人民勝利堰節(jié)制閘除險加固工程混凝土防碳化處理方案的選擇

沈義勤

（沂沭泗水利管理局， 江蘇 徐州 221018）

1 工程概況

人民勝利堰節(jié)制閘是大官莊水利樞紐的重要組成部分，控制分泄上游沭河和分沂入沭水道來水入老沭河，工程于1995年9月建成投入使用，運行至今20年。該閘為大（二）型水閘，共8孔，單孔凈寬10.0 m，主要由上下游連接段、閘室、消能防沖設施、兩岸連接建筑物等組成。

工程地處屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季干冷，雨雪稀少、凍融破壞嚴重，春季風大、空氣干燥，夏季氣溫高、濕度大、雨水集中，秋季氣候涼爽、降水減少。多年平均氣溫l3.2℃，月平均氣溫7月份最高為26℃，1月份最低為-1.7℃，極端最高氣溫42℃，極端最低氣溫-24.9℃。水質(zhì)上20世紀末污染較為嚴重，近年來水質(zhì)達到三類標準。

2 混凝土碳化處理的原則

對已經(jīng)產(chǎn)生碳化或者破壞的水工建筑物，混凝土防碳化處理可以全面提高混凝土的抗?jié)B能力，阻止混凝土凍融剝蝕破壞，減小CO2向其內(nèi)部侵蝕擴散，減緩混凝土的碳化速度，使混凝土保持良好的強度特性，鋼筋處于高堿性環(huán)境保護中。

目前，對混凝土碳化處理的基本原則是：①若碳化深度較大，鋼筋銹蝕明顯，危及結構安全應拆除重建；②若碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，同時碳化層比較堅硬的，則可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉；③若混凝土碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的，應鑿除碳化層，粉刷高強度砂漿或澆筑高強混凝土，然后全面封閉防護；④若鋼筋銹蝕嚴重，應在修補前除銹，并應根據(jù)情況和結構要求加補鋼筋，再用粘結性強的防護涂料對整個鋼筋混凝土結構進行全面的封閉，達到整體防護的效果[1]。

3 結構混凝土檢測

在確定混凝土防碳化處理方案前，應首先對結構混凝土碳化程度、表面強度等進行檢測，分析判斷混凝土的碳化對結構穩(wěn)定性影響[2]。

表1 構件鋼筋配置與混凝土碳化檢測結果

1.1 水上混凝土碳化檢測

2009年5月，水利部淮河流域水工程質(zhì)量檢測中心對工程的閘墩、翼墻、檢修門軌道柱等進行了鋼筋配置與混凝土碳化檢測，檢測結果見表1。檢測項目包括鋼筋間距＠、保護層厚度a、混凝土碳化深度d。

檢測表明：閘墩保護層厚度為25.0～66.0 mm，碳化深度為14.0～70.0 mm，部分鋼筋處于非堿性環(huán)境中，處于易銹蝕狀態(tài)，翼墻保護層厚度為42.0～66.0 mm碳化深度為10.5～27.5 mm，部分鋼筋處于堿性環(huán)境中，為不易銹蝕狀態(tài)，檢修門軌道柱保護層厚度為14.0～46.0 mm，碳化深度為7.5～37.5 mm，部分鋼筋處于非堿性環(huán)境中，處于易銹蝕狀態(tài)。

3.2 水下混凝土碳化檢測

2009年5月對結構混凝土檢測時，由于當時受條件所限，只能對水位以上混凝土部位進行檢測。2014年10月，人民勝利堰除險加固工程主體工程開工，完成上下游施工圍堰和基坑排水后，進一步對水下區(qū)、水位變化區(qū)進行混凝土碳化深度檢測，檢測結果見表2。

表2 混凝土碳化檢測結果

檢測表明：水下區(qū)碳化深度較小，只有2～3 mm鋼筋處于堿性環(huán)境中，為不易銹蝕狀態(tài)，但是閘墩底部由于受水沖擊和水質(zhì)污染，表面損壞嚴重。水位變化區(qū)碳化比較明顯，閘墩6～7 mm，翼墻6～10 mm，排架柱15 mm。鋼筋處于非堿性環(huán)境中，處于易銹蝕狀態(tài)。

表3 混凝土表面強度檢測結果

3.3 混凝土表面強度檢測

2014年10月，對工程結構混凝土表面強度進行檢測，檢測結果見表3。

檢測結果表明：結構混凝土表面強度還是較高，施工質(zhì)量較好，碳化層比較堅硬。

3.4 檢測分析

從檢測數(shù)據(jù)看，閘墩是比較容易受碳化影響的部位，特別是處于相對濕度60%～80%的混凝土部位，受到高速水流的沖擊，每年的凍融破壞和常年的高空氣濕度等各種腐蝕因素積垢濃縮，引起較嚴重混凝土碳化及鋼筋銹蝕，有時還會形成復合性侵蝕，使其成為最容易受碳化影響的部位；翼墻的碳化深度比較大，和施工強度、水流水質(zhì)等有關系；排架主要是由于混凝土強度較低，導致碳化深度較大，經(jīng)觀察部分排架保護層脫落，鋼筋已經(jīng)銹蝕。檢測結果也說明：強度是影響碳化深度的重要因素，保護層厚度則對延長建筑物的壽命至關重要。

通過檢測和分析，我們認為人民勝利堰節(jié)制閘工程總體上碳化深度小于鋼筋保護層厚度，同時，碳化層表面比較堅硬，對于碳化深度小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，防碳化處理一般均采用優(yōu)質(zhì)涂料對表面進行封閉。其封閉材料主要分為有機材料、無機材料以及結合兩者特點的聚合物水泥基材料3種[3]。

有機涂料也稱為柔性表面涂層材料，選用不飽和聚酯樹脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑和填料等組成的修補材料，具體產(chǎn)品有各類樹脂及有機硅類涂料等，其工作原理是能夠在混凝土表層形成一層致密的薄膜，從而阻擋水分以及侵蝕性介質(zhì)的侵入，故又稱“成膜型防腐涂料”。

無機涂料主要指滲透結晶型涂層材料，是以硅酸鹽水泥為基料并摻有硅砂等多種特殊活性化學物質(zhì)的粉末狀材料。它能夠在混凝土表面水化并生成大量的凝膠狀結晶吸水膨脹，對混凝土表面起到密實和防護作用，同時其中低分子量的可溶性物質(zhì)可滲透進入混凝土內(nèi)部生成膨脹性的硅酸鹽凝膠堵塞混凝土內(nèi)部的孔隙，從而進一步阻止水分和侵蝕性介質(zhì)的進入。

聚合物水泥基修補材料是通過向水泥砂漿中摻加聚合物乳膠改性而制成的一類有機、無機復合修補材料。

無機修補材料雖然與基底混凝土物理性能基本一致，但其與混凝土之間的粘結力及力學特性不如有機修補材料，修補效果不佳。以滲入、吸附、凝結的方式填充混凝土孔隙的有機修補材料只是在混凝土表層形成一層薄膜，所以更難以達到從根本上對混凝土碳化破壞進行修補的目的，而且在環(huán)境溫度變化范圍較大時易開裂脫落，且其修補施工工藝要求高，材料價格昂貴，耐久性差。聚合物水泥基修補材料在硬化過程，伴隨著水泥水化形成水化產(chǎn)物剛性空間結構的同時，由于水化和水分散失使得膠乳脫水，膠粒凝聚堆積并借助毛細管力成膜，填充結晶相之間的空隙，形成聚合物相空間網(wǎng)狀結構。聚合物相的引入提高了水泥的密實性、粘結性，又降低了混凝土的脆性。與樹脂基材料相比，它干縮小，不易開裂且成本低得多；與普通水泥砂漿相比，聚合物水泥修補材料的彈性模量低、抗拉強度高、極限拉伸率高、與老混凝土的粘接強度高。因此，聚合物水泥修補材料層能承受較大振動、反復凍融循環(huán)、溫濕度強烈變化等作用，耐久性優(yōu)良，適用于惡劣環(huán)境條件下水工混凝土結構的薄層表面修補。施工方法為人工涂刷，噴涂及灰漿機濕噴，大大提高了施工速度及施工質(zhì)量。目前應用較多的是聚合物水泥基修補材料[4]。3種材料的比較見表4。

4 混凝土碳化處理方案的選擇

4.1 混凝土碳化工藝的考察

2014年11月，建設、監(jiān)理、施工等單位人員先后到南水北調(diào)、海河、沂沭泗局所屬工程實地考察，查看工程防碳化處理效果，收集有關施工資料。

20世紀末至本世紀初，沂沭泗局對直屬水閘開始進行碳化處理，積累了很多經(jīng)驗。嶂山閘閘室段以弧門側軌為界，下游閘墩混凝土采用上海森泰ST-9608聚合物防水防腐涂料，上游閘墩是采用蘇州科利源KLY改性水泥砂漿;彭道口、二級壩一閘三閘等采用丙乳砂漿；江風口閘采用丁苯膠乳（SBR）聚合物水泥砂漿;韓莊節(jié)制閘老閘、二級壩二閘等采用KW-1by防水砂漿;近年來，南水北調(diào)、海河等地工程，多采用聚合物防水防腐涂料進行混凝土防碳化處理。

表4 3種常用修補材料比較表

考察發(fā)現(xiàn)，不同碳化處理材料需要的施工條件、施工工藝上會有所差異，運行多年后效果差異很大。產(chǎn)生龜裂、裂縫、表面起鼓、大面積脫落等，色彩變化也較大。

為保證人民勝利堰節(jié)制閘進行碳化處理有良好的效果，防止產(chǎn)生上述問題，我們分別選取丙乳砂漿、SBR砂漿、上海奧蘭AL-9608聚合物3種材料在工地閘墩和翼墻處分別進行工藝試驗，通過對這3種涂料進行材料本身、施工工藝、以及在實際水閘中處理的結果進行比較，確定施工方案和工藝，并用于指導工程施工。

4.2 施工現(xiàn)場工藝試驗

（1）試驗思路：在自然環(huán)境狀態(tài)下對碳化涂料，施工順序、施工程序和方法等工藝以及成品觀感、實驗室內(nèi)性能進行查看和檢測。

（2）試驗方法：考慮到光照對碳化效果的影響在閘墩陰面和翼墻陽面各取試驗區(qū)。在2#墩上選擇2塊1.5 m×1.5 m的區(qū)域，鑿除表面碳化層，用SBR作為修補材料；在5#墩選取1塊3 m×2 m的區(qū)域，鑿除表面碳化層，用AL-9608進行修補；在翼墻上選擇2塊區(qū)域進行AL-9608和丙乳砂漿修補。養(yǎng)護7 d后并取樣在實驗室做快速碳化實驗以及材料其他性能檢測。

（3）試驗結論：通行試驗對比發(fā)現(xiàn)，性能上3種涂料對防止混凝土碳化均有明顯的作用，作為混凝土防碳化外涂材料都是可行的，檢測結果見表5。觀感上AL-9608強于SBR和丙乳砂漿，并且AL-9608的色彩可以進行調(diào)整，使其更接近混凝土色彩；從施工方面比較，AL-9608涂料和丙乳砂漿涂料施工涂刷比較簡單，SBR涂料施工要求較高。最后確定采用AL-9608防水防腐材料進行施工。

表5 3種涂料性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5 混凝土碳化處理方案實施

2014年9月，混凝土碳化處理正式開始施工，2016年7月，進行與會代表和驗收，通過檢查工程和查閱資料，工程通過了淮委組織的竣工驗收。經(jīng)過近3年春夏秋冬的考驗，工程外觀、色彩達到了設計要求，觀感質(zhì)量優(yōu)良。

[1]沂沭泗重點工程建設管理局 . 沂沭泗直管水閘除險加固工程抗震和混凝土碳化處理關鍵技術應用研究[M] . 鄭州：黃河水利出版社 .

[2]陳寶華，張世儒 . 水閘[M] . 北京：水利電力出版社，2003.

[3]牛狄濤.混凝土結構耐久性與壽命預測[M].北京：科學出版社，2003.

[4]阿列克謝耶夫.混凝土結構中鋼筋腐蝕與保護[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983.