摘要：北京三家店拦河闸已运行48 余年, 经检测发现部分混凝土的老化和病害情况比较严重, 需要尽快进行局部补强加固和全面防护处理。三家店拦河闸混凝土防护施工涉及到对混凝土的防碳化处理、裂缝处理、剥蚀面处理等内容, 应用了防碳化柔性涂料、改性化学灌浆、粘贴碳纤维、喷涂聚脲弹性体等新材料、新技术和新工艺, 为今后处理类似工程提供了宝贵的经验。
关键词：混凝土 化学 聚脲 防护处理
1 工程概述
三家店引水枢纽位于北京市门头沟区, 是永定河引水渠的渠首工程。该引水枢纽工程于1956 年2 月兴建, 1957 年5 月完工。由拦河闸、永定河引水渠进水闸和城龙进水闸3 部分组成。主要功能是拦蓄上游来水, 保证引水枢纽按用水户的需要均匀供水。该工程已运行48 年, 1996 年和2004 年分别对三家店闸混凝土的老化和病害情况进行了全面检测, 检测结果表明工程老化严重, 为了保证工程安全运行, 提高工程的使用寿命, 应尽快对三家店拦河闸混凝土缺陷进行“ 局部补强加固和全面防护相结合” 的加固措施。
2005 年3 月— 6 月, 对三家店拦河闸闸墩、溢流坝面、引水渠进水闸、工作桥表面、交通桥大梁底部及侧面等部位的混凝土缺陷进行了局部补强加固和全面防护处理。
2 防护处理方案及其材料特性
2.1 闸墩的裂缝处理
碳纤维补强加固技术是利用高强度或高弹性模量的连续碳纤维, 单向排列成束, 用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合材料片材, 将片材用专用环氧树脂胶粘贴在结构外表面受拉或有裂缝部位, 固化后与原结构形成一整体, 碳纤维即可与原结构共同受力。碳纤维粘贴在贯穿性裂缝部位, 粘贴宽度为80 cm ( 裂缝两侧各延伸40 cm) , 粘贴长度大于裂缝本身的长度,要求碳纤维布纤维方向与裂缝方向垂直。碳纤维材料的性能指标见表1。
粘贴碳纤维的黏结剂必须具有极强的渗透力和对混凝土表面起到补强作用, 应对碳纤维布有极强的浸渍力。因此只有通过专用环氧树脂胶将碳纤维片粘贴在混凝土或钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合为一整体共同承受荷载, 才能达到补强加固的目的。对闸墩裂缝采用化学灌浆补强的方法, 灌浆材料采用可灌性好的改性环氧浆材。这种材料黏度低, 可灌性好, 可渗入0.2 mm 混凝土裂缝和微细岩体内, 与国内外的材料相比, 其早期发热量低、毒性小、施工操作方便, 是较理想的混凝土补强加固材料。其具体性能指标如表2。
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2.2 闸墩表面防碳化处理
对闸墩水面以上部分, 采用专用的改性AEV 聚合物乳液防碳化喷涂材料, 其黏结强度大于0.2 MPa, 防碳化能力比普通混凝土提高10 倍。为了使修补防护后结构的外观与拦河闸整体外观相适应, 采用的改性AEV 喷涂材料调为浅灰色。
对于闸墩水下部分表面进行防碳化处理的材料,既要满足防碳化要求, 又要保证将来泄洪时满足防冲刷要求, 故采用PCS- 1 型抗冲磨防碳化涂料, 厚度大于1 mm, 其与混凝土的黏结强度大于1.0 MPa, 断裂伸长率大于100%, 拉断强度大于1.5 MPa, 抗冻性能大于F 300。
2.3 闸底板混凝土剥蚀部位补强处理
对闸底板混凝土裂缝, 采用开槽回填聚合物水泥砂浆, 裂缝内部进行化学灌浆的综合处理方法, 方法同闸墩裂缝的处理。对底板混凝土剥蚀部位, 采用凿除松动的混凝土, 置换抗冲磨聚合物水泥砂浆的处理方法。聚合物水泥砂浆是通过向水泥砂浆掺加聚合物乳胶改性而制成的一类有机无机复合材料。主要是由于聚合物的掺入引起了水泥砂浆微观及亚微观结构的改变, 从而对水泥砂浆各方面的性能起到改善作用,并具有一定的弹性。
2.4 工作桥表面的处理
工作桥表面采用喷涂聚脲弹性体抗冲磨材料。喷涂聚脲弹性体技术是美国1991 年开发出来的, 2003年由中国水利水电科学研究院引进, 并首次在水利水电工程中应用。喷涂聚脲弹性体涂层的主要性能特点是: 不含催化剂, 可以实现所需要的快速固化时间;可在任意的曲面、斜面及垂直面上喷涂成型, 不产生流挂现象; 可快至5 s 左右达到凝胶, 1 min 即可达到步行强度; 对水分和湿汽不敏感, 施工时不受环境温度、湿度的影响, 可以在潮湿环境和界面上固化不影响其性能; 具有非常优异的柔韧性、耐磨性、高黏结性能及本体拉伸强度高等物理力学性能; 对钢材、混凝土、沥青等底材有着非常良好的黏结强度; 耐老化性能也十分突出; 具有极强的抗渗、防碳化和抗冲磨能力。此次采用的聚脲弹性体材料的主要技术指标见表3。
2.5 引水渠进水闸的修补处理
对引水渠进水闸局部混凝土冻融剥落部位, 凿除疏松混凝土, 抹2 cm 左右厚的聚合物水泥砂浆, 打磨冲洗整个处理面, 涂刷PCS- 1 型防护柔性涂料。
2.6 拦河闸上游面水下部位混凝土表面处理
对拦河闸上游面水下部位混凝土表面进行全面检测, 如果有裂缝就进行化学灌浆处理, 对局部混凝土冻融剥落部位凿除, 抹2 cm 左右的聚合物水泥砂浆,整个面打磨冲洗, 涂刷PCS 防护柔性涂料。
2.7 交通桥防护处理
由于交通桥大梁混凝土的碳化深度已超过了大梁主筋保护层厚度, 引起主筋锈蚀, 使主筋有效截面面积减小, 危及交通安全。因此, 需要对交通桥大梁进行全面防碳化处理, 对于大梁腹板裂缝宽度较大的部位, 采用粘贴碳纤维补强措施, 细小裂缝表面涂刷PCS- 1 型防护柔性涂料, 整个大梁喷涂改性AEV 聚合物乳液防碳化喷涂材料。
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3 修补施工工艺及技术要求
3.1 混凝土表面清洗、打毛
(1) 用钢丝刷或铲刀清除梁的表面污垢油渍及积尘。
(2) 用打磨机打磨至混凝土新鲜表面。
(3) 用高压水清洗混凝土表面, 至表面无积尘。
3.2 防碳化涂层的喷涂
(1) 用聚合物水泥砂浆修补局部脱落的混凝土表面, 用PCS 柔性涂料封堵梁表面出现的微细裂缝, 用高压喷涂机喷涂防碳化涂层。喷涂前混凝土表面应风干。
(2) 水上部位的混凝土防碳化处理采用喷涂3 遍改性AEV 聚合物乳液防碳化材料, 水下部分混凝土防护采用涂刷3 遍PCS - 1 型抗冲磨防碳化涂料。喷( 涂) 层应均匀, 每1 道涂层表面干后, 可再喷( 涂)下1 层。
3.3 裂缝的化学灌浆处理
化学灌浆前, 首先要对每孔闸墩和溢流坝面存在的裂缝进行调查, 为施工提供详实情况和实际工程量。当缝宽大于0.2 mm 时, 先沿裂缝( 并将两端无缝处延伸10 cm 左右) 将混凝土凿宽约3 ~ 5 cm、深3 ~ 4 cm的槽, 回填聚合物砂浆进行封堵和表面抹平。再沿混凝土裂缝两侧打斜孔与缝面相交, 灌浆孔造好后进行清孔。将已洗好的灌浆孔, 装上灌浆嘴进行压气或压水, 检查孔缝是否相通。若不相通, 要检查原因, 直到孔缝相通。采用专用的高压灌浆设备进行灌浆, 浆液必须搅拌均匀。
3.4 混凝土碳纤维补强加固
(1) 混凝土基底处理: 将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净至结构密实部位。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分, 进行修补、复原。表面凸出部分打磨平整, 修复后的错差要尽量平顺。
(2) 涂底层涂料: 把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内, 用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。
(3) 环氧腻子对构件表面的残缺修补: 构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平, 修复至表面平整。腻子涂刮后, 对表面存在的凹凸糙纹, 应再用砂纸打磨平整。
(4) 粘贴碳纤维片: 确认粘贴表面干燥后可以贴碳纤维片。贴片前在构件表面用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂, 贴片时在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气。可用专用工具沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次, 使树脂渗浸入碳纤维中。碳纤维片施工30 min后, 用滚筒刷均匀涂刷树脂。
(5) 养护: 粘贴碳纤维片后, 需自然养护24 h 达到初期固化, 应保证固化期间不受干扰。
(6) 质量检验标准: 碳纤维片的粘贴基面必须干燥清洁, 光滑平顺, 无明显错差。碳纤维片粘贴密实。目测检查不许有剥落、松弛、翘起、褶皱等缺陷, 以及超过允许范围的空鼓。固化后的贴片层与层之间的粘着状态和树脂的固化状况良好。
3.5 喷涂聚脲弹性体
(1) 底材处理: 混凝土底材处理首先用角磨机、高压水枪等清除表面的灰尘、浮渣。待水分完全挥发后, 用堵缝料进行底材表面找平及堵缝。刷涂或辊涂一道配套底漆。
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(2) 伸缩缝的处理: 由于原伸缩缝内充填的止水材料已经老化, 这次处理时将老化的材料剔除, 埋设U 型不锈钢薄板, 中间填充GB 柔性止水材料, 保证与工作桥面在一平面。
(3) 喷涂前设备的准备: 喷涂前进行设备及附属设备的检查, 按规定的要求进行喷涂设备的参数设置,包括主加热器温度、长管加热器温度、主机压力、空压机压力。
(4) 喷涂: 喷涂时应随时观察压力、温度等参数。两组份的动态压力差应小于600 psi, 雾化要均匀。喷涂厚度大致均匀, 但在伸缩缝部位的聚脲厚度要大于2 cm。
(5) 聚脲弹性体接头的封闭: 在喷涂弹性层后24 h 内对聚脲弹性体接头进行封闭。可采用开槽回填改性环氧砂浆或聚合物水泥砂浆的方法封闭。
(6) 验收标准: 混凝土底材要求表面平整, 无裂缝, 清洁。底漆固化正常, 无漏涂; 找平和堵缝后的底材表面平整、无孔洞, 堵缝料表面平整、无毛刺。喷涂厚度均匀, 无漏涂, 固化正常。
3.6 混凝土冲蚀坑处理
(1) 修补面的凿毛: 修补面的垂直面与其底面垂直, 修补面的深度应基本一致, 凿毛后应用高压水冲洗。
(2) 聚合物混凝土拌合: 混凝土人工拌合, 先干搅拌后加有机材料、水、外加剂, 外加剂预先与拌合水混合, 要求坍落度控制在2 cm 左右。
(3) 浇筑聚合物砂浆: 由于剥蚀面深度小于5 cm, 现场采用浇筑聚合物水泥砂浆的方案。为了保证修补材料与老混凝土之间的黏结强度, 先将冲坑四周及底面涂刷界面剂( 用刷子涂刷约1 mm 厚) , 聚合物砂浆浇筑后, 用振捣棒或平板振捣器振捣, 直至泛浆为止。在振捣过程中注意与原混凝土面曲线保持一致。
(4) 养护: 用塑料布覆盖, 保持水分1 d 或拆脚手架前将混凝土的修补面涂刷有机材料防护。
4 结语
北京三家店拦河闸混凝土建筑物的缺陷处理工程经近3 个月的紧张施工, 于2005 年6 月完成, 实践证明整个防护工程的方案可靠, 施工质量优良, 工程顺利通过了竣工验收, 为三家店拦河闸安全运行打下了良好基础。该工程已经过了1a 多的运行考验。在这次三家店拦河闸混凝土防护施工中, 应用了大量的新技术、新材料和新工艺, 为今后处理类似工程提供了宝贵的经验。
作者简介: 张世清( 1962 —) , 男, 管理处主任。
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