郭增江

（山西省大同市孤山水庫管理處，山西大同037000）

山西大同御河橡膠壩混凝土凍融破壞處理技術

郭增江

（山西省大同市孤山水庫管理處，山西大同037000）

經(jīng)過10多年的運行，山西大同御河橡膠壩壩后水位變化區(qū)域的混凝土凍融破壞嚴重。分析了混凝土凍融破壞的原因，提出采用噴涂聚脲彈性體防護層的方法對橡膠壩混凝土凍融破壞部分進行處理，探討了聚脲彈性體防護層的施工工藝。

山西大同；御河；橡膠壩；混凝土凍融破壞；聚脲彈性體防護層

1　工程概況

山西大同御河是桑干河的一級支流，是大同市最大的一條河流，其在城區(qū)段全長約16.67 km。大同市御河城區(qū)段河道治理及中水調(diào)蓄工程是《21世紀初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》大同項目區(qū)的水利項目，整個工程分兩期進行，建有6座橡膠壩、6座泵房、1座翻板閘、1座油泵站。一期工程于2003年9月25日完工，建設了1?！?＃橡膠壩；二期工程于2011年12月完成5＃橡膠壩建設，2012年12月完成了0＃橡膠壩建設。

大同市御河城區(qū)段綜合治理工程建成后，提高了御河城區(qū)段的防洪標準，改變了大同市御河兩岸的生態(tài)環(huán)境。目前，1＃～5＃橡膠壩之間已經(jīng)蓄水，形成了220～300m寬的4個蓄水區(qū)，蓄水面積94.53 hm2，蓄水量186萬m3，起到了防洪保安、攔截污水、廢水處理、中水調(diào)蓄、節(jié)水回用、增加清水下泄、改善下游水質(zhì)的作用。御河上的6座橡膠壩全部采用彩色壩袋，色彩醒目，線條流暢，造型優(yōu)美，已成為大同市一道靚麗的風景。

經(jīng)過10多年的運行，1?！?＃橡膠壩壩后水位變化區(qū)域的混凝土產(chǎn)生凍融破壞嚴重。現(xiàn)場查勘顯示：大部分凍融破壞區(qū)域為橡膠壩壩后底板和消力池斜坡面的混凝土表面，剝蝕深度已達50mm，骨料已大量外露，局部區(qū)域鋼筋銹蝕。為避免產(chǎn)生混凝土深層凍脹破壞，使壩基混凝土的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度等力學性能嚴重下降，危害橡膠壩的安全，2015年經(jīng)中國水利科學院研究人員研究決定采用噴涂聚脲彈性體的方法對橡膠壩的混凝土凍融破壞區(qū)域進行了處理。

2　橡膠壩混凝土凍融破壞的原因分析

2.1混凝土凍融破壞的機理［1］

常溫下的硬化混凝土是由水泥水化物、集料、未水化水泥、水、空氣共同組成的固、氣、液三相平穩(wěn)的體系?；炷林杏杏坞x水也有結(jié)晶水，結(jié)晶水結(jié)合在材料的內(nèi)部。在溫度較低時，結(jié)晶水不會產(chǎn)生膨脹，而游離水在溫度低于0℃時，會產(chǎn)生膨脹，其膨脹的比率是10%。當游離水處于飽和狀態(tài)時，這個程度的膨脹會在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的應力。當溫度高于0℃時，結(jié)冰的游離水又會融化，將混凝土內(nèi)部的應力降低，混凝土的膨脹作用也會消失。當含水或與水接觸的混凝土在長期正負溫度交替作用下，其內(nèi)部應力反復出現(xiàn)和消失，就會使混凝土開裂或造成由表及里的剝蝕狀破壞，稱為凍融破壞。因此，混凝土在飽水狀態(tài)下，因凍融循環(huán)產(chǎn)生的破壞作用稱為凍融破壞?；炷恋目箖瞿托裕ê喎Q抗凍性）是指飽水狀態(tài)下的混凝土抵抗凍融循環(huán)作用的性能。

2.2大同御河橡膠壩混凝土凍融破壞的原因［2］

由以上分析可知，混凝土產(chǎn)生凍融破壞必須同時具備兩個條件：（1）混凝土必須接觸水或混凝土中含有一定的游離水；（2）混凝土所處的自然環(huán)境必須存在反復交替的正負溫度，并且負溫度必須降到一定程度。

橡膠壩的運行特點是允許壩頂不斷溢流。如果壩頂始終溢流，壩袋內(nèi)就不會結(jié)冰。如果壩頂不溢流，冬季運行就需要降低一些壩高，如降到80%。這樣，壩袋內(nèi)水結(jié)冰造成的膨脹，就會有一定的伸展余量。大同市御河橡膠壩在冬季運行時，壩高實際控制在2.2～2.5m，壩后底板混凝土全部出露水面，從而使這些下游混凝土底板一直處于半水、半旱的工況。而大同市冬季的平均溫度在-7℃～-12℃之間，這就滿足混凝土產(chǎn)生凍融破壞的兩個基本條件。

大同市御河橡膠壩壩后水位變化區(qū)域的混凝土設計采用了F200鋼筋混凝土，即混凝土能夠承受反復凍融循環(huán)次數(shù)不少于200次。中國水利水電科學研究院結(jié)構(gòu)材料研究所研究成果表明：混凝土的凍融破壞過程實質(zhì)上是混凝土水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)由密實體到松散體的過程，在這一發(fā)展過程中，伴隨著微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，而且微裂縫不僅存在于水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中，還會引起混凝土中的氣泡壁產(chǎn)生開裂和破壞，這是導致引氣混凝土凍融破壞的主要原因。因此，大同市御河橡膠壩壩后水位變化區(qū)域的混凝土設計雖然具有一定抗凍性，但達到一定凍融次數(shù)后，仍然會出現(xiàn)凍融破壞。

3　聚脲彈性體防護層施工工藝［3～4］

聚脲是由異氰酸酯（簡稱A組分）與氨基化合物（簡稱R組分）反應生成的一種彈性體物質(zhì)，其最基本的特性就是防腐、防水、耐磨等。目前，在我國市場上，聚脲產(chǎn)品按組成分為純聚脲和半聚脲；按施工工藝分為噴涂聚脲和手刮（涂）聚脲。大面積施工時，噴涂聚脲工效高，更經(jīng)濟。

御河橡膠壩壩后水位變化區(qū)域有凍融破壞的混凝土面較大，因此采用噴涂聚脲的施工工藝。具體為：鑿除舊的破損混凝土，用聚合物砂漿回填、找平、固化后才能噴涂聚脲彈性體防護層。

3.1人工鑿除破損混凝土

破損混凝土采用風鎬或電錘作業(yè)進行鑿除，鑿除深度一般不超過50mm，對局部損傷較大的部位，鑿除深度相應加大。鑿除后的混凝土表面應顯露石子。棄渣采用人工裝筐挑運，通過電動葫蘆和吊籃垂直提升4m至地面，人工裝1m3機動翻斗車，運輸至指定的臨時堆放場地。然后，采用裝載機挖裝，5 t自卸汽車篷布覆蓋后運輸至棄料場。

3.2混凝土面清理

徹底清除鑿除破損混凝土的建基面以及不要求鑿除的混凝土建基面上的松動石子、殘碴及污物，并用高壓水沖洗干凈。待混凝土面處于干飽和狀態(tài)后，用具有較強黏結(jié)性的聚合物水泥沙漿PAE填補混凝土表面（不進行PAE沙漿回填壓實的混凝土面）較大的孔洞，并保持混凝土面潔凈至下道工序。

3.3PAE沙漿回填、壓實、找平

在保證混凝土面無疏松、無塵埃、干燥的條件下，使用聚合物沙漿（較深處可用聚合物混凝土）回填、壓實、找平。施工垂直手段采用裝有電動葫蘆的吊籃進行施工。工藝要求如下：（1）混凝土基底保持潔凈、濕潤，處于干飽和狀態(tài)。（2）人工壓抹施工時，控制沙漿一次拌和量。水灰比的控制標準是，在滿足和易性要求前提下，盡量選用小水灰比。（3）為保證黏結(jié)質(zhì)量，先用丙乳凈漿打底，然后抹壓沙漿。沙漿層要求密實，表面平整。（4）沙漿層面保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護不少于7 d。（5）PAE沙漿施工環(huán)境溫度必須保證5℃以上。

3.4涂刷潮濕面界面劑

噴涂聚脲之前，應先涂刷專用的界面劑。界面劑的作用是：（1）封閉混凝土底材表面毛細孔中的空氣和水分，避免聚脲涂層噴涂后出現(xiàn)鼓泡和針孔現(xiàn)象。（2）起到膠黏劑的作用，提高聚脲涂層與混凝土底材的附著力，提高防護效果?？紤]到上游壩面先進行了聚合物沙漿回填找平，混凝土底材是潮濕的，因此，設計要求采用潮濕面界面劑。潮濕面界面劑固化時間為4～5 h，與基底的抗拉強度≥3MPa，潮濕環(huán)境與聚脲層間的抗拉強度≥2MPa，干燥環(huán)境與聚脲層之間的抗拉強度≥3MPa。

涂刷潮濕面界面劑必須避開雨天施工，混凝土表面的溫度應高于露點溫度3℃以上。具體的工藝要求為：（1）先用角磨機打磨混凝土面或PAE沙漿回填面，再用高壓水槍清除混凝土表面的灰塵和浮渣，確?；炷撩媲鍧崱＃?）待混凝土面處于干飽和狀態(tài)后，用環(huán)氧高強膩子對混凝土表面進行刮平及堵縫。該工序應盡可能在PAE沙漿回填面達到干飽和狀態(tài)后進行，如趕工，建議噴燈烘干。（3）待環(huán)氧高強膩子固化后，刷涂潮濕面界面劑，涂層厚度不大于1mm，按1 kg界面劑涂刷4m2控制。

3.5噴涂聚脲彈性體

本工程設計要求噴涂聚脲必須采用純聚脲，不允許采用半聚脲，主要技術指標如表1所示。設計建議采用美國SWD公司的SWD900噴涂聚脲。

噴涂聚脲彈性體的工藝要求為：

（1）在涂刷潮濕面界面劑后24～48 h內(nèi)，噴涂聚脲彈性體。超過48 h，應用干燥的高壓空氣吹掉混凝土表面的浮塵，重新施工界面劑。對邊、角、孔等需要進行聚脲補強噴涂的部位，噴涂間隔應小于3 h，如超過3 h，應打磨已施工涂層表面，涂刷一道層間粘合劑，并于30min后施工補強噴層。

（2）聚脲為雙組分快速反應材料，必須使用專用設備進行噴涂。專用設備應包括平穩(wěn)的物料輸送系統(tǒng)、精確的物料計量系統(tǒng)、均勻的物料混合系統(tǒng)、良好的物料霧化系統(tǒng)和方便的物料清洗系統(tǒng)。本工程采用美國Gusmer公司的液壓噴涂設備進行噴涂。噴涂前，按設備說明書的要求進行設備參數(shù)的設置。設置主加熱器溫度（包括A、R組分）為65℃、長管加熱器溫度為65℃、主機壓力為6.5MPa、空壓機壓力為0.8～1.0 MPa。

表1　噴涂聚脲彈性體材料的主要技術指標T ab.1 M ain technical indicator s of spray polyurea elastom er m aterials

（3）檢查A、R兩組分的包裝是否完整，嚴禁使用包裝已破損的產(chǎn)品。打開包裝后，應目測涂料的外觀狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)涂料中有結(jié)塊、凝膠或黏度增大現(xiàn)象，嚴禁使用。R組分含有顏料和助劑，靜置時間過長，容易沉降。因此，噴涂前，應將R組分進行充分攪拌（使用專門的氣動攪拌設備）至顏色均勻一致、無浮色、無沉淀為止。攪拌時，攪拌器不得觸及包裝桶壁，以防止產(chǎn)生金屬碎屑，否則應用100目篩網(wǎng)過濾。

（4）噴涂前，應先將長管加熱器加熱開關打開，待溫度達到設定溫度后，再調(diào)節(jié)A、R兩組分的靜態(tài)壓力，使其達到基本相同。

（5）噴涂施工時，R組分應使用專門的氣動攪拌設備進行同步攪拌。A、R兩組分用畢剩余的料，要充氮氣密封保存。A料泵使用完畢后，如短期內(nèi)要繼續(xù)使用，可不清洗，直接放人A料桶中，但必須充氮氣進行保護。

（6）噴涂時，應隨時觀察壓力、溫度等參數(shù)。A、R兩組分的動態(tài)壓力差應小于3.45MPa，霧化要均勻。如高于該指標，即屬異常情況，應立即停止噴涂，并檢查噴涂設備及輔助設備是否運行正常，故障排除后，可重新進行噴涂。

（7）噴涂要保證厚度大致均勻。設計噴涂厚度為2mm，一次噴涂即可完成。噴涂時，調(diào)節(jié)噴槍的噴射角度、高度以及與混凝土面的距離，以得到表面光滑的效果，提高美觀性。

（8）聚脲彈性體周邊及接頭的處理辦法。用混凝土打磨機開寬、深各6mm的V形槽，將膠帶一側(cè)粘在V形槽外側(cè)面，膠帶另一側(cè)粘接塑料薄膜，避免非噴涂區(qū)域接觸到聚脲。噴涂聚脲時，只噴到V形槽及需要噴涂聚脲的混凝土施工面，最后用切刀將聚脲與V形槽邊緣的膠帶切開，人工修復V形槽，使其與周圍混凝土搭接邊處平滑過渡。施工中，接頭部位可按圖紙要求進行處理。噴涂面涉及的其他邊、角、孔等部位，進行局部補強，厚度控制在4mm內(nèi)。

（9）施工現(xiàn)場應有專人進行環(huán)境溫度、濕度、打開包裝時兩組分料的狀態(tài)、噴涂時兩組分的動態(tài)壓力和溫度、設定的空壓機壓力、異常情況等施工記錄。

（10）施工人員必須配備勞動防護用品，施工現(xiàn)場要保證有良好的通風，要隔絕火源、遠離熱源。噴涂時如果濺到皮膚上，應立即用水沖洗。

（11）按設備商的要求及時和定期進行設備清洗。

4　結(jié)語

混凝土的凍融破壞普遍發(fā)生于寒冷地區(qū)經(jīng)常與水接觸的混凝土結(jié)構(gòu)物，特別是水位變化區(qū)的水工和海工混凝土結(jié)構(gòu)。大同市御河橡膠壩凍脹破壞的混凝土采用聚脲彈性體防護處理，經(jīng)過冬季運行后，效果很好。聚脲彈性體在大同市御河橡膠壩的應用也為混凝土凍脹破壞處理開辟了廣闊的前景。

［1］陳濤.混凝土襯砌渠道凍脹破壞力學模型及應用［D］.西安：西北農(nóng)林科技大學，2004.

［2］鐘霞.某河灌區(qū)渠道凍脹破壞分析及防治措施［J］.低溫建筑技術，2015（7）：151－153.

［3］王振鐸.土工合成材料在凍脹區(qū)渠道防滲中的應用研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2006（3）：89－91.

［4］宋玉普，冀曉東.混凝土凍融損傷可靠度分析及剩余壽命預測［J］.水利學報，2006（3）：259－263.

[責任編輯楊明慶]

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2016-02-29

郭增江（1968-），男，山西大同人，工程師，主要從事水利工程施工和管理方面的工作。