高寒庫區(qū)壩面網(wǎng)格梁抗凍融修補技術

俞 偉，郭丹萍，李言亮

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安223001）

新疆克拉瑪依市某高寒庫區(qū)引水工程是當?shù)匾こ讨腥畮旃歉晒こ讨唬瑝涡蜑轲ね列膲?，水庫蓄水量? 700 萬m3。水庫大壩上游護坡采用了“菱形網(wǎng)格梁內(nèi)嵌混凝土板”形式，自2000 年建成運行近17 年來，水位變動區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格梁梁體發(fā)生了較為嚴重的凍融循環(huán)破壞，甚至出現(xiàn)鋼筋外露和銹蝕等情況[1]。為解決類似凍融破壞的問題，筆者擬通過現(xiàn)場試驗，開展網(wǎng)格梁混凝土凍融破壞部位不同材料修補技術的方案比較，以解決類似工程中出現(xiàn)的問題，確保水庫大壩安全運行。

1 網(wǎng)格梁凍融破壞分析

通過對該水庫大壩上游網(wǎng)格梁情況進行踏勘，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格梁混凝土表面出現(xiàn)了不同程度的凍融破壞面，存在明顯的表層鱗片狀剝落現(xiàn)象，嚴重的部位可以看到鋼筋露出[2]，如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格梁凍融破壞現(xiàn)狀

由于圖1 中網(wǎng)格梁凍融破壞區(qū)域位于冬季水庫蓄水位水平面上，網(wǎng)格梁凍融破壞特別明顯，初步確定破壞部分主要由以下三方面因素造成：一是網(wǎng)格梁混凝土自身缺陷。從混凝土剝離情況看，混凝土為三級配，骨料偏粗，導致混凝土抗凍等級不達標。二是凍融環(huán)境。該水庫位于丘陵區(qū)，晝夜溫差較大，在每年冬、春季具備凍融環(huán)境，網(wǎng)格梁破壞嚴重的壩段位于大壩的北部，其上游面受太陽照射時間長，凍融次數(shù)增加。三是水分補給。據(jù)現(xiàn)場踏勘情景分析，水庫在高水位結冰冰層較厚，當水庫放水時，冰體覆著在水位變動區(qū)，隨著溫度的轉(zhuǎn)暖，冰體又開始溶化消退，在這一期間凍融循環(huán)發(fā)生頻繁，同時由于壩坡較緩，冰體覆蓋在壩坡上的時間較長，底層冰體溶化為混凝土提供了豐富的水分。因此，網(wǎng)格梁產(chǎn)生凍融破壞具備了凍融過程和水分補給兩個基本要素。

2 網(wǎng)格梁修補方案研究

以該水庫大壩上游具有典型凍融破壞特征的300 m2網(wǎng)格梁混凝土護坡作為研究試驗區(qū)，結合克拉瑪依市引水工程近年來工程修補經(jīng)驗及國內(nèi)在新疆北疆地區(qū)防止凍害的各種工程措施[3]，最終確定了三種網(wǎng)格梁修補方案：一是高性能混凝土。采用具有抗凍性能好的高性能混凝土對網(wǎng)格梁破壞部分直接進行修復，修復工藝簡單，造價低，如圖2（a）所示；二是聚氨酯防水黏結涂料。在未破壞的網(wǎng)格梁表層噴涂聚氨酯防水黏結涂料，切斷水分由表層進入混凝土的通道，減免凍融破壞的發(fā)生，同時，利用涂料表面的光潔度，減免冬季在網(wǎng)格梁表面的結冰程度，從而消減結冰對網(wǎng)格梁混凝土的作用，旨在對現(xiàn)有狀態(tài)良好的網(wǎng)格梁進行保護，如圖2（b）所示；三是聚合物乳液改性砂漿（丙乳砂漿）。采用丙乳砂漿直接對混凝土梁進行修補，包裹梁體表面，切斷水分由表層進入混凝土的通道，減免凍融破壞的發(fā)生，如圖2（c）所示。

3 現(xiàn)場試驗研究

3.1 高性能混凝土

高性能混凝土具有抗凍、抗侵蝕、抗裂、高強、早強等特點[4]。現(xiàn)場按表1 所示配合比進行了混凝土試拌，先將固體料加入機內(nèi)干拌1 min 后，再把外加劑與拌和用水混勻后加入機內(nèi)濕拌2 min?，F(xiàn)場對高性能混凝土拌合物初始和30 min 后的坍落度、含氣量以及表觀密度進行測試，其技術性能如表2 所示。

圖2 網(wǎng)格梁凍融破壞修補方案

根據(jù)混凝土破壞情況，使用風鎬、沖擊鉆、吹風機等機具對網(wǎng)格梁兩側(cè)及表面破壞部分進行剝離及除塵，并在基層面架設鋼絲網(wǎng)，采用6～8號的膨脹螺栓進行布點及支模后，進行高性能混凝土澆筑。

表1 高性能混凝土配合比

表2 高性能混凝土拌合物的技術性能

3.2 聚氨酯防水黏結涂料

聚氨酯防水黏結涂料是針對嚴寒地區(qū)水工大壩、橋梁等工程領域混凝土結構表面的抗凍害防水防護材料[5-6]，其主要技術指標：拉伸強度≥12.0 MPa；斷裂伸長率≥450%；低溫彎折性≤-40 ℃；不透水性（2.0 MPa×24 h）；黏接強度≥3.5 MPa（干粘）；≥2.5 MPa（濕粘）；固體含量≥98%；抗?jié)B性2.0 MPa、24 h 無滲水；與冰的黏結力≤0.01 MPa。

該涂料施工方法：1）使用高壓水和風清洗吹掃需要處理的混凝土基層，對于網(wǎng)格梁表面有明顯苔痕、凸凹不平的地方，使用角向磨光機或電動鋼絲刷進行打磨；2）涂刷專用界面劑；3）待界面劑固化后，使用刮板進行底層的涂刮，要求材料涂刮均勻；4）待底層材料固化約10 h 后，使用刮板進行面層涂刷。采用聚氨酯防水黏結涂料對凍融破壞較輕的網(wǎng)格梁表面進行現(xiàn)場涂刷。該技術已應用于新疆10 余座大型水庫。

3.3 丙乳砂漿

丙乳砂漿由水溶性乳液與水、水泥和砂拌制的丙烯酸酯共聚乳液水泥砂漿[7]。一般情況，丙乳砂漿抹面厚度1.0～2.0 cm，最小厚度不應小于1.0 cm；其抗壓強度可達40 MPa，抗拉強度達7 MPa，與老混凝土黏結強度3 MPa，抗凍等級可達F300[8]。

丙乳砂漿采用人工拌制，拌制時先將水泥和砂干拌均勻，再加入水和丙乳，充分拌和均勻，材料必須稱量準確。聚合物乳液改性砂漿的配制，水泥∶砂∶水∶丙乳=100∶165∶50∶18。迎水面等防腐抗?jié)B要求高的部位將丙乳用量提高到25～30 kg，水量相應減少，拌好的砂漿應在3 min 內(nèi)用完。

人工涂刷方法：1）施工前需清除表面污物，將舊混凝土剝蝕層鑿除，用鋼釬、沖擊鉆、手鑿等工具對基層表層混凝土進行鑿毛清理的最小厚度為2 cm；2）鑿除碳化松動的混凝土，露出堅硬新茬，在鑿毛的舊混凝土表面（簡稱基面）用高壓水沖洗干凈；3）待基面無積水呈潮濕狀時，在基面上涂刷一層丙乳凈漿，配比為丙乳∶水泥=1∶2，要求凈漿涂布均勻，無漏涂。

3.4 應用比較

1）技術比較。選擇大壩上游具有典型凍融破壞特征的300 m2網(wǎng)格梁混凝土護坡作為研究試驗區(qū)，結合當前國內(nèi)北方地區(qū)混凝土抗凍設計工程中常采用材料，通過對網(wǎng)格梁混凝土凍融破壞部分進行不同材料方案的修補技術研究對比，遴選適合耐高溫差、凍融、冰推等作用下的鋼筋混凝土網(wǎng)格梁修補材料及技術工藝，以解決工程中凍融破壞部分網(wǎng)格梁混凝土的結構修補及其耐久性等問題，見表3。

2）綜合比選。根據(jù)現(xiàn)場試驗內(nèi)容，將試驗材料從經(jīng)濟性能、施工工藝、工作性能三個方面進行綜合比較見表4[9]。由于網(wǎng)格梁混凝土遭受凍融破壞，其深度一般在3 cm 左右，實際清基面時要求在清除厚度6 cm 以上。丙乳砂漿和高性能混凝土均具有較好的抗凍、抗?jié)B、抗沖磨能力，但丙乳價格相對昂貴，對于破壞較嚴重的網(wǎng)格梁推薦使用高性能混凝土進行修補；而對于凍融破壞較輕的網(wǎng)格梁表面推薦使用聚氨酯防水結涂料進行防護，不僅能夠有效切斷水分由表層進入混凝土的通道，而且使網(wǎng)格梁的外觀形態(tài)美觀整齊。

表3 修補材料技術比較

表4 修補材料綜合比選

4 結 論

通過對高寒庫區(qū)大壩網(wǎng)格梁凍融破壞修補材料現(xiàn)場試驗研究的探討，得到以下結論：

1）高性能混凝土材料具有良好的抗凍、抗侵蝕、抗裂、高強、早強等特點，在網(wǎng)格梁修補材料中單米造價最低，但其質(zhì)量受施工配合比、施工工藝、養(yǎng)護條件的影響較普通混凝土敏感。

2）聚氨酯防水結涂料具有優(yōu)異的接性能、能夠切斷水分由表層進入混凝土的通道，減免凍融破壞的發(fā)生，在諸多工程中得到實際應用并獲得較佳效果，特別適用于凍融破壞較輕的網(wǎng)格梁表面使用該材料進行防護，外觀形態(tài)美觀整齊，但單平米造價較高。

3）采用丙乳砂漿直接對大壩網(wǎng)格梁進行修補，雖然具有較好的抗凍、抗?jié)B和抗沖磨能力，但鑒于其單米造價相對于高性能混凝土材料昂貴，且抗沖擊性能不及高性能混凝土。