高抗冻、抗裂混凝土（砂浆）在水库除险加固工程中的运用.pdf

第 0 8 期 ( 总第 3 5 1 期 ) 吉林水利 2 0 1 1 年 0 8月 文章编号1 0 0 9 - 2 8 4 6( 2 O l 1 )0 8 - 0 0 5 8 - - 0 5 高抗冻 抗裂混凝土 ( 砂浆) 在水库除险加 固工程中的运用 孙凤华 。王玉红 ( 延边州安 图县水利局 ，吉林安图 1 3 3 6 0 0 ) 【 摘要 安 图水库建成 于 1 9 6 8年 ，经 3 0多年的运用 ，受冻融破坏影响 ，使泄 洪洞进 水塔及 洞身等部位 混凝土 粉化 、疏松和剥蚀 ，尤以塔 身水住 变化 区为最重 ，骨料 外露 ，局部 钢筋外露锈蚀 ，严重影响水库 的安 全运行 。 北方寒冷地 区水工建筑物混凝土修补加 固工程 中，通过 采用添加优质减水 剂和引气剂加 固修补技 术，使 混凝土 ( 砂浆 )既满足较高的强度要 求 ，又具有很好 的抗 冻性。通过采 用加掺 聚丙稀纤维技 术 ，提高 了混凝土 ( 砂浆 ) 早期 防裂性 能。历经七年 多的运行 。混凝土抗冻、抗裂效果 明显 ，未出现剥蚀 、开裂等情况。 关键词 】水库 ；除险加 固工程 ；高抗冻、抗 裂混凝土 中图分类号T V 4 3 2 1 文献标识码 】B 北方寒冷地 区水利枢纽工程 中，水 工混凝土 建筑物在运用过程中，受冻融破坏严重 ，给建筑 物带来 安全隐患 ，在安图水库 除险加 固过程 中 ， 通 过采用 添加优质 减水剂 和引气 剂加 固修补 技 术 ，使 混凝 土 ( 砂浆 )既满足较高的强度要求 ， 又具有很好 的抗冻性 。通过采用加掺聚丙稀纤维 技术 ，提高 了混凝土 ( 砂浆 )早期防裂性能 。此 技术 的应 用 ，成功 解决 了混 凝 土加 固修 补 的难 题 1 安 图水库概况 安图水库地处 吉林 省延边 州安 图县 明月镇 ， 距县城 4 k in地理位置在东经 1 2 8 。 3 5 一 1 2 8 o 5 5 ， 北纬 4 2 o 5 4 一4 3 o 1 O 之间 。水库位 于布尔 哈通河 支流福 兴河 上 ，控制 面积 3 7 0 k m 2 ，是一 座 以防 洪、灌溉为主 ，结合城市供水 、发 电、养鱼等综 合利用 的中型水库。水库防洪保护下游 4个 乡镇 ( 石门镇 ，老头沟镇、铜佛寺乡 ，朝 阳川镇)和安 图县城 ，保护人 口 2 O万人 ，保护耕地 1 2 5万亩 ， 保护 长图铁路 ，3 0 2国道。水库灌 溉面积 8 2万 亩 ，城 市年供水量 7 3 0万 m3 ，年 发 电量 2 4 0万 蠡 n 安图水库流域属于大陆性寒温带半湿 润季风 气候 区，季节变化明显 ，春季干旱多风 ，夏季炎 热多雨 ，秋季晴凉 ，冬季寒冷 。据明月镇气象站 统计 。多年平 均 气温 为 3 6 。 极 端最 高气 温 为 3 7 6 1 2 ，极端最低气温为一 3 6 5 c 【 = ， 多年平均 降水量 为 6 1 8 5 m m，多年平均蒸发量 为 1 2 5 9 m m ( 2 0 e ra 蒸 发 器 ) ，多 年 平 均 风 速 为 3 1 m s ， 多 年平 均 最 大 风 速为 1 8 2 m s ， 历年最大冻土深为 1 7 1 m ( 1 9 7 0 4 ) 。 安 图水 库 工 程 于 1 9 6 4年 5月 开 工 兴 建 ， 1 9 6 8年 9月竣工。水库工程经过 3 O多年的运行 ， 泄洪洞、输水洞进水塔塔身 、泄洪洞洞身及 出口 混凝土受冻融破坏严重 ，多处存在漏筋现象 。延 边 州水利水 电勘测设计研究 院于 2 0 o 2年 1月完 成 了安图水库除险加 固的初步设计 ，水 库除险加 固工程于 2 0 0 2年 9月 1日正式开工 。由省水利 工程五处负责施工 。 2 0 0 3年 1 1 月 3 0日加 固工 程竣工。 2 混凝土破坏原因及现场检测 2 1 混凝 土破 坏原 因 混凝土碳化 原理是 由于大气 ( C O 2 、0 2 )水 、 侵蚀介质 ( c r等 )向混凝土内部渗透 、迁移而引 收稿 日期 】2 0 1 1 - - 0 3 - 2 1 作者 简介】 孙风华 ( 1 9 6 9 一 ) ，女 ，吉林延边人 ，本科 ，工程 师，现从 事水库管理足防汛抗旱工作。 一 58 吉林水利 高抗冻、抗裂混凝土 ( 砂浆 )在水库除险加固工程中的运用孙风华等2 0 1 1年 0 8月 起 钢筋钝化膜破坏 ，并 产生 电化学反应 ，使铁变 成氢氧化铁 的过程。钢铁生锈后 ，其锈蚀产物物 体 积 比原来增 长 2 - _ 4倍 从 而在其周 围的混凝 土 中产生膨胀应力 最终导致钢筋保护层顺筋 向 裂缝 、剥落 ，从而降低结构的承载力和稳定性 ， 严重危及结构安全。在安图水库混凝土建筑物运 行 中，受本地 区属高寒 山区条件影响 ，加上建设 时间早 ，当时技术条件及施工条件 限制 ，造成混 凝土浇筑质量较差等方面原因 造成 了较大范 围 混凝土剥蚀 ，骨料外露 ，局部钢筋外露锈蚀 。为 使混凝土修补方案科学合理 ，建设单位与中国水 电科学研究签定 了 安图水库除险加固工程混凝 土质量检测及修补方案技术咨询合同 ，委托其 对对需修补加 固部 位混凝 聚土进行 了现场检测 。 并 出具了修补方案。 2 o o 2年 9月 ，对水库泄洪洞进水塔 、泄洪洞 洞身和 出口处 的底板与边墙 、输水洞进水塔等混 凝土进行了混凝土强度 、混凝土碳化深度 、钢筋 锈蚀状态三方面检测 。检测情况如下 ： 2 2混凝土 强 度检 测 通过采用 回弹法进行无损检测 ，根据 水工 混凝 土试验规 程( D L r r 5 1 5 0 2 0 0 1 )回弹法检 测混凝土抗压强度的方法进行 。应用 的仪器为重 型 回弹仪 。除此之外 ，还对泄洪 洞和输水洞工程 具有代表性 的部位 ，钻取了 9个混凝土芯样 ，加 工 成 直 径 1 0 0 x l 0 0 m m 圆柱体 抗 压 试 件 。按 照 水工混凝土试验规程 ( O L t r 5 1 5 0 2 0 0 1 )混凝 土芯样强度试验方法 ，实测混凝 土抗压强度 ，并 对 回弹法推定的混凝土强度加以复核。 2 3 混凝 土碳 化 检测 混凝土碳化测试方法按照 普通混凝 土长期 性能和耐久性能试验 ( G B J 一 8 2 8 5 )有关规定 进行。 2 4 钢筋锈蚀检测 本 次钢筋锈蚀 的检测按照 水工混凝土试验 规 程 ( D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 )有关混凝 土 中钢筋半 电池电位方法 ，采用 G X Y 一 1 A钢筋锈蚀测量仪进 行 。 2 5 检 测结 果 泄洪洞的进水塔 、洞身和出 口处 的底板与边 墙混凝土浇筑质量较差 ，冻融破坏较严重 ，多处 出现较大范 围混凝 土剥蚀 ，骨料外露 ，局部钢筋 外露锈蚀 ，混凝土平均剥蚀深度达 5 e ra，最大深 度大于 1 0 e ra，其中尤 以进水塔水位变化 区混凝土 冻融破坏最为严重 。混凝土抗冻性能不满足工程 要求 。泄洪洞进水塔塔身高程 3 8 2 8米处水 平施 工缝 已明显开裂， 最大缝宽 5 e ra。应用 回弹法检测 的泄洪洞和输水洞 的混凝土强度推定 值也均大于 C 2 0 ， 目前 尚能满足 原混凝土设计强度要求 ，但 是在泄洪洞进水塔 、泄洪洞左岸孔左侧边墙等部 位混凝土强度分布很不均匀。 输水洞进水塔水位变化区混凝土冻融破坏严 重 ，大量骨料外露 ，局部 钢筋锈蚀。输水洞洞身 发现大小渗漏 3 8处 ，其 中 1 处严重渗漏 ，1处混 凝土有淘空现象。 从泄洪洞和输水洞各部位钻取的混凝 土芯样 的抗压强度试验结果表 明混凝土实 测抗压强度 均大于 C 2 0 。但是 由于混凝土浇筑质量较差 ，芯 样表里强度存在明显差异 。混凝土均匀性差。 结论 ：由检测结果可知 。安图水库泄洪洞与 输水洞混凝土碳化程度较为严重 ，平 均碳化深度 已达 7 2 4 mm。尤其是在泄洪 洞出口附近碳化深 度高达 4 5 5 m m。而该工程一般混凝 土施 工保护 层厚度仅为 1 5 2 0 m i l l ，不满足设计要求 ；安图 水库混凝土建筑物局部外露钢筋有锈蚀现象 ，为 防止建筑物混凝土碳化深度的进一步发展 ，应采 取防护措施 ，对于已锈蚀的钢筋必须进行处理。 3 混凝土建筑物修补加固 3 1混凝土结构修 l, J J n 固技术指标及 混凝土配合 比设 计 根据检测结果 。并 考虑建筑物的运行 工况和 自然环境 的影响 ，按 照相关 设 计规范，确定 设 计指 标 ，利 用 当地 材料 ，对所设 计 的砼( 砂 浆 )配合 比进行 实验 ，经实验达到相关 指标 后 ， 按照施工技术及工艺要求进行施工 。 3 1 1 技 术指标 根据混凝土建筑物 的检测结果 。并考虑建筑 物的运行工况和 自然环境的影 响 ，依据 水工混 凝土设计规范S I T1 9 1 -9 6 ； 水工建筑物抗冻 设计 规范 S I r 2 1 1 9 8 ； 水 工混 凝土 施工 规 范D L t r 5 1 4 4 -2 0 0 1 ； 水工混凝土试验规程 D DT 5 1 5 o _ _ 2 0 0 1 ； 水 工 混凝 土砂 骨 料 试 验 规 程 D 【 ， r 5 1 5 1 2 o o 1等要 求 ，修 补加 固混 凝 土 ( 砂浆)设计指标为 ： 一 5 9 吉林水利 高抗冻、抗裂混凝土 ( 砂浆 )在水库除险加固工程中的运用孙风华等2 0 1 1 年 O 8月 1 )高抗冻混凝土设计强度等级 C 2 5 ；抗冻性 中掺用 聚 丙烯纤 维 防裂技 术 。粗 骨料 粒径 5 一 能 F 3 0 0 ；抗渗标号 W8 。 1 0 ra m，和 1 0 _ 一 2 0 mi l l ，掺用比例为 1 ：l 。 2 )纤维 聚合 物砂浆 设计指标( 2 8天 )为 ： 混凝 土设计强度 等级 C 2 5 ，考虑 9 5 的施 工 设计抗压强度 2 5 MP a ；抗冻性能 F 3 0 0；抗渗标号 保证率 ，一般控制水平取 0 - 4 0 Mp a ，2 8天施工 W8 。 保证抗压强度 3 1 6 Mp a 。抗冻性能 F 3 0 o ；抗渗标 3 )新 老 混 凝 土 界 面 粘 接 剂 粘 结 强 度 号 W8 ，含气量 6 8 ，坍落度 6 - - 8 c m 。 2 MP a 。 3 1 2 2 泄洪洞洞身、底板修补聚合物砂浆 根据以上指标要求， 采取如下技术路线和试验 泄 洪 洞 洞 身边 墙 凝 土距 底 板 l m 范 围凿 除 设计 3 e m。泄洪洞 出口保温门槽 附近边墙混凝 土冻融 1 )采用优质减水 剂和引气剂 ，保 证混凝 土 剥蚀较严重 ，在 向上游 5 m范围内 ，表面全部凿 ( 砂浆)既满足较高的强度要求 ，又有很好的抗冻 除 3 e ra。洞身底板表面凿除 3 e m。凿 除部位全部 性。 回填纤维聚合物砂浆。纤维聚合物水泥砂浆具有 2 )选用 4 2 5级普通硅酸盐水 泥和现场材料。 弹模低 、抗拉强度高 、抗冻 和抗冲耐磨性好的特 3 )采用加掺 聚丙稀纤 维技术 ，提高混凝 土 点。 ( 砂浆)早期防裂性能。 纤维聚合物砂浆设计抗压强度 2 5 MP a ，考虑 4 )采用混凝 土表 面粘 接剂 ，加 强新 、老 混 9 5 的施工保证率 ，一般控制水平取 = 4 0 Mp a ， 凝土的黏接性能。 2 8天 施 工 保 证 抗 压 强 度 3 1 6 MP a 。抗 冻 性 能 3 1 2 混凝土配合比设计 F 3 0 o ；抗渗标号 W8 ，含气量 6 一8 ，稠度 3 3 1 2 1 引水洞、泄洪洞进水塔塔 身修补混凝土 5 e m 。 引水洞 、泄洪 洞进水 塔塔身 表面凿 除 5 e m， 3 2 材料 回填时再沿厚度方向向外延深 5 c m，实际 回填混 修补混凝土使用材料按照就地取材 的原则 ， 凝土厚度 1 0 e m，设计采用一级配高抗冻混凝土。 选用指标见表 1 。 为有效控制早期混凝土微裂的产 生 。采取混凝 土 水泥 ：吉林省汪清县庙岭牌 4 2 5级普通硅酸 表 1 修 补 混凝 土取 材 指 标 砂 水工混凝土施工规范 石 5 1 0 n 1 l l l 石 1 o - 2 0l 11 l Il 水工混凝土施工规范 3 5 宜 2 2 - 3 0 ， 05 4 5 3 071 0 7 0 l 1 6 7 | 1 0 7 l _O1 ， 盐水泥。 粗骨料 ：当地碎 卵石 5 1 0 m m。砂 ：当地河 砂 ，细度模数 F M= 3 5 。 外加 剂 ：北京 中水科海 利工程 有 限公 司产 S K - 2 Y高效减水剂 、S H H引气剂 ，性能见表 2 。 聚丙稀纤维 ：北京 中水科海利工程有 限公司 与中纺合作开发品， 性能见表 3 。 混凝 土表面粘接剂 ：北京海利工程有 限公司 配制的强度2 MP a 。 3 3试 验 试 验依 据 水工 混凝土 试验 规程 D L T 5 0 1 5 2 0 0 1 、 水 工混凝土砂石骨料试验规 程 一 6 0一 D I J 厂 r 5 1 5 1 2 0 0 l 和有关规定和经验等进行。 3 3 1 混 凝 土配合 比和 混凝 土性 能试 验 混凝土水灰 比选定为 0 4 5 ，通过试拌 、调整 混凝土和易性及坍落度试验及含气量试验 ，配 比 编号 A T 一 1的是 一 级配 混 凝 土 ，石 子 粒径 5 1 0 ra m，聚丙稀纤维用量 0 9 k g m 3 ，含气量 7 0 ， 坍落度 6 5 e ra。配 比编号 A T 一 2的是小 石混 凝土 ， 石子粒径 5 1 0 mm，含气量 7 2 ，坍落度 7 0 e m ， 具体见表 4 。 混凝土抗压 、抗渗性 、抗冻性能试验 。试验 结果表明，满足设计要求 。见表 5 、表 6 。 3 3 2聚合物砂浆浆配合 比和试验结果 吉林水利 高抗冻、抗裂混凝土 ( 砂浆)在水库除险加固工程中的运用孙风华等2 0 1 1 年 O 8月 配 比编号 每立方米材料用 量 水灰比 水 k g 水泥k g 砂率 砂 k g 石子 k g 纤维 k g 丙乳 k g 减水剂 引气剂历含气量 坍落度 c m 试件 编号 水灰 比 水 k g 砂灰 比 水泥 k g 砂 k g 纤维 k g丙乳 k g减水剂 引气荆 ， 万 舍气量 稠度 锄抗压强 度 Mp a抗 渗标号 A 卜 S 0 3 2 1 6 7 2 5 5 22 1 3 0 6 09 1 0 4 08 1 76 5 0 3 3 1 W8 通 过试 拌、调整砂浆 的稠度试 验和含气量 、 乳液掺量试验 ，符合要求 的配合 比见表 7 。配 比 编 号 A T S聚合 物砂 浆 ，含 气 量 8 2 ，稠 度 5 c m。砂浆抗压 、抗渗和抗冻性 能试验 ，试验 结 果表明满足设计要求。 3 4 修补施工技术及工艺要求 3 4 1 输水洞、泄洪洞进水塔塔 身 1 )混凝 土凿 除 5 c m至坚硬表面后 ，清洗 干 净。然后布筋，以纵、横方向安置间距为 5 0 c m， 直径 q 3 2 0 c r l l 的锚 固钢筋 。钢筋锚 固深度不 小于 2 5 c m，外 露长度 7 c m，并用 快速锚 固剂锚 固。 绑扎 q o 6 c m钢筋网 ，间距 2 5 x 2 5 c m，预 留钢筋保 护层 4 c m。 2 )支立混凝土模板 ，插筋也可用于支撑模板 的拉筋 ，混凝土浇筑厚度 1 0 c m。在 进行混凝土 浇筑作业时 ，上 、下浇筑不得 出现冷缝 ，浇筑层 面的等待时间应不大于 2小时 上、下层混凝土 的震捣按相关规程进行 。 3 4 2 泄洪洞洞洞身混凝土底板、侧墙局部淘刷 剥落等部位 1 )剥 落深度小于 3 c m 的混凝土 ，凿除表 面 3 c m至坚硬混凝土表面清洗干净 清理后的混凝 土表面涂表面粘接剂后 ，涂抹纤维聚合物水泥砂 浆 ，厚度与原混凝土面平齐 。涂抹聚合 物水泥砂 浆表面凸凹平整度不大于 5 c m如遇有钢筋锈蚀 破坏还应进行钢筋的防锈处理 。 一 6 1 吉林水利 高抗冻、抗裂混凝土 ( 砂浆)在水库除险加固工程中的运用孙风华等 2 0 1 1年 O 8月 2 1对 于剥 落深度大于 5 e m 的冲坑及两侧 冲 沟的混凝土部位 。凿除破坏 的混凝土至坚硬 的表 面 ，凿除部位 的边缘 ( 立面)要求尽量垂 直于底 平面 ， ( 与底平面夹角不大于 1 2 0 。 C) 。表面清洗 干净 。然后在混凝土表面涂刷表面粘接剂 ，必要 时 ，还需在原混凝土安置锚筋 以加 固新老混凝土 的黏结 ，锚 筋长度 以距混 凝土表 面 3 c m 为宜 ， 锚 固深度不小于 2 0 C I I 1 。充填小石混凝土并震捣 密实 ，其表面与原混凝土表面低 3 e m，并做成毛 面再 涂刷表 面粘接剂 。涂抹 纤维 聚合物 水泥 砂 浆 ，厚度与原混凝土面平齐 ，表面凸凹平整度不 大于 5 c m。 3 4 3混凝 土( 砂 浆 )浇 筑 温度 混凝土 ( 砂浆)浇筑期 间 ，环境最低温度应 在 0 o C以上 ，混凝土模板拆除 时间不 早于 7 2小 时 ，并应及时采取保温保湿养护工作。 3 4 4混凝 土伸缩 缝及 裂缝 处 理 泄洪洞 、输水洞伸缩缝 对有漏水处 的伸缩 缝 进行化 学灌浆 防渗处理 ( 遇水膨 胀类材 料 ) 。 其它老化及破损伸缩缝 。凿 除老化混凝 土及破坏 的止水材料 ，并采用 G B复合三元 乙丙胶板恢复 伸缩缝的止水。 泄洪洞 、输水洞裂缝 ，大于 0 2 m m裂缝进行 化 学灌浆处 理 ，灌浆压 力不 大 于 0 4 NP a 。小 于 0 2 m m裂缝凿 4 5 c m宽 3 -4 e ra深槽 。回填柔性 聚合物水泥砂浆封缝处理。 在以上修补施工过程 中 。中国水 电科学研究 院派 出驻现场技 术代表 ，对 各施工 环节进 行把 关 ，确保了工程保质保量及时完工。 一 6 2 4 完工 时部分 混凝土 补强检测结果 检测部位 ：泄洪 洞 1 # 3 #孔底板及侧 墙 。龄 期 9 0天 ，加 固处理聚合物纤维砂 浆抗压强度见 表 9 。 泄洪 洞洞 身 内壁 聚合 物砂 浆补 强平 整度抽 检 。抽检结果聚合物砂浆抹 面平整度满足规范要 求 ，同时光滑无麻面。具体见表 1 O 。 5 运 用后效果 安图水库水工建筑物混凝土加 固补强于 2 0 0 3 年 9月完成 ，历经七年多的运行 ，输水洞 、泄洪 洞进水塔塔身及洞身砼补强部位抗冻、抗效果明 显 。特别是塔身水位变化 区未出现剥蚀 、开裂等 情况。可成功用于相关工程 中。 6结语 水库输、泄水建筑物在运用过程 中，受北方 寒冷气候的影响 ，水位变化 区混凝 土受冻融破坏 严重 。在加 固中采用高抗冻 、抗渗混凝土解决 了 常规混凝土易受冻融破坏的困扰 该技术施工工 艺简单 ，工程施工进度快 ，经运用实践 ，混凝土 效果理想。不足之处是采用聚合物砂浆补强 ，造 价相对较 高为 2 0 0元 平方 米 。但 综合 效益 比可 取 口