西北地區(qū)霜凍破壞水閘表面涂層結(jié)構(gòu)惡化的研究

張 磊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 引 言

寒冷多雪地區(qū)的混凝土水工結(jié)構(gòu)暴露在惡劣的環(huán)境中，經(jīng)常受到霜凍的影響[1]。雖然表面涂層修復可從外部阻擋水，被認為是修復因霜凍而損壞的混凝土的有效措施，但在某些情況下，已經(jīng)觀察到涂層后的早期再損壞[2]。水閘是一種混凝土水工結(jié)構(gòu)，由暗渠和啟閉設施組成[3]。新疆南部是寒冷多雪的地區(qū)，自1980年以來，修建了許多水閘結(jié)構(gòu)。人們擔心隨著時間的推移，這些建筑修復和重建費用會急劇增加。有必要通過更有效的維護/管理方法來降低壽命周期成本[4]。本研究根據(jù)寒冷、多雪環(huán)境條件的差異，確定了霜凍惡化的程度，并對再次惡化的水閘混凝土進行了現(xiàn)場調(diào)查，以便能夠判斷再次惡化的原因。最終目的是提出一種合適的修復方法和有效的檢測方法，作為防止水閘混凝土凍害的措施。

2 研究方法

對水閘結(jié)構(gòu)進行了氣象調(diào)查和外部目視檢查，以評估在不同環(huán)境中因霜凍損壞造成的結(jié)構(gòu)退化。為了檢查再劣化的表面涂覆混凝土，進行了超聲波傳播速度測量、黏合強度試驗和內(nèi)部狀態(tài)的目視觀察。還驗證了使用超聲波傳播速度進行測量的有效性，并盡可能避免表面涂覆混凝土的涂覆效果下降和有害因素的滲透。

2.1 不同環(huán)境下水閘結(jié)構(gòu)的凍害研究

該研究是在巴音郭楞蒙古自治州(簡稱“巴州”)的開都河和阿克蘇地區(qū)的和田河和葉爾羌河進行的，它們是干旱區(qū)典型的寒冷多雪地區(qū)。表1列出了研究中涉及的水閘數(shù)量。

表1 研究的水閘數(shù)量

2.1.1 氣象調(diào)查

利用國家氣象局1998年10月到2018年5月的數(shù)據(jù)來計算冬季各地區(qū)的年最低氣溫、最大積雪深度、凍融天數(shù)和冰凍天數(shù)。年最低溫度和最大積雪深度是這十年期間的平均值，凍融日是指日最高溫度等于或高于0℃，最低溫度等于或低于-1℃；冰凍日是指日最高溫度等于或低于-1℃。

2.1.2 外部目視檢查

圖1所示為檢查的水閘部件。檢查了擋土墻的兩個部分。使用表2的外觀評級方法評估水閘混凝土的霜凍惡化程度，通過外部目視檢查進行宏觀評估，對結(jié)構(gòu)惡化進行評級。每個部分的最高評分被作為該部分的總體評分。

圖1 檢查的水閘部件

表2 表面損壞的視覺評級

2.2 再劣化水閘的研究

進行研究的水閘于1981年建造。它是在2013年修復的，在建造32年后，使用了丙烯酸樹脂修補材料和表面涂層材料進行修復，但是在修復后的18個月觀察到開裂現(xiàn)象，見圖2。

圖2 再次惡化狀態(tài)

2.2.1 超聲波傳播速度測量

通過使用層析成像和滲透方法進行超聲波傳播速度測量和分析[5]，檢查表面涂層材料和基體混凝土修補材料的狀況。圖3顯示了斷層攝影測量和巖芯鉆探部分。在層析成像方法中，每個區(qū)段上的測線數(shù)量為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)。

圖3 斷層攝影測量部分和核心位置(單位：mm)

從使用層析成像方法的分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)劣化的截面西側(cè)的兩個區(qū)域巖芯集中，并且使用滲透方法在從巖芯底部以上每隔2cm的間隔進行超聲波傳播速度測量，檢測過程如圖4所示。并比較了使用這兩種方法在修補材料、基體和劣化零件上測量的超聲波傳播速度。

圖4 使用滲透法進行巖芯測量檢測過程示意圖

2.2.2 黏合強度測試方法

為了評估修補材料和表面涂層材料的黏合強度，使用附著力測試儀進行黏合強度測試。環(huán)氧樹脂黏合劑用于將鋼夾具、混凝土和其他材料黏合在一起，測試如圖5所示。在測試中，根據(jù)國家標準測量表面涂層材料和修補材料、修補材料和基體以及表面涂層材料和基體之間的黏合強度。

圖5 黏合強度測試示意圖

2.2.3 內(nèi)部狀態(tài)的目視觀察

在超聲波傳播速度測量之后，切斷測量區(qū)域附近的部分(見圖3)，并且從切割表面目視觀察表面涂層材料下的修復和劣化情況，對基于超聲波傳播速度測量和黏合強度測試方法的分析結(jié)果進行比較。

3 測試結(jié)果和討論

3.1 不同環(huán)境下霜凍惡化的評估

3.1.1 天氣條件

兩個地區(qū)的年平均最低溫度、年最大積雪深度、凍融次數(shù)、冰凍天數(shù)情況都不同。對這兩個地區(qū)天氣狀況的比較表明，巴州有一個非常寒冷的多雪地區(qū)，因為年平均最低溫度較低，年最大積雪深度較大。而阿克蘇地區(qū)的冰凍天數(shù)較多。從這些結(jié)果可以看出，冬季對這兩個地區(qū)水閘混凝土的影響是不同的。

3.1.2 外觀等級

圖6顯示了基于外部目視檢查的按區(qū)段劃分的水閘外觀等級，圖7顯示了按使用年限進行控制平臺外觀評級的結(jié)果。從某種程度上來說，控制平臺的等級一般最高，其后是擋土墻的水下部分、擋土墻的頂部和門柱。控制平臺霜凍惡化特別嚴重，在某些情況下，等級高達5級。由于控制平臺具有積雪堆積的可能，并且它們的結(jié)構(gòu)相對較薄，因此它們更容易受到由融雪滯留和其他因素引起的凍融作用的影響。相反，門柱不容易受到凍融作用的影響，因為它們位于控制平臺后面，最少暴露于積雪和陽光中。由此發(fā)現(xiàn)，直接受水的部分受到凍融作用的影響顯著，并且它們的劣化程度增加。

圖6 按區(qū)段劃分的水閘外觀等級

圖7 各水閘控制平臺的外觀等級比例

就地區(qū)而言，和田河和葉爾羌河的3級或3級以上部件占比普遍高于開都河，除控制平臺外，沒有觀察到4級或4級以上部件的比例。相反，雖然開都河的一些門柱和擋土墻被評為4級，但與和田河和葉爾羌河相比，較低等級的比例通常較高。從使用年限來看，在開都河使用了20年或更長時間的建筑物以及在和田河和葉爾羌河使用了30年或更長時間的建筑物的等級往往更高。因此，在阿克蘇地區(qū)，霜凍惡化的速度更快，程度更大；在巴州，退化進程較慢，沒有觀察到明顯的退化。兩個地區(qū)的修復率和再劣化率幾乎相同，都在20%左右，但超過一半的水閘在修復后發(fā)生了再次退化。這種情況也發(fā)生在這兩個地區(qū)的所有表面涂層水閘。這些結(jié)果表明，在寒冷、多雪的環(huán)境下，現(xiàn)有維修的耐久性存在問題，必須根據(jù)不同的區(qū)域環(huán)境采取適當?shù)姆纼龃胧苑乐乖俦磺治g。

3.2 再劣化原因的估計和劣化診斷

3.2.1 超聲波傳播速度測量

圖8顯示了使用層析成像方法得到的第1部分至第5部分中的超聲波傳播速度分布。由于速度通常外側(cè)比內(nèi)側(cè)低，并且分布在每個橫截面的拐角處是圓形的，因此可以假設已經(jīng)發(fā)生了霜劣化，對有缺陷的拐角進行修補。

圖8 使用層析成像方法找到的每個橫截面上的速度分布

可以看出，西側(cè)的缺陷比北側(cè)的缺陷略深，面積較大。這是因為西邊陽光更充足，凍融作用的影響更大。此外，第4部分頂側(cè)V形區(qū)域的速度變得非常低，表明附近有內(nèi)部缺陷。然而，修復材料和基體的劣化部分之間的速度通常沒有明顯的差異。

圖9顯示了采用滲透方法測得的巖芯超聲波傳播速度。對于核心1和核心2，修補材料厚度約為10cm，修補材料速度約為3500m/s。雖然超聲波在混凝土中的傳播速度通常為3500m/s或更高，但在兩個巖芯的基質(zhì)的某些部分，該值略高于2000m/s，表明部分存在變質(zhì)。

圖9 采用滲透方法測得的巖芯超聲波傳播速度

在速度低的情況下，發(fā)現(xiàn)使用層析成像方法可以在一定程度上識別內(nèi)部惡化的位置。這些結(jié)果表明，表面涂層材料的內(nèi)部狀態(tài)和劣化程度可以通過超聲波傳播速度來粗略地測定，并且該技術(shù)作為霜劣化診斷方法的有效性得到了證實。

3.2.2 黏合強度

圖10顯示了黏合強度測試的結(jié)果。表面涂層材料和修補材料之間的黏合強度為1.630N/mm2，本研究中評估的黏合強度符合國標《膠液強度測定法》(GB 1742—1979)規(guī)定。然而，表面涂層材料和基體之間、修補材料和基體之間的黏合強度值非常低(0.507N/mm2和0.404N/mm2)。如圖11所示，在這些部分中，斷裂發(fā)生在劣化的基體中，而不是在具有基體的黏合表面。由于外部影響一直被阻隔，直到修復后18個月表面涂層材料才出現(xiàn)裂紋，因此在完成修復后，短時間內(nèi)不太可能惡化，損壞部分很可能在維修時仍然存在。

圖10 黏合強度

圖11 斷裂情況

由于在基體和修補材料之間的界面附近觀察到空隙，因此假設界面附近的基體惡化。該結(jié)果也支持黏合強度測試的結(jié)果。圖12展示了控制平臺橫截面，由于該水閘結(jié)構(gòu)的修復是在冬季進行的，因此很可能在修復前的表面準備過程中基體劣化部分的移除是不完全的。因此，由于基體劣化部分中水分的滯留導致了霜凍損害進一步發(fā)生，最終呈現(xiàn)了早期再劣化，并且由于這種劣化導致表面涂層的裂紋滲入了更多的水，從而加速了霜凍劣化。

圖12 控制平臺的橫截面

4 結(jié) 論

水閘混凝土的凍害程度因寒冷、多雪環(huán)境呈現(xiàn)出不同的情形，半數(shù)以上的修復水閘發(fā)生了再劣化，因此有必要根據(jù)區(qū)域環(huán)境采取適當?shù)姆纼龃胧┮苑乐乖倭踊?；超聲波傳播速度測量能夠確定表面涂層材料下的內(nèi)部狀態(tài)和劣化程度，因此可將其作為霜凍劣化診斷的有效方法。

表面涂層混凝土的早期再劣化被認為是由霜凍劣化的進一步發(fā)展引起的，而霜凍劣化是由于修復基體劣化部分時殘余水分沒有充分去除所引發(fā)的。上述結(jié)果表明，有必要根據(jù)劣化條件建立系統(tǒng)的霜凍診斷和適當?shù)男迯头椒ǎ媱澾M行下一步調(diào)查和研究，提出延長水閘使用壽命、降低維護管理成本的方案。