水工混凝土结构的检测与分析.pdf

2 0 1 0年 第 7 期 (总 第 2 4 9 期 ) N u mb e r 7i n 2 0 1 0 ( T o t a 1 No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL T ECHN0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 4 4 水工混凝土结构的检测与分析 刘超英 ，戚诚华，付磊 ( 浙江省水利河 口研究院，浙江 杭州 3 1 0 0 2 0 ) 摘要 ： 为了解水 闸老化病害的程度和原因， 按照规范要求对该水 闸混凝土结构进行外观质量 和耐久性检测分析 。结果表 明： 水闸混凝 土结构外观破损 明显 ， 露 石露砂 、 顺 筋裂缝 、 钢筋锈蚀 、 混凝土破损剥落等现象严重 ； 引起破坏的主要原 因是混凝土施工质量较差 ， 钢筋保 护层厚度不足 ， 钢筋保护层混凝土碳化引起钢筋锈蚀 、 混凝土胀裂 ， 而水流 冲刷磨蚀 是水闸过流结构破坏 的主要形式。 关键词 ： 水 闸；混凝土结构 ；混凝土碳化 ；钢筋锈蚀 ；水工建筑物检测 中图分类号： T U5 2 8 0 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 1 3 2 0 3 一 I n s pe c t i on a nd a na l ys i s of c on c r e t e s t r uc t ur e s L I UC h a o - y i n g ， Q i C h e n g - h u a ， F UL e i ( Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c s a n d E s tua r y， Hang z h o u 3 1 0 0 2 0 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Toi n v e s t i g a t et h ed e g r e eo f a g i n ga n dc a u s e s of t h ed a ma g e s ， an i n s p e c t i o na n dana l y s i s wa s ma d eo nt h ea p p a r e n t q u a l i t ya n dd u r a b i l i ty o f t h e c o n c r e t e s t mc tur e s a c c o r d i n g t o t h e r e l e v a n t c r i t e r i a Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d am a g e s t o t h e a p pe a r a n c e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s e x p o s e d t o a t mo s p h e r e ， i n c lu d i n g h o n e y c o mb i n g ， c r a c k i n g a l o n g r e b a r ， r e b a r c o r r o s i o n ， a n d c o n c r e t e d e l a mi n a t i o n ， a r e q u i t e s e r i o u s ， that t h e p o o r q u a l i ty o f 6 o n c r e t e c o n s t r u c t i o n， t h ei n s u ffi c i e nt t h i c k n e s s o f l o c a l c o n c r e c o v e r ， an dt h er e b a rc o r r os i o ne x p an s i o nan dd i l a t a n c yi nd u c e db yc a r b o n i z a t i o nof c o n - c r e t e c o v e r a r e the m a i n c a u s e s ， a n d that t h e m a i n f o r m of d a ma g e s t o t h e o v e r flo w s t r u c tur e i s the a b r a s i o n r e s u l t e d f r o m wa t e r s c o u rin g Ke y wor ds ： s l u i c e ； c o n c r e s t r u c t ur e ； c a r b o n i z a t i o n o fc o n c r e t e ； r e b a r c o r r o s i o n； i n s p e c t i o n o f hy d r anl i c s t r u c tur e 0 引言 水工混凝土中的钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性 的一个重要问题， 也是水工建筑物安全鉴定过程中经常遇到的 问题。多年来 ， 许多水工混凝土建筑物由于耐久性不良而引起 的工程损坏事例不断发生， 由此造成巨大的经济损失。在实际 工程中， 常见大坝、 水闸、 桥梁等钢筋混土结构因钢筋锈蚀而引 起混凝土膨胀开裂和钢筋保护层脱落 ， 致使结构承载力下降甚 至危及水工建筑物安全， 因此， 必须引起高度重视f】 1 。 马山闸位于浙江省绍兴县孙端镇曹娥江出口左岸侧， 萧绍海塘 K 8 8 + 3 9 0 处， 与新三江闸等其他水闸共同承担着萧绍平原1 5 8 2 k m 的排涝任务， 水闸建成后增加河网蓄水量 1 4 0 0 万 m3 相应提高了 农田的抗旱能力。 该工程于 1 9 6 3 年 8 月竣工并投入运行。 全闸 共分 6孔， 每孔高 6m， 净宽 8 m， 闸孔总净宽 4 8m。左岸设有 2 0 2 mx 6 1 mx 5 5 m钢筋混凝土空箱和翼墙， 右岸空箱分上、 下两 层，下层为2 0 2 mx 6 1 mx 5 5 m钢筋混凝土空箱，内设 2 T x 2 5 T、 Q P Y液压顶杆式启闭机操作室， 上游侧设有与标准海塘连接的公 路桥， 下游侧分二层布置， 底层为检修平台， 二层为弧形钢闸门操 作室。 经过 4 5 年的运行， 该闸混凝土结构老化、 碳化、 钢筋锈蚀、 破 损严重。 笔者按照相关规范， 对该水闸混凝土结构进行耐久性检测 和分析， 以便为工程的安全运行和技术改造提供可靠的技术依据。 1 检 测 内容及依据 1 1 检 测 内容 ( 1 ) 对水闸水上部分混凝土结构外观质量进行全面检查， 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 - 0 1 l 32 检查项 目包括混凝土表面缺陷、 异常变形和破损 ； 对水闸水下 部分混凝土结构如闸墩 、 闸底板、 消力池 、 护坦等进行水下电视 检测。 ( 2 ) 选择典型的闸孔进行重点检测。检测内容包括主要构 件的混凝土强度、 混凝土碳化深度、 钢筋保护层厚度、 钢筋锈蚀 状况 。 1 2检测依 据 检测所依据的标准、 规范有： S L 2 1 4 -1 9 9 8 ( 水闸安全鉴定 规定 ； S L 1 9 1 -2 0 0 8 ( 水工混凝土结构设计规范 ； S L2 6 5 2 o 0 l 水闸设计规范 ； S L3 5 2 -2 0 0 6 水工混凝土试验规程 ； C E C S 0 3 ： 8 8 钻芯法检测混凝土强度技术规程) ； J GJ T2 3 _ 2 0 0 1 回弹法检测 混凝土抗压强度技术规程 。 2检 测 结果 2 1 外观质量检测结果 使用测尺、 裂缝读数显微镜、 照相机、 水下电视等工具， 采 用直观量测、 外观质量描述、 拍照及局部打开方法检测混凝土 结构物施工缺陷、 裂缝、 混凝土剥落等破损程度及其分布。 ( 1 ) 闸墩。各孔闸墩在水位变化区混凝土剥落， 石子裸露严 重。各闸墩分缝处均有不同程度的拉开， 缝内沥青老化及脱落 现象明显。闸墩分缝最大拉开处达 4 0 c m。上游 2 孔右闸墩上 部局部破损。 下游 6 孔边墩上部局部钢筋锈胀 ， 混凝土剥落， 钢 筋裸露并严重锈蚀。 ( 2 ) 钢筋混凝土闸门。各孔钢筋混凝土闸门底部混凝土剥 落现象比较普遍并且较严重。6 孔闸门顶梁局部严重破损 ， 主 筋已经露出并严重锈蚀。4 孔闸门 2号梁混凝土局部蜂窝严 重， 松散不密实。 ( 3 ) 胸墙。各孔胸墙局部混凝土剥落、 石子裸露严重。4 孔 胸墙钢筋锈胀， 混凝土剥落， 有 1 2 根纵向钢筋裸露并严重锈蚀。 6 孔胸墙上部局部严重破损， 横向钢筋已经露出并且严重锈蚀。 ( 4 ) 外江侧立柱。外江侧各孔立柱混凝土剥落、 石子裸露严 重。3 孔 、 4 孔、 6 孔立柱钢筋锈胀 ， 混凝土剥落， 主筋露出并严 重锈蚀 ， 成片剥落。4 孔与 5 孔、 2 孔与 3 孔立柱之间分缝明 显拉开， 最大缝宽 4 c m。 ( 5 ) 工作桥。桥面混凝土剥落剥落、 石子裸露严重。各孔工 作桥桥梁底面普遍存在钢筋锈胀， 混凝土剥落， 露筋， 钢筋严重 锈蚀， 成片剥落现象。 ( 6 ) 启闭机大梁。各孔启闭机大梁底面均存在钢筋锈胀， 混 凝土剥落， 主筋、 箍筋露出， 钢筋严重锈蚀， 成片剥落现象。 ( 7 ) 启闭机大梁下排架。各孔启闭机大梁下排架柱及排架 柱间联系梁局部混凝土剥落， 石子裸露严重。 4 孔左排架柱钢筋 锈胀， 混凝土剥落严重。 ( 8 ) 公路桥。各孔公路桥桥梁底面普遍存在钢筋锈胀， 混凝 土剥落， 主筋、 箍筋露出， 钢筋严重锈蚀 ， 成片剥落现象， 少量箍 筋已锈断。 各孔公路桥排架柱及排架柱间联系梁局部混凝土剥 落， 石子裸露严重。 ( 9 ) 翼墙。上 、 下游左、 右岸翼墙混凝土在在水位变化区局部 混凝土剥落， 蜂窝， 石子裸露严重。翼墙分缝大都拉开， 最大拉开 9 e m， 上部的混凝土挡墙分缝最大拉开 1 0 e m。 上部的混凝土栏 板已严重破损 ， 破损范围长 3 5 m。 下游左岸翼墙有 1 条垂直裂 缝， 缝宽 3 e m， 上部的混凝土挡墙有4条裂缝， 缝宽 0 3 0 5 mm， 局部严重破损 。下游右岸翼墙混凝土局部严重破损。 ( 1 0 ) 启闭机控制房。各孔间立柱分缝拉开明显， 最大缝宽 5 0 e m。各立柱左、 右侧地面都存在横向裂缝， 上、 下游贯穿， 缝宽 0 , 5 mm。 5 孔左侧上游立柱有 1 条斜裂缝， 缝宽0 , 4 mm。 启闭机控 制房楼板底面钢筋锈胀， 混凝土剥落， 钢筋露出并严重锈蚀。 ( 1 1 ) 水下部位( 闸墩、 闸底板、 消力池、 护坦) 。 上游 1 孔闸底 板与护坦分缝处错缝 ， 错位约 2 e m， 错位长约 3 0 IT I 。上游 3 孔 5 孔闸室底板与左墩分缝处拉开、 沥青脱落， 缝宽 3 0 4 0 c m。 下游 1 孔闸室底板与消力池分缝处拉开、 沥青老化， 局部 冲刷脱落， 缝宽 2 0 , 4 0 e m。 消力池与翼墙连接处有 1 条缝， 上 、 下游走向， 缝宽 1 0 2 0c m。下游 3 孔消力池右侧底板顺水流向 有长约 0 8 0IT I ， 宽 0 3 0 4 m， 深 2 0 3 0 c m冲刷槽。 下游 5 孔闸 室底板与左墩分缝处拉开、 沥青脱落， 缝宽 2 0 3 0 C l T I 。 5 孔闸室 底板与右墩分缝处拉开、 沥青脱落， 缝宽 2 0 3 0 e m。 2 2重 点检 测结 果 2 2 I 混凝土碳化深度 在回弹法测定强度的测区， 用冲击钻在被测试构件表面打 孔 ， 清除钻孔中粉末， 在孔内喷涂酚酞试剂， 用游标卡尺量测得 的表层不变色混凝土的厚度即为混凝土碳化深度。典型的闸孔 主要结构混凝土碳化深度检测结果见表 1 。 表 1 主要结构 的混凝土碳化深度检测结果 mm 由表1 可见： 除闸门混凝土碳化较小外， 其余结构混凝土碳 化程度较严重， 碳化深度从十几毫米到六十几毫米。同一结构 的不同构件， 以及同一构件不同部位混凝土碳化深度均有明显 的差别， 这表明其混凝土密实性差别大， 质量不均匀。 2 2 2 混凝 土强度 对马山闸闸墩采用钻孔取芯法检测混凝土抗压强度 ； 对 闸 门顶梁、 胸墙、 外江侧挡浪墙、 外江侧立柱、 工作桥桥梁、 启闭机 大梁 、 启闭机大梁下排架柱 、 公路桥桥梁、 公路桥排架柱采用回 弹法检测混凝土抗压强度。 钻芯法检测结果见表 2 。 回弹法检测 闸室底板与右墩分缝处拉开 、 沥青脱落， 缝宽2 o 3 0 c m。 上游 结果成果见表 3 。 表 2 钻芯法抗压强度检 测结果 由表 2可见 ： 钻孔取芯检测的闸墩混凝土抗压强度满足设 计要求， 并且满足现行规范 S L 1 9 1 2 0 0 8规定的耐久性要求。 由 表3可见： 被检测构件测试龄期回弹强度推定值均满足设计要求。 除 1 孔公路桥桥梁 、 外江侧立柱外， 其余被检测构件测试龄期回 弹强度推定值均满足现行规范S L 1 9 1 2 0 0 8 规定的耐久性要求。 强度测量值有一定程度离散。同一类结构不同构件之间及同一构 件不同测区的强度均有较大不同。各类结构强度离散程度有所不 同， 胸墙， 公路桥排架柱、 外江侧立柱部分构件离差系数较大， 可能 是当时施工质量控制不严， 也可能所受老化侵害程度不同， 导致 目 前混凝土质量状况不均匀， 并且 1 孔公路桥桥梁、 外江侧立柱的 混凝土强度不符合现行规范 S L 1 9 1 2 o 0 8 规定的耐久陆要求。 2 2 3 钢筋保护层厚度 在主要构件的钢筋部位选若干测点， 用钢筋保护层厚度测 定仪测定保护层厚度部分测点用冲击钻除去表面混凝土， 量测 钢筋保护层厚度作为校核。检测结果列于表4 。 从表 4 成果可 见 ， 钢筋保护层厚度测量值离散较大， 闸墩 、 启闭机大梁下排架 柱 、 公路桥排架柱 、 外江侧立柱 、 外江侧挡浪墙钢筋保护层厚 度满足现行规范 S L 1 9 1 2 o 0 8规定的耐久性要求。启闭机大 梁、 闸门顶梁、 胸墙、 公路桥桥梁 、 工作桥桥梁不满足现行规范 S L 1 9 1 -2 0 0 8规定的耐久性要求。 2 2 4 钢筋锈蚀率 选择不同破坏程度的构件， 凿去表层混凝土直至露出已锈 】 33 表 3回弹法检测 混凝土抗压强度检测 结果 表4 混凝土保护层厚度检测结果 I n n 蚀钢筋 ， 清除钢筋表面锈蚀产物， 用游标卡尺测量锈蚀后钢筋 剩余直径， 对照设计值计算钢筋截面积损失率。各类结构中钢 筋锈蚀后截 面积损失率抽样检测结果见表 5 。 由表 5可见， 钢筋混凝土结构中钢筋均已出现不同程度的 锈蚀，其中公路桥桥梁钢筋锈蚀最严重， 3 孔公路桥桥梁主筋 最大截面损失率达 1 7 7 8 ， 箍筋已锈断。启闭机大梁主筋最大 截面损失率达 1 3 4 1 ， 箍筋最大截面损失率达 2 4 1 3 。 胸墙主 筋最大截面损失率达 1 4 4 1 ， 外江侧立柱主筋最大截面损失率 达 1 5 8 2 ， 工作桥桥梁主筋最大截面损失率达 1 0 2 6 。 3 检 测结果分析 对马山闸混凝土结构的检测表明， 水上钢筋混凝土结构外 表 5 钢筋锈蚀损失率抽样检测结果 观缺陷明显， 如顺筋裂缝 、 露石露砂、 钢筋锈蚀、 混凝土剥落等 耐久性不足问题是该水 闸混凝土结 构的主要破坏形式。此外水 闸混凝土结构还存在以下几种破损： 闸墩 、 翼墙、 闸底板等部分 结构有轻微的位移和不均匀沉降现象； 下游消力池等过流结构 在水流的冲刷作用下发生一定程度磨蚀。 钢筋保护层厚度测量值离散较大， 启闭机大梁、 闸门顶梁、 胸墙 、 公路桥桥梁、 工作桥桥梁不满足现行规范 S L 1 9 1 2 o 0 8 规定的耐久性要求。从表 1 所示的混凝土碳化结果来看， 这些 结构的部分测点碳化深度超过了最小保护层厚度。因此， 施工 质量控制不严， 偏筋严重 ， 局部钢筋的保护层厚度严重不足； 混 凝土质量不均匀， 局部混凝土碳化较严重 ， 超过钢筋保护层厚 度， 是导致该水闸混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因【 3 】 。 钢筋与混凝土之间的锚固力主要来自两者的黏结及变形钢 筋的横肋对混凝土的咬合作用， 若锈蚀严重使钢筋截面积减小， 势 必会降低其力学性能。钢筋截面积损失大于 1 0 、 小于6 0 H ， 各 项力学性能严重下降rz 。 检测结果表明， 该闸各类钢筋混凝土结构 中钢筋均已出现不同程度的锈蚀， 公路桥桥梁、 启闭机大梁、 胸墙、 】 3 4 外江侧立柱、 工作桥桥梁钢筋锈蚀严重， 有的甚至成片状剥落。公 路桥桥梁钢筋锈蚀最严重处 ， 主筋截面损失率达 1 7 7 8 ， 箍筋已 锈断。由此可见 ， 必须对公路桥桥梁 、 启闭机大梁、 胸墙 、 外江侧立 柱、 工作桥桥梁钢筋锈蚀严重的构件进行维修加固。 就 马山闸混凝土结 构来 说 ， 混凝土质量 控制不严 ， 局部钢 筋的保护层厚度不足， 混凝土碳化深度超过保护层厚度， 混凝 土碳化导致钢筋锈蚀胀裂， 是造成水工钢筋混凝土破坏、 耐久 性不足的主要原因。因此， 为了有效提高水工钢筋混凝土结构 的耐久性， 在设计时应严格执行现有标准； 在施工中应采取有 效措施防止钢筋跑位、 偏筋 ； 在对预制件进行安装前应进行保 护层厚度检测， 确保保护层厚度达到设计值 ； 施工中应使用抗 渗透性能好的混凝土， 以提高混凝土结构的抗碳化能力 。 4结 论 ( 1 ) 马山闸运行 4 5年来 ， 整体结构老化， 存在安全隐患。 ( 2 ) 水闸闸墩、 翼墙 、 闸底板等部分结构有轻微的位移和不 下转第 1 3 8页 表 2 混凝土自约束的应力计算表 T d E , MP a AT * C 1 - 1 C h ( 2 ) A o - MP a MP a Rf ( z ) MP a 上接第 1 3 4页 均匀沉降现象。 ( 3 ) 下游消力池等过流结构在水流的冲刷作用下发生磨蚀 损坏。 ( 4 ) 水上( 大气中) 钢筋混凝土结构混凝土外观缺陷十分明 显， 如顺筋裂缝 、 露石露砂、 钢筋锈蚀 、 混凝土剥落破损等 ， 局部 已十分严重。 ( 5 ) 钢筋混凝土结构的混凝土强度、 碳化深度和保护层厚 度等参数抽样检测结果的离散性较大， 表明马山闸建造时的混 凝土质量不均匀， 施工质量较差。 ( 6 ) 水闸水上( 大气中) 部位钢筋混凝土结构破损、 耐久性 不足的主要原因是混凝土质量控制不严 ， 偏筋严重， 局部钢筋 的保护层厚度不足； 局部混凝土碳化深度超过保护层厚度， 导致 钢筋锈蚀胀裂。 ( 7 ) 公路桥桥梁 、 启闭机大梁、 胸墙、 外江侧立柱、 工作桥桥 1 3 8 现裂缝。 在混凝土基底约束引起的应力计算中， o r R r( z ) ， 说明 混凝土抗拉强度足够。同时根据温度变化曲线和应力变化趋 势， 混凝土在 1 7 d以后抗拉强度均大于混凝土冷缩应力， 混凝 土不会产生温度裂缝 。 以上计算数值， 出现一种特殊情况， 温度继续变化 ， 但应力 变化很小或出现负增长， 这是由于混凝土徐变引起的应力松弛。 因此控制降温速率， 温度应力就可以控制， 温度裂缝可以避免。 可以分析， 当降温速率达到 4C d时， 就可能出现混凝土的即 时拉应力超过抗拉强度的情况， 说明大体积混凝土工程施工技 术规程规定降温速率不宜大于 3 d 是科学合理的。 4结语 由于地方材料的限制 ， 本工程中混凝土配合比的水泥采用 普通硅酸盐水泥 ， 致使混凝土的温度和温差偏大， 结构可能产 生温度裂缝。大体积混凝土结构应首选采用矿渣水泥 、 火山灰 水泥、 粉煤灰水泥等低热水泥品种 ， 并应根据混凝土配合比进 行混凝土内部最高温度和内外温差计算， 控制各个温度指标在 规范以内。在混凝土硬化阶段应采取保温 、 保湿养护， 严格控制 降温速率。通过对大体积混凝土硬化过程的应力计算， 量性地 分析了混凝土温度变化和混凝土产生裂缝的对应关系， 为大体 积混凝土温度控制提供理论依据并对大体积混凝土施工起指 导作用。 参考文献 ： 1 1 D B 3 3 T 1 0 2 4 -2 0 0 5 ( J 1 0 6 5 5 -2 0 0 5 ) ， 大体积混凝土工程施工技术 规程 s 1 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 2 l王铁梦 工程结构裂缝控制【 M 1 C 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 【 3 曲德仁 混凝土工程质量控S U M 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 【 4 冯乃谦， 顾晴霞， 郝挺字 混凝土结构的裂缝与对策 M 】 E 京 机械工 业出版社 ， 2 0 0 6 【 5 】 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 北京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 作者简介： 林永秋( 1 9 6 7 一 ) ， 男， 工程师。 单位地址： 温州大学( 茶山校区) 校产与后勤管理处基建科( 3 2 5 0 3 5 ) 联 系电话 ： 0 5 7 7 8 6 6 8 0 7 7 6 梁等部分构件钢筋锈蚀胀裂严重， 需进行维修加固处理。 参考文献： 【 1 】 李为杜混凝土无损检测技术【 M J 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 5 ： 1 2 9 - 1 3 5 【 2 王巧平 ， 吴胜兴 无损检测技术在锈蚀混凝土结构中的应用探讨 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 2 3 2 5 3 张誉， 蒋利学， 张伟平 ， 等 混凝土结构耐久性概论【 M 】 上海 ： 上海科 学技术出版社， 2 0 0 3 ： 1 5 6 1 6 3 4 1 柏宝忠， 王以仁 影晌水工建筑物耐久性的主要因素及预防对策 水利水电技术， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 7 2 7 4 作者简介 单位地址 联 系电话 刘超英( 1 9 5 8 一 ) ， 男， 硕士， 教授级高级工程师， 主要从事水 工结构及岩土工程研究工作。 杭州市凤起东路5 0 号 浙江省水利河口研究院0 1 0 0 2 0 ) 0 5 7 l 一 8 6 4 3 8 0 5 5