某煤礦鋼筋混凝土井架的改造與加固

張孟啟

徐州市某衰老礦井報廢關(guān)停后，原煤礦辦公區(qū)重新規(guī)劃為居民小區(qū);為紀念原煤礦為地方經(jīng)濟所作出的貢獻，建設(shè)單位將位于小區(qū)中心的原礦井提升井架改造為小區(qū)中心景觀建筑，并設(shè)立紀念標志牌以資紀念。

1 工程現(xiàn)狀

該井架為5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高度為18.8 m，由于該井架為礦井提升井架，長年循環(huán)經(jīng)受提升絞車的啟動、制動所產(chǎn)生的往復振動和變形，受力情況較復雜;另外由于建造年數(shù)較長，并且大部分構(gòu)件都處于露天環(huán)境、經(jīng)受風雨凍融等自然侵蝕;加固前井架混凝土構(gòu)件出現(xiàn)較大范圍的保護層裂縫、脫落、露筋及鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

2 井架結(jié)構(gòu)損傷情況及原因分析

1)從井架主體結(jié)構(gòu)外觀看，底層梁柱及上部露天部分的鋼筋銹蝕較嚴重，根據(jù)現(xiàn)場情況和混凝土試樣的測試分析，井架混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕的主要原因是混凝土的中性化。混凝土的中性化主要是由于空氣中的二氧化碳從混凝土的表面滲透到毛細管、空隙、氣泡中，與混凝土中水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣等水化物發(fā)生以下的化學反應(yīng):

化學反應(yīng)使混凝土中高堿性的氫氧化鈣變成了碳酸鹽與其他的化學物質(zhì)，從而降低了混凝土的pH值，鋼筋維持鈍化狀態(tài)的條件被打破。當鋼筋周圍的鈍化膜被破壞后，潮濕環(huán)境大氣中的二氧化碳，氧氣，水蒸氣，氯離子就會進入混凝土微孔，在混凝土的內(nèi)部鋼筋周圍就形成了電解質(zhì)，此時鋼筋銹蝕的電化學反應(yīng)開始發(fā)生，即在鋼筋表面的陽極區(qū)域鐵原子失去電子變成二價的鐵離子，陽極生成的電子在電解質(zhì)中通過鋼筋本身定向移動至陰極區(qū)域，在陰極區(qū)域電子與水，氧氣反應(yīng)生成氫氧根離子，電化學反應(yīng)示意圖如圖1所示。

圖1 鋼筋銹蝕電化學原理示意圖

2)梁柱表面裂縫較多，部分裂縫寬度達到1.5 mm左右(如圖2所示)，有的部位出現(xiàn)構(gòu)件混凝土掉角或成片保護層脫落。

圖2 構(gòu)件裂縫照片

從裂縫的走向看，裂縫主要分為兩大類:一類是和鋼筋方向一致的順筋裂縫，一類是垂直構(gòu)件截面的橫向裂縫。

順筋裂縫產(chǎn)生的原因主要是由于鋼筋銹蝕后銹蝕產(chǎn)物體積要比原來鐵的體積大2倍～4倍，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹而使混凝土保護層產(chǎn)生的沿鋼筋方向的脹裂，銹脹嚴重處鋼筋混凝土保護層會出現(xiàn)整體脫落。

垂直于構(gòu)件截面的橫向裂縫多出現(xiàn)在框架柱間斜向支撐上，其產(chǎn)生的原因主要是由于長年循環(huán)經(jīng)受提升絞車的啟動、制動所產(chǎn)生的往復振動和變形，在構(gòu)件截面上出現(xiàn)拉力，超過混凝土的抗拉強度而引起的。

根據(jù)井架損傷檢測結(jié)果，按照《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》分析評定，該井架主體結(jié)構(gòu)的損傷情況及其性質(zhì)應(yīng)屬D級，即屬嚴重損壞，不采取加固措施不可繼續(xù)使用。

3 井架加固方案確定

1)梁柱的加固。

由于礦井已經(jīng)廢棄，目前該井架已失去提升的意義，不再受提升絞車所引起的荷載作用，但其今后作為小區(qū)的景觀建筑，二層設(shè)有平臺以供人參觀，因此應(yīng)按民用建筑的設(shè)計要求進行受力驗算。受力驗算后，綜合考慮梁柱的損傷情況及現(xiàn)場施工條件，柱采用外包角鋼加固法、梁采用外粘鋼板加固方法。

2)鋼筋繼續(xù)銹蝕的防治。

鋼筋銹蝕是影響井架安全性和耐久性的主要原因，為防止混凝土中鋼筋的繼續(xù)銹蝕，采用外涂遷移型鋼筋阻銹劑的方法防止外界空氣中二氧化碳、水蒸氣、氧氣等侵蝕介質(zhì)的侵入，以阻斷鋼筋銹蝕繼續(xù)發(fā)生的條件。

3)梁柱裂縫的處理。

對于裂縫寬度較大的順筋裂縫，而鑿除疏松的混凝土保護層，采用環(huán)氧砂漿修補后進行梁柱的加固。對于裂縫寬度較小的順筋裂縫和垂直于構(gòu)件截面的橫向裂縫，則采用注漿的方式來進行裂縫的修補。

4 井架加固施工

1)施工腳手架及工程防護結(jié)構(gòu)的搭設(shè)。

本工程為獨立井架，高度為18.8 m，為保證施工的安全，在井架四周搭設(shè)雙排腳手架，并按規(guī)定采取必要的防護措施。

2)鋼筋阻銹劑刷涂及基層處理。

鑿除由于鋼筋銹蝕而疏松的混凝土保護層，用角磨機對銹蝕鋼筋打磨除銹后，刷涂鋼筋阻銹劑，用環(huán)氧砂漿對該處進行修補。

3)裂縫注膠。

對于出現(xiàn)裂縫的梁柱構(gòu)件，首先清除裂縫表面的灰塵、浮渣等污物，然后用壓縮空氣將裂縫內(nèi)的灰塵吹出，再用棉絲蘸丙酮擦拭裂縫表面。之后，將注膠底座底部周邊均勻涂抹一層封縫膠并按間距200 mm～300 mm進行安裝。然后用小鏟刀將封縫膠刮抹到裂縫上，厚度1 mm左右，寬度20 mm～30 mm，保證封閉嚴密可靠。將配制好的灌縫膠裝入注射器，豎向裂縫按從下向上順序，水平裂縫按從一端向另一端順序進行裂縫注膠。注膠結(jié)束后，在24 h內(nèi)不得擾動注膠底座，3 d～5 d后可拆除底座。

4)外包角鋼施工。

在混凝土外包角鋼位置測放出打磨控制線，將混凝土表面打磨平整，同時根據(jù)圖紙要求并結(jié)合現(xiàn)場實際情況對角鋼及連接箍板進行下料、組裝焊接，焊縫應(yīng)符合設(shè)計及《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》要求。角鋼及箍板焊接完成后用封縫膠沿鋼材邊緣封嚴，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定注膠埋管位置及間距。角鋼注膠時豎向按從下向上的順序，水平方向按同一方向的順序，注膠時待下一注膠管溢出膠為止，依次注膠，直至所有注膠管均注完。注膠結(jié)束后清理殘留結(jié)構(gòu)膠。

5)粘鋼施工工藝。

首先鑿除混凝土表面粉飾層、油垢、污物等，然后用角磨機打磨除去1 mm～2 mm厚表層，較大凹陷處用找平膠修補平整，打磨完畢用壓縮空氣吹凈浮塵，最后用棉布蘸丙酮拭凈表面，待粘貼面完全干燥后備用。同時將鋼板粘貼面也用角磨機進行粗糙、除銹處理，直至打磨出現(xiàn)光澤，用棉布蘸丙酮拭凈表面。配置粘鋼專用膠，并用膩刀涂抹在已處理好鋼板面上(或混凝土表面)，膠斷面呈三角形，中間厚3 mm左右，邊緣厚1 mm左右，然后將鋼板粘貼在混凝土表面，用準備好的固定加壓系統(tǒng)固定，適當加壓，以膠液剛從鋼板邊縫擠出為度。

5 結(jié)語

將廢棄煤礦井架改造為景觀建筑時，要綜合考慮井架過去的使用狀況及現(xiàn)狀、確定影響其今后安全性和耐久性的主要因素;在綜合考慮梁柱的損傷情況及現(xiàn)場施工條件下，采取經(jīng)濟合理的加固方法。同時，在加固施工中要嚴格按照施工工藝的要求，由專業(yè)加固施工隊伍來完成工程的加固施工。

[1]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB 50204-2002，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范[S].

[4]曹新貴.主井提升井架加固改造[J].礦山機械，1999(2):64-65.

[5]煤礦提升井架設(shè)計規(guī)范[S].

[6]朱建國.某高層井架的改造及分析[J].淮海工學院學報(自然科學版)，2004，13(2):71-74.