人民勝利堰閘混凝土防碳化處理方案優(yōu)化研究

宋光憲 單建軍 沈義勤

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式是當(dāng)前世界上應(yīng)用最普遍的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。耐久性是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要因素就是混凝土的碳化?；炷恋奶蓟赡軙?huì)引起構(gòu)件力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)承載力的降低，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早退出服役期。

一、工程概況

人民勝利堰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，至今已運(yùn)行20余年。該閘為大（2）型水閘，共8孔，單孔凈寬10.00m。主要由上下游連接段、閘室、消能防沖設(shè)施、兩岸連接建筑物等組成。2009年9月，該閘被鑒定為三類閘；2014年1月，水利部批復(fù)對該閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固，混凝土結(jié)構(gòu)防碳化處理是該閘加固的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

二、水閘混凝土檢測情況

為合理選擇混凝土防碳化處理方案，根據(jù)該閘運(yùn)行情況，分階段對該閘結(jié)構(gòu)混凝土碳化程度、表面強(qiáng)度等進(jìn)行了檢測，以了解混凝土碳化情況，并分析判斷對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。

1.水上部位混凝土碳化檢測

2009年5月，對該閘水位以上的閘墩、翼墻、檢修門軌道柱等進(jìn)行了鋼筋配置與混凝土碳化檢測，檢測項(xiàng)目包括鋼筋間距＠、保護(hù)層厚度a和混凝土碳化深度d。

根據(jù)檢測結(jié)果分析，閘墩保護(hù)層厚度為25.0～66.0mm，碳化深度為14.0～70.0mm，部分鋼筋處于非堿性環(huán)境中，為易銹蝕狀態(tài)；翼墻保護(hù)層厚度為 42.0～66.0mm，碳化深度為10.5～27.5mm，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(hù)層厚度為14.0～46.0mm，碳化深度為7.5～37.5mm，部分鋼筋處于非堿性環(huán)境中，為易銹蝕狀態(tài)。

2.水下混凝土碳化檢測

2009年5月對該閘結(jié)構(gòu)混凝土檢測時(shí)，由于受當(dāng)時(shí)條件所限，只能對水位以上混凝土部位進(jìn)行檢測。2014年10月，該閘主體工程開工，完成了上、下游施工圍堰和基坑排水后，又對該閘水下區(qū)、水位變化區(qū)進(jìn)行了混凝土碳化深度檢測。

根據(jù)檢測結(jié)果分析，水下區(qū)碳化深度較小只有2～3mm，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流沖擊和水質(zhì)污染，表面損壞嚴(yán)重。水位變化區(qū)碳化比較明顯，閘墩處為6～7mm，翼墻為6～10mm，排架柱為15mm，鋼筋處于非堿性環(huán)境中，為易銹蝕狀態(tài)。

3.混凝土表面強(qiáng)度檢測

2014年10月，對該閘混凝土表面強(qiáng)度進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表1。

4.檢測結(jié)果綜合分析

對以上檢測結(jié)果進(jìn)行分析，閘墩是易受碳化影響部位，特別是處于相對濕度60%～80%的部位，受到高速水流沖擊，每年凍融破壞和常年較高的空氣濕度等各種腐蝕因素影響，引起較嚴(yán)重的混凝土碳化及鋼筋銹蝕，有時(shí)還會(huì)形成復(fù)合性侵蝕，使其成為最容易受碳化影響的部位；翼墻碳化深度比較大，和混凝土強(qiáng)度、水流水質(zhì)等有關(guān)系；排架主要是由于混凝土強(qiáng)度較低，導(dǎo)致碳化深度較大，部分排架保護(hù)層脫落，鋼筋已經(jīng)銹蝕。檢測結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度是影響碳化深度的重要因素。

綜上分析，該閘工程總體上碳化深度尚小于鋼筋保護(hù)層厚度，碳化層較堅(jiān)硬，但局部碳化嚴(yán)重，有鋼筋銹蝕問題，為保證結(jié)構(gòu)安全，需盡快進(jìn)行防碳化處理。

三、混凝土碳化處理方案的原則

目前，混凝土碳化處理的基本原則為：若碳化深度較大，鋼筋銹蝕明顯，危及結(jié)構(gòu)安全應(yīng)拆除重建；若碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度，同時(shí)碳化層比較堅(jiān)硬的，則可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉；若混凝土碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的，應(yīng)鑿除碳化層，粉刷高強(qiáng)度砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土，然后全面封閉防護(hù)；若鋼筋銹蝕嚴(yán)重，應(yīng)在修補(bǔ)前除銹，并應(yīng)根據(jù)情況和結(jié)構(gòu)要求加補(bǔ)鋼筋，再用粘結(jié)性強(qiáng)的防護(hù)涂料對整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面封閉，達(dá)到整體防護(hù)的效果。

四、混凝土碳化處理方案研究

表1 混凝土表面強(qiáng)度檢測結(jié)果表

1.混凝土碳化處理調(diào)研

為科學(xué)合理地選擇該閘混凝土防碳化處理材料及方案，先后對南水北調(diào)、海委和淮委沂沭泗局所屬的一些水閘工程防碳化處理情況進(jìn)行實(shí)地考察調(diào)研，了解類似水閘工程防碳化處理效果，并收集有關(guān)施工資料。

近年來，南水北調(diào)、海河等有關(guān)水工建筑物工程，多采用聚合物防水防腐涂料進(jìn)行混凝土防碳化處理，效果總體良好。

2.混凝土碳化處理材料類型比選

對于混凝土碳化深度小于鋼筋保護(hù)層厚度、碳化層比較堅(jiān)硬的情況，防碳化處理一般均采用優(yōu)質(zhì)涂料對表面進(jìn)行封閉，封閉材料主要分為有機(jī)材料、無機(jī)材料以及結(jié)合兩者特點(diǎn)的聚合物水泥基材料等，三種類型材料技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較情況見表2。

根據(jù)三種材料對比，該閘混凝土防碳化材料擬選取聚合物水泥基材料和其他防碳化涂料進(jìn)行研究和比選。

3.混凝土碳化處理材料及方案現(xiàn)場工藝試驗(yàn)研究及比選情況

為保證防碳化處理效果，避免類似工程防碳化處理后發(fā)生的一些問題，分別選取了丙乳砂漿、SBR砂漿、AL-9608聚合物三種材料，在該閘閘墩和翼墻處布置幾處試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場工藝試驗(yàn)研究，通過對這三種涂料和施工工藝試驗(yàn)研究效果進(jìn)行比較，擇優(yōu)確定了防碳化處理材料和方案，并用于指導(dǎo)工程防碳化處理施工。

試驗(yàn)研究思路：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(shí)驗(yàn)室內(nèi)性能進(jìn)行檢查和檢測。

試驗(yàn)指標(biāo)：高分子聚合物改性防滲防碳化涂料施工配比、干濕試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、抹面或噴涂厚度，以及與原混凝土面的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)等。

試驗(yàn)研究方法：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實(shí)驗(yàn)區(qū)。在2#墩上選擇2塊1.5m×1.5m的區(qū)域，鑿除表面碳化層，用SBR作為修補(bǔ)材料；在5#墩選取1塊3m×2m的區(qū)域，鑿除表面碳化層，用AL-9608進(jìn)行修補(bǔ)；在翼墻上選擇2塊3m×2m的區(qū)域進(jìn)行AL-9608和丙乳砂漿修補(bǔ)。養(yǎng)護(hù)7d后取樣在實(shí)驗(yàn)室做7d、14d、28d碳化實(shí)驗(yàn)以及材料其他性能檢測。

試驗(yàn)研究結(jié)論：通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，性能上三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，觀感上AL-9608強(qiáng)于SBR和丙乳砂漿，并且AL-9608的色彩可以進(jìn)行調(diào)整，使其更接近混凝土本色。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。

綜合考慮碳化檢測、工程調(diào)研、現(xiàn)場試驗(yàn)等情況，對該閘混凝土結(jié)構(gòu)確定采用AL-9608涂料進(jìn)行防碳化處理施工。

4.混凝土碳化處理方案

經(jīng)施工現(xiàn)場試驗(yàn)研究確定的防碳化處理施工方案工藝流程為：基面預(yù)處理→基面缺陷處理→基面二次打磨→界面劑施工→底涂施工→中涂施工→面漆施工→養(yǎng)護(hù)。

其主要施工方法包括基面處理、涂料拌制、涂料涂刷、涂層養(yǎng)護(hù)等四個(gè)方面。

（1）基面處理

混凝土基面：混凝土基面采用噴砂處理，局部凹凸部位采用人工處理，疏松、空鼓部位預(yù)先鑿除，較大缺陷用聚合物砂漿修補(bǔ)找平。涂刷防碳化涂層之前，混凝土基面預(yù)先噴水清洗和濕潤處理，稍晾一段時(shí)間后再施刷涂料。

聚合物砂漿找平：如果基面凹凸不平、紋路較深，涂層不能覆蓋或涂料表面裝飾功能要求高時(shí)，用聚合物砂漿在基面上整體批刮，再涂刷防碳化涂料。

（2）涂料拌制

每次涂料配制前，應(yīng)先將液料組分?jǐn)嚢杈鶆颉Ｍ苛系馁|(zhì)量配比為：A組分∶B組分∶水＝1∶3∶（0～0.2）。涂刷底層時(shí)，加水量可取高限值。

（3）涂料涂刷

涂層分層多道涂刷完成，先界面劑砂漿找平、底涂刮涂（2遍）、面涂成型順序施工，面涂涂刷方向相互垂直，間隔時(shí)間以不粘手為準(zhǔn)，特殊部位可增加涂層次數(shù)。

底涂采用刮涂施工，面涂采用噴涂施工，確保涂層密實(shí)且刮涂均勻。

面漆噴涂前，先對基面進(jìn)行清洗，除去表面灰塵，晾干后及時(shí)進(jìn)行面漆噴涂。噴槍的空氣壓力控制在0.4～0.8MPa，槍口與墻面垂直略往上傾斜，槍口與墻面距離200～250mm。

（4）涂層養(yǎng)護(hù)

最后一道涂層施工完12h內(nèi)不宜淋雨。若涂層要接觸流水，則需自然干燥養(yǎng)護(hù)7d以上才可。密閉潮濕環(huán)境施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)排濕。

五、混凝土防碳化方案實(shí)施情況及效果

人民勝利堰閘混凝土防碳化處理于2015年1月9日開始實(shí)施，至2015年5月4日完成，共完成混凝土防碳化處理7414m2，包括混凝土基面噴砂、界面劑刷涂、砂漿找平、底涂刮涂、面涂噴涂等流程。

防碳化處理完成后進(jìn)行了質(zhì)量檢測，主要檢測結(jié)論:閘墩防碳化處理涂膜均勻，無明顯刷痕、流掛，無起泡、掉粉、失色等外觀質(zhì)量缺陷；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《AL9608型防水防腐涂料》（Q/TDGV02-2007），判定涂膜外觀正常。

表2 三種類型防碳化材料比較表

該工程在2015年汛前開閘進(jìn)行了防污調(diào)度，汛期投入運(yùn)用，共安全泄洪3953.5萬m3；汛后對水閘進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)起鼓、破損、裂縫等問題，也沒有色澤明顯變化，防碳化處理效果經(jīng)受住了洪水考驗(yàn)，效果良好。

六、結(jié)論

人民勝利堰閘除險(xiǎn)加固工程根據(jù)混凝土碳化檢測結(jié)果，借鑒參考多項(xiàng)工程混凝土防碳化處理經(jīng)驗(yàn)，通過防碳化處理材料及工藝試驗(yàn)的研究比選，確定了混凝土防碳化處理的方案，防碳化處理效果良好，為同類型水工建筑物混凝土防碳化處理提供有益的借鑒和參考■