水闸混凝土加固与修补方法

组成水闸的建筑物采用混凝土或钢筋混凝土结构修建时,通称为水闸混凝土。水闸混凝土老化病害主要有碳化、裂缝、渗漏、剥蚀等,常用的加固改造措施可归为碳化防护、裂缝修补、渗漏处理、剥蚀破坏修补、结构补强加固等。

(一)碳化防护

1.混凝土碳化的机理

由于混凝土是一个多孔体,其内部存在着大小不同的毛细管孔隙、气泡甚至缺陷等,空气中的二氧化碳(CO2)首先渗透到混凝土内部充满空气的毛细管中,而后溶解于毛细管中的液相,与水泥水化过程所产生的Ca(OH)2和硅酸三钙 (C3S)、硅酸二钙 (C2S)等水化产物相互作用,形成碳酸钙。混凝土的碳化是在气相、液相和固相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程。混凝土碳化的结果,就是降低了混凝土孔隙液体的pH 值,碳化一旦达到钢筋表面,钢筋就会因表面的钝化膜遭到破坏而锈蚀。水工混凝土碳化的影响因素主要有混凝土的水泥用量、水灰比、施工质量、空气中二氧化碳 (CO2)的浓度、光照与温度、环境相对湿度等。

2.混凝土碳化的防护技术

从混凝土和钢筋混凝土在大气作用下碳化与锈蚀的机理和影响因素可知,提高混凝土的抗碳化性,阻止或抑制混凝土的中性化,就能防护钢筋发生锈蚀,延长钢筋混凝土工程使用期限。目前国内外对既有受损的混凝土和钢筋混凝土建筑物,程度严重的采取钢筋和混凝土双重加固、修补和表面封闭的综合防护措施;程度不严重的钢筋有效面积未减小的,大都采用表面封闭法,以阻碍CO2和水、氧继续顺利进入混凝土,达到防护效果。常用的修补封闭材料有:树脂系列、聚合物系列、水泥系列。施工工艺有喷、涂、立模浇筑等。

(二)裂缝修补

1.裂缝类型

裂缝主要由荷载、温度、干缩、地基变形、钢筋锈蚀、碱骨料反应、地基冻胀、混凝土质量差、水泥水化热温升等原因引起,常见有以下几种类型:

(1)沉降裂缝。水闸底板、铺盖、护坦和边墙因不能适应不均匀沉降(地基不均或荷载不均)而开裂产生裂缝;闸室的胸墙以及梁板构件因相临闸墩不均匀沉降导致支座相对变位而开裂形成裂缝。沉降裂缝形态属贯穿性的,其走向一般与沉降走向一致,且有错距。

(2)温度裂缝。底板、铺盖、护坦受地基 (特别是岩基)约束,闸墩底部受底板约束,固结于闸墩的上部结构受闸墩的约束,简支结构受支座摩阻力的约束,这些受约束的构件在温度变化过程中因不能自由伸缩,常常在温降时因拉力过大而开裂形成裂缝;经常露出水面的铺盖、护坦和底板,因冬、夏温差过大,循环胀缩而开裂形成裂缝。温度裂缝由于约束条件和产生的具体原因不同,裂缝的深度、宽度、走向也不一样,有表层的、深层的、细小的和贯穿性的。温度裂缝的宽度常随温度变化而变化。

(3)应力裂缝。因设计配筋不够,施工质量差,或长期超载运行,地震作用等产生的裂缝。应力裂缝一般属深层或贯穿性的,走向基本与主应力方向垂直。

(4)施工裂缝。施工裂缝处理不善,水闸改建和扩建中,新旧混凝土接合处理不好产生的裂缝。施工裂缝多为深层或贯穿性的,走向与施工工作缝面一致。

(5)腐蚀裂缝。沿海或污染环境腐蚀作用,使钢筋锈蚀,混凝土顺筋裂缝。这种腐蚀裂缝使混凝土顺筋脱落。

2.裂缝修补方法

水闸混凝土裂缝修补,目的是恢复其整体性、耐久性和抗渗性。一般宜在低水头和宜于修补材料凝固的环境条件下进行。如必须在水下修补时,应选用相应的修补材料和方法;对于受温度影响的裂缝,宜在低温季节修补;对于不受温度影响的裂缝,则宜在裂缝已稳定情况下修理。处理方法应根据裂缝原因、种类和特征、对结构的影响、处理的目的和要求,采取不同的方法。

3.水闸裂缝修补实例

某泄洪闸闸墩裂缝处理。

泄洪闸主体工程加固改造完工后发现闸墩出现裂缝,2005年10月工程质量检测中心对现已发现的裂缝(长度、宽度、深度)进行了检测,共计发现裂缝45条、其中36条贯穿性裂缝,裂缝宽度在0.08～0.55mm 之间,裂缝长度在2.4～7.0m 之间,裂缝总长度189.3m。考虑到裂缝在生长发育期,裂缝长度和宽度会出现不同程度的增加,因此采用如下处理方案:对贯穿性裂缝和宽度大于0.2mm 的非贯穿性裂缝进行化学灌浆加固处理,对宽度不超过0.2mm 的非贯穿性裂缝进行表面封闭处理。

(1)裂缝化学灌浆加固处理。施工工序:施工准备→缝面封闭→布孔、钻孔、清孔→安装灌浆塞、连接灌浆泵→压力灌浆→结束灌浆、清理→表面恢复。

施工准备包括人员、材料、设备、脚手架、劳保用品等的认真准备。人员须进行安全生产、环境保护、文明施工教育;材料应保证材料品质,不合格材料不得进场;设备、劳保用品应准备齐全;裂缝底部构筑小围堰,将水排干,搭设脚手架。

确定需处理的部位后,用钢丝刷清理缝面。用聚合物改性砂浆封闭缝面,根据缝面贯通情况预留排气孔,贯穿性裂缝两侧缝面同时封闭。裂缝端部作钝化处理。

根据裂缝走向及深度布置孔位,孔位沿两裂缝两侧交叉布孔,钻孔如图1-1所示。钻孔角度及深度依据裂缝具体情况而定,孔深0.3～0.8m,孔间距0.2～0.5m。钻孔后残留灰尘集中在孔底,不影响灌浆施工,一般情况下不需要清孔,可用吹风机吹出残留灰尘。

清孔完毕后,安装带有逆止装置的特制灌浆塞具,连接至化学灌浆泵。钻孔采用HILTI电锤,其性能见表1-1,化学灌浆泵采用Wagner电动隔膜泵,其性能见表1-2。

图1-1　钻孔示意图

表1-1　HILTI电锤性能参数表

表1-2　Wagner高压化学灌浆泵性能参数表

灌浆材料采用KLY—G1环氧树脂灌浆液,它具有黏底小、可灌性好,强度高、固化时间可调等特点,已在很多类似工程中成功应用。灌浆液现场按比例调配,要求计量精确,不可漏加或错加任一组分,少配勤配,避免浪费。KLY—G1灌浆液具体性能见表1-3。

表1-3　KLY—G1环氧树脂灌浆液性能指标

灌浆施工自下而上单孔逐一进行,灌到相邻排气孔出浆后封闭该排气孔,顺序移至另一灌浆孔,直至最后一个灌浆孔。灌浆压力由低到高,开始时控制灌浆压力(不大于1MPa)及进浆率,逐步提高灌浆压力 (不大于2MPa)。最后一个灌浆孔灌浆至排气孔出浆后稳压(1MPa)5min或进浆率小于0.1L/min即可停止灌浆。

灌浆结束后,及时清理表面残留浆液,便于后续工序的施工并保持现场清洁。(www.xing528.com)

待浆液固化后 (72h),用聚合物改性砂浆封闭灌浆孔,清理缝面。配制与环境混凝土颜色相近的表面恢复材料,缝面涂刷该材料1～2道。

(2)缝面封闭处理。施工步骤:施工准备→切割、凿除→修补→表面恢复、清理。

施工准备同裂缝化学灌浆部分。

沿裂缝切割2cm 宽、1cm 深的倒斜坡槽,裂缝端部作钝化处理。电镐凿除缝面混凝土,凿除时对切割面作打毛处理。

槽内杂物清理干净后,用聚合物净浆打底,底料干燥前用聚合物改性砂浆补平切割槽。净浆配比为:KLY—水泥改剂∶水泥=1∶1 (重量比);砂浆配比为:KLY—水泥改性剂∶水泥∶砂=1∶5∶1 (重量比)。

修补完成1d后,表面涂刷与环境混凝土颜色相近的表面恢复材料一道。表面恢复材料涂刷完后清理施工现场。

(三)渗漏处理

1.渗漏处理的原则

渗漏处理的目的在于消除渗漏给水闸混凝土建筑物带来的诸多危害,提高结构物的安全性、耐久性,延长其使用寿命。渗漏的处理方案应根据渗漏调查、成因分析及渗漏处理判断结果,结合具体水闸建筑物的结构特点、环境条件(温度、湿度、水质)、时间要求、施工作业时间限制,选择适当的修补处理方法、修补材料、工艺和施工时机,以求以最低的工程费用达到预期的修复目标。防水堵漏应尽可能靠近渗漏源头,凡条件允许,应尽量在迎水面堵漏。渗漏处理最好在无水期或枯水期内进行。选择材料时,要考虑修补材料对水质的污染和修补材料在特定环境下的耐久性。

2.渗漏处理的方法

渗漏主要是由混凝土密实性较差、裂缝、伸缩缝止水失效等原因引起,常见类型有点渗漏、线渗漏和面渗漏。对于不同渗漏,处理的方法不同。

(1)点渗漏的处理。点渗漏又称为孔眼渗漏或集中渗漏。根据水压力的大小和孔洞大小采用直接堵漏法、下管堵漏法、木楔堵漏法、灌浆堵漏法等。这些方法均属背水面堵漏。

(2)大面积散渗处理。处理大面积渗漏水应尽量先将水位降低,是能在无水情况下直接进行施工操作,且最好能在迎水面完成作业。若不能降低水位,须在渗漏状态下于背水面作业时,首先导渗降压,以便在混凝土表面进行防渗层施工。待防渗层达到一定强度后,再堵排水孔。对于水闸,防水层一般做在迎水面。处理大面积散渗常用的方法有表面涂抹覆盖、浇筑混凝土或钢筋混凝土、灌浆处理。

(3)变形缝渗漏的处理。处理水闸混凝土建筑物变形缝止水失效而造成的渗漏,常用方法有:嵌填止水密封材料法、环氧粘贴橡胶板等止水材料法、锚固橡胶板等止水材料法、灌浆堵漏法。

(4)渗漏裂缝的处理。无渗漏水或是水头较低、渗水压力低、渗漏水量小时,是修补渗漏裂缝的最佳时机,修补处理已在裂缝以稳定的状况下进行。在有些情况下,必须先采取措施稳定裂缝。所选用修补材料在修补使工期内温度条件下应能正常固化。当修补处理时有渗漏水逸出,则应先导渗止漏,然后再选择合适的修补处理方法,进行内部或表面防渗处理。

视裂缝渗漏水的流量、流速和静水压力不同,采用不同的导渗止漏方法,如直接堵漏法、埋管导渗法、动水灌浆堵漏法等。

考虑渗漏裂缝修补的目的(恢复结构整体性、防渗耐久、美观等)、环境条件、施工期、经济性等方面,选择渗漏裂缝修补处理方法。渗漏裂缝表面修补处理方法主要有:表面覆盖法,该法又可分为涂刷防水涂膜、涂抹防渗层、粘贴或锚固高分子防水片材、钢筋混凝土护面等四种;凿槽填充法,凿槽形状有V 形、U 形两种,推荐使用U 形;渗漏裂缝内部处理方法灌浆法,视所选用材料的不同,关井处理能起到动水堵漏、防渗或防渗补强等作用。

(四)剥蚀破坏处理

剥蚀是从混凝土的外观破坏形态着眼,对水闸混凝土结构物表面区混凝土发生麻面、露石、起皮松软和剥落等老化病害的统称。剥蚀主要是由冻融、冲磨气蚀、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱骨料反应及低强风化等原因导致的。根据不同的破坏机理,可将剥蚀分为冻融剥蚀、冲磨和空蚀、钢筋锈蚀、水质侵蚀、风化剥蚀、对裂缝修补、渗漏处理、剥蚀破坏、碱骨料反应破坏等。

剥蚀破坏处理应通过对水闸混凝土建筑物的剥蚀破坏的诊断和危害性分析进行修补决策,选用适宜的处理措施。无论选用何种修补处理措施,所采取的修补方法都是“凿旧补新”,既清除受到剥蚀作用损伤的老混凝土,浇筑回填能满足特定耐久性要求的修补材料。

“凿旧补新”的工艺为:清除损伤的老混凝土→修补体与老混凝土接合面的处理→修补材料的浇筑回填→养护。

(五)结构补强加固技术

水闸混凝土建筑物结构补强加固技术包括补强加固设计、补强加固方法、材料及工艺,以及补强加固的检查和效果的确认。此处扼要介绍补强加固设计的步骤和补强加固的方法。

1.补强加固设计的一般步骤

(1)根据各种调查结果、原因推断结果及损伤程度,确定补强加固的时间、范围与规模。

(2)在明确补强加固目的的同时,要掌握作用与建筑物上的荷载、所处环境、不同损伤部位补强加固工程的难易程度,以及影响补强加固工程的各种制约条件。

(3)根据建筑物的损伤程度,考虑上述各种条件,选定适当的补强加固方法、材料及工艺,并进行截面或构件设计。

(4)决定补强加固施工中所需的机具、仪表等。

(5)制定补强加固施工操作规程及安全注意事项。

(6)考虑施工时期及工期,决定必要的施工人数。

(7)注意修补后的外观。

(8)选择检验补强加固效果的方法。

2.补强加固方法

常用的补强加固方法有锚贴钢板(材)法、预应力法、增加断面法、增设杆件法、粘贴玻璃钢法、喷射混凝土法、锚杆锚固法等。