與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生碳化反應(yīng),消耗了氫氧根,大大降低了混凝土pH值,使混凝土由強(qiáng)堿性變?yōu)槿鯄A性甚至中性,由于pH值的降低,混凝土對(duì)鋼筋表面鈍化膜的保護(hù)功能喪失,引發(fā)鋼筋銹蝕;再次,鈣離子流失使混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化,導(dǎo)致碳化后的混凝土結(jié)構(gòu)空隙增加,引起鋼筋銹蝕[3]。

導(dǎo)致病害的原因是以上3個(gè)方面因素綜合、相互作用的結(jié)果,渡槽目前的病害,嚴(yán)重影響渡槽壽命,危及西安市供水安全。因此,應(yīng)盡快予以保護(hù)、加固,以避免渡槽險(xiǎn)情。

2 加固方案及工藝[3]

2.1 加固設(shè)計(jì)原則

灃峪渡槽加固設(shè)計(jì)的基本原則為:在滿足原功能的前提下,對(duì)混凝土構(gòu)件出現(xiàn)的裂縫、脹裂、脹落、鋼筋銹蝕、外露、混凝土碳化等病害采用新技術(shù)、新材料、新工藝進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),加固設(shè)計(jì)方案力求安全可靠、技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)美觀、施工期不影響渡槽正常輸水。

2.2 加固方案

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)查勘分析:產(chǎn)生病害的主要原因是混凝土保護(hù)層太薄及局部混凝土振搗不密實(shí),導(dǎo)致鋼筋銹蝕、混凝土裂縫,經(jīng)復(fù)核后,擬對(duì)渡槽9#排架柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,其余部位進(jìn)行修補(bǔ)加固。針對(duì)存在的具體問題分別處理如下:

(1)排架柱補(bǔ)強(qiáng)處理:渡槽9#排架南柱原混凝土疏松嚴(yán)重、強(qiáng)度偏低,主筋銹蝕損失率達(dá)35.3%。擬采用角鋼補(bǔ)強(qiáng)加固措施,即采用4根與柱同高的角鋼支撐、鋼板連接、修補(bǔ)砂漿保護(hù)后并涂刷水泥基防水漿料方案。確保渡槽安全,延長(zhǎng)其使用壽命。

(2)裂縫灌漿處理:對(duì)裂縫寬度δ＜0.2 mm的裂縫不處理,對(duì)裂縫寬度δ≥0.2 mm的裂縫進(jìn)行灌膠,材料采用環(huán)氧樹脂混凝土裂縫灌縫膠,壓力控制在0.2MPa左右。

(3)鋼筋阻銹及砂漿修補(bǔ):對(duì)外露鋼筋和揭掉表層脹裂的混凝土后露出的鋼筋,除銹后涂刷鋼筋阻銹劑、并用修補(bǔ)砂漿恢復(fù)原結(jié)構(gòu)輪廓。

(4)增加原混凝土保護(hù)層:對(duì)渡槽表面清理處理后,涂刷界面劑,再均勻涂抹5 mm厚的修補(bǔ)砂漿,以增加鋼筋保護(hù)層的厚度,提高和加強(qiáng)對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋的保護(hù)。

(5)混凝土防碳化處理:對(duì)渡槽整個(gè)表面涂刷一層防碳化涂料,從而阻止凍融破壞和碳化反應(yīng),恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)堿性環(huán)境,防止混凝土力學(xué)性能繼續(xù)劣化,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。

另外,為了使加固處理后的渡槽整體美觀、顏色一致、外觀協(xié)調(diào),滿足保護(hù)欄桿的要求,對(duì)欄桿表面清理并涂刷通用型水泥基防水漿料處理。

2.3 加固工藝

根據(jù)渡槽存在的問題,加固設(shè)計(jì)主要針對(duì)渡槽排架柱補(bǔ)強(qiáng)加固、裂縫灌漿、鋼筋阻銹及砂漿修補(bǔ)、增加混凝土保護(hù)層、混凝土防碳化處理、欄桿防護(hù)等幾方面。

2.3.1 排架柱補(bǔ)強(qiáng)加固處理工藝[4,5]

①首先對(duì)立柱露筋除銹、阻銹處理,并用修補(bǔ)砂漿修復(fù)原結(jié)構(gòu)輪廓。②在柱四個(gè)角用4根與柱同高的角鋼(規(guī)格∠100×100×10)支撐,角鋼上端焊接在鋼板圈(鋼板厚度20 mm)并用砂漿錨桿(直徑25 mm螺紋鋼)固定于墩帽上;角鋼下端焊接在鋼板(厚度10 mm)上,并用高粘度環(huán)氧砂漿固定于承臺(tái)上。③ 用連接鋼板(規(guī)格300×100×10)與角鋼焊接,間距為400mm～600 mm。④用高粘度環(huán)氧砂漿充填角鋼與柱之間的空隙,以便于原柱形成整體。⑤對(duì)排架柱用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行整體修補(bǔ)加固,在角鋼面修補(bǔ)砂漿2 mm厚的位置粘貼耐堿網(wǎng)格布(以防由于鋼結(jié)構(gòu)與砂漿的溫變系數(shù)的差異造成空鼓或脫落現(xiàn)象的發(fā)生),外層加抹5 mm～10 mm厚修補(bǔ)砂漿,最表層涂刷水泥基防水漿料,厚度1.5 mm。

2.3.2 裂縫灌漿處理工藝

施工前,首先對(duì)裂縫按渡槽槽箱、排架、板拱等不同部位進(jìn)行全面檢查,記錄裂縫發(fā)生的位置、寬度、長(zhǎng)度、深度、性質(zhì)等,并編號(hào)、繪制裂縫展開圖,按裂縫寬度 δ≥0.2 mm與 δ＜0.2mm進(jìn)行分類,做好標(biāo)記。對(duì)于裂縫寬度δ＜0.2 mm的裂縫不處理;對(duì)裂縫寬度δ≥0.2 mm的裂縫先進(jìn)行裂縫及表面混凝土表層清理,待清理干凈后,確保無灰、無封閉劑或任何其它可能影響樹脂對(duì)混凝土粘接的物質(zhì)后方可進(jìn)行灌膠;裂縫灌膠采用具有抗拉、粘接強(qiáng)度高、可灌性好的超低粘度的環(huán)氧樹脂混凝土裂縫灌縫膠。

對(duì)較寬較深裂縫處埋設(shè)灌膠嘴,埋設(shè)時(shí),先在灌膠嘴的底盤上抹一層厚約1 mm的環(huán)氧膠泥,將灌膠嘴的進(jìn)膠孔騎縫粘貼在預(yù)定的位置上;灌膠施工前,采用環(huán)氧樹脂膠泥封縫,使裂縫形成一個(gè)封閉性空腔,由裂縫的一端開始?jí)耗z后,壓力保持在0.2 MPa左右,待裂縫灌漿飽和后進(jìn)行封閉即可。

對(duì)于淺層裂縫,采用超低粘度的環(huán)氧樹脂混凝土裂縫灌縫膠,用注射器直接灌注在縫隙內(nèi),待其自然固化即可。淺層的平面裂縫:直接采用注射器灌注在裂縫內(nèi);淺層的立面裂縫:將裂縫由下向上逐段封閉,從每段的頂部灌注。

2.3.3 鋼筋阻銹及砂漿修補(bǔ)工藝

剔除混凝土構(gòu)件的銹蝕鋼筋、外露鋼筋周邊脹裂或脹落、松動(dòng)的混凝土,并清除灰塵、雜物,進(jìn)行清理性打磨,徹底清除、鑿除表面松散無強(qiáng)度的混凝土,露出堅(jiān)固的混凝土新鮮基底,待清洗后將暴露的鋼筋表面銹跡打磨干凈,然后涂刷水泥基鋼筋阻銹劑2遍;對(duì)支柱與渡槽接觸部位的鋼板及銹蝕部分進(jìn)行清理、打磨,將鋼板表面清理干凈后,直接涂刷水泥基鋼筋阻銹劑進(jìn)行保護(hù)。待上述工藝完成后,涂刷界面劑于清潔、干燥、堅(jiān)固的混凝土新鮮混凝土基底基面上,用刷子或者滾筒蘸取混合液涂刷,待第1遍涂層表干之后,用原液涂刷第2遍,然后在涂刷界面劑的界面上,對(duì)于殘缺部分混凝土采用水泥基聚合物砂漿進(jìn)行修補(bǔ),恢復(fù)原混凝土構(gòu)件的輪廓,將渡槽各部位結(jié)構(gòu)尺寸恢復(fù)至原貌。

水泥基鋼筋阻銹劑要求能有效地抑制混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。要求①與鋼筋和混凝土的粘結(jié)性能優(yōu)異,并能提高混凝土保護(hù)層與鋼筋的握裹力,同時(shí)具有良好的防銹和抗凍融能力;②良好的銹蝕抑制性能,在無法暴露全部銹蝕鋼筋時(shí),只需將暴露部分的鋼筋完全涂刷,要能滿足防銹、阻銹要求;③本身具有遷移型阻銹能力,能夠通過遷移功能保護(hù)未涂刷部分不再生銹;④對(duì)鋼筋表面的浮銹打掉即可滿足阻銹功能;⑤要求無毒無害、生態(tài)環(huán)保,易于施工。

2.3.4 增加混凝土保護(hù)層

在加厚處理前,先清理原混凝土表面,然后涂刷界面劑2遍。第1遍,將界面劑和清水按照1∶1的比例稀釋,按8 m2/L～10 m2/L的量,用刷子或滾筒蘸取混合液涂刷;待第1遍涂層表干后,用本產(chǎn)品原液,按8 m2/L～10 m2/L涂刷第2遍。

再等界面劑表干后,按照5 mm厚的水泥基聚合物修補(bǔ)砂漿均勻涂抹,以增加鋼筋保護(hù)層的厚度,提高和加強(qiáng)對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋的保護(hù)。

2.3.5 混凝土防碳化處理

在裂縫處理、鋼筋阻銹及砂漿修補(bǔ)、增加混凝土保護(hù)層完成后,為了降低混凝土的碳化速度,減少凍融影響,需對(duì)渡槽整體(包括槽箱、排架、拱圈)表面進(jìn)行全面的防碳化處理。即對(duì)整體結(jié)構(gòu)表面涂刷水泥基防水漿料,使整個(gè)渡槽混凝土結(jié)構(gòu)表面形成附著力極強(qiáng)的密實(shí)、堅(jiān)硬涂層,有效防止水分侵入混凝土,從而阻止凍融破壞和碳化反應(yīng),恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)堿性環(huán)境,防止混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能繼續(xù)劣化,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。其處理的具體工藝為:在清潔、干燥的混凝土基面上,待混凝土保護(hù)層加厚恢復(fù)(或槽箱頂、底板原混凝土表面清理)后,直接涂刷通用型水泥基防水漿料兩遍,兩遍涂刷方向相互垂直,用量按1.5 kg/m2控制。

3 加固效果

(1)灃峪渡槽采用新技術(shù)、新材料、新工藝加固后,既補(bǔ)強(qiáng)了排架柱的強(qiáng)度,增加了安全性,延長(zhǎng)了使用壽命。加固后效果良好。

(2)排架柱采用角鋼加固后,既彌補(bǔ)了鋼筋銹蝕后的損失,也按新規(guī)范補(bǔ)強(qiáng)了混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度,同時(shí)又阻止了鋼筋混凝土保護(hù)層的碳化。

(3)加固后的渡槽確保了西安市城市供水,創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,并具有安全、美觀、煥然一新的效果,也成為加固工程中的一個(gè)亮點(diǎn)。

4 結(jié) 語

(1)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要重視保護(hù)層取值。尤其是氣候變化無常、溫差大、外露的鋼筋混凝土構(gòu)件,保護(hù)層取值時(shí)應(yīng)結(jié)合分布筋的布設(shè)綜合選取。

(2)施工中要重視施工質(zhì)量。要嚴(yán)格控制配合比,混凝土要攪拌均勻、振搗要密實(shí),滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

(3)加固工程要根據(jù)病害的具體情況合理選用加固材料,最好選用在類似工程中用過的、比較可靠的材料。對(duì)耐候耐溫性差的有機(jī)材料不宜用于構(gòu)件露天部位或有高溫焊接的部位。

(4)加固前應(yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)中灰塵、油污、已松動(dòng)、損壞部位徹底清除,確保在新鮮面上加固。為了保證質(zhì)量,最少涂刷兩遍,保證涂刷均勻,涂刷方向必須相互垂直。

(5)必須選擇與環(huán)境友好型的材料進(jìn)行加固,加固后的工程除滿足原構(gòu)件功能外,同時(shí)還要具有輕巧美觀、煥然一新的效果。

(6)必須選擇有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)隊(duì)伍施工,才能確保治理的效果和加固工程的質(zhì)量。

(7)引起混凝土病害的因素很多,為了延長(zhǎng)其使用壽命和維修周期,應(yīng)以預(yù)防為主。

[1] 趙志云,等.西安市黑河引水一期工程渠道工程設(shè)計(jì)報(bào)告[R].西安:陜西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,1998:45-48.

[2] 朱建宏,等.西安市黑河引水工程灃峪渡槽質(zhì)量現(xiàn)狀檢測(cè)報(bào)告[R].楊凌:陜西省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站,2010:4-12.

[3] (美)彼得H.伊文思著.混凝土維修與保護(hù)技術(shù)圖解[M].張洪濱譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:12-21,141-157,234-248.

[4] DB42/203—2000.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外粘鋼板加固技術(shù)規(guī)程[S].北京:冶金工業(yè)出版社,2000:3-8.

[5] 高作平,等.混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固技術(shù)新進(jìn)展[M].北京:中國(guó)水利出版社,2000:148-158.