桃園橡膠壩壩墩凍融剝蝕原因分析及處理方案

王 鋒，丁 莉，朱政興

（1.山東臨沂水利工程總公司，山東臨沂 276000；2.臨沂正平質量檢測有限公司，山東臨沂 276000）

桃園橡膠壩壩袋更換維修項目工程位于臨沂城區段，沂河北京路橋下游150m處的主河道中。該橡膠壩于2008年建成，共10節壩袋，單節凈長77m，全長783.2m，回水長度7.6km，水面面積4.6km2，蓄水量達1250萬m3。至橡膠壩壩袋更換項目實施前已安全運行了13年。橡膠壩壩袋更換維修項目工程于2021年實施完畢。

1 凍融剝蝕現狀

在桃源橡膠壩壩袋更換維修項目施工過程中，現場查勘發現橡膠壩邊墩和中墩水位變動區域的混凝土剝蝕嚴重，混凝土表層的砂漿部分有的全部脫落，骨料外露，局部鋼筋銹蝕、外露。

為了解混凝土的質量情況，會同第三方檢測機構對橡膠壩中墩和邊墩混凝土進行了質量檢測。通過檢測結果發現混凝土碳化深度均在17～19mm的范圍內，混凝土強度為18.4～19.2MPa，混凝土強度已經不能滿足C25混凝土的設計要求。

2 成因分析

邊墩和中墩混凝土剝蝕部位大都處于水位變化區域，受滲透侵蝕、凍融循環和溫差變化等因素的影響，造成混凝土出現剝蝕現象。混凝土結構快速老化，從而降低了混凝土的耐久性和使用壽命。

2.1 混凝土凍融破壞的機理

混凝土是由水泥漿液和細骨料及粗骨料組成。施工過程中，為了達到必要的流動度及和易性，實際用水量要多于理論用水量，多余的水便以游離水的形式留存于混凝土中變成水泡進而形成孔隙。由于水化熱和施工質量不均勻等原因，混凝土層會存在毛細孔、裂隙等缺陷。在水位變化及流經區域，當溫度下降到0℃以下時，空隙或裂隙中的水凝結成冰，體積膨脹后產生局部張力。當環境溫度高于0℃時冰又融化為水，混凝土內部的張力消除，膨脹作用消失。在多次凍融的情況下，易造成混凝土強度降低。經過反復凍融循環后，混凝土的損傷逐步積累擴大，最后發展成相互貫通的裂縫，產生由表及里的剝蝕破壞。

影響混凝土抗凍性能的主要因素有水灰比、含氣量、混凝土的飽水狀態、受凍齡期、外加劑、水泥種類和骨料質量等。混凝土水灰比越大，混凝土內部飽和水的開孔體積越大，平均孔徑也越大，混凝土的抗凍性能越低。混凝土引氣劑可以在混凝土內部形成大量密閉的小氣孔，這些互不連通的微細氣孔在混凝土受凍初期能使毛細孔中的靜水壓力減少，起到減壓作用，從而降低膨脹應力，減緩混凝土開裂，提高混凝土的抗凍性能。水泥種類對混凝土的抗凍性能有一定的影響，而且隨著混凝土中摻合料的增加，混凝土抗凍性隨之降低。骨料的堅固性、風化程度、含泥量、雜質含量能夠影響混凝土的抗凍性。骨料吸水率和骨料的尺寸也是影響抗凍性的因素。

2.2 溫差對混凝土的破壞機理

當混凝土受日照、氣溫、水溫等影響后溫度發生變化，就會引起混凝土結構中的材料發生不均勻變形，從而在結構內部產生溫度應力。當溫度應力超過混凝土抗拉強度時，即產生裂縫。裂縫隨溫度變化而擴張或合攏，反復交替，加劇了混凝土的破壞。

2.3 碳化對混凝土的影響機理

空氣中的二氧化碳逐漸滲透到混凝土中與其中的堿性物質發生化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土的堿度降低，這個過程就是碳化。當碳化超過混凝土保護層時，鋼筋表面形成的鈍化膜被破壞，在水與空氣存在的條件下，鋼筋開始生銹。鋼筋銹蝕產生的體積比原來膨脹2～4倍，日積月累，導致混凝土開裂，產生順筋裂縫。裂縫使水和二氧化碳更容易進入混凝土內，形成惡性循環，又加速了混凝土碳化和鋼筋的銹蝕。

桃園橡膠壩的邊墩和中墩混凝土采用泵送混凝土，水灰比較大，混凝土拌合物中摻加了粉煤灰，客觀上降低了混凝土的抗凍性能。夏天溫度高水位變化頻繁，表面混凝土被暴曬。正是多次的凍融循環和水位及溫濕度的交替變化，迫使混凝土強度逐步降低，混凝土層層剝蝕破壞。

3 修補處理技術方案及經濟性比較

3.1 高抗凍性混凝土修補方案

采用C25混凝土，抗凍等級為F150，抗滲級別為W4，水泥選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。粗骨料選用吸水率低、滲透性差及高抗凍性的優質骨料，粒徑控制在10～20mm范圍內，骨料及砂的含泥量均不大于1%，水灰比不大于0.5。具體修補單價見表1。

表1 高抗凍性混凝土修補方案單價表

3.2 環氧樹脂砂漿修補方案

環氧樹脂修補膠系A，B兩組份改性環氧樹脂類膠粘劑，采用塑料桶包裝，重量比為3：1合成的。每次配膠量不易過大，并需在可操作時間內用完。期間伴隨溫度升高，配膠量也會加大，可操作時間相應縮短，具體修補單價見表2。

表2 環氧砂漿修補方案單價表

3.3 預縮水泥砂漿修補方案

預縮水泥砂漿是水灰比在0.32～0.34之間的干硬性水泥砂漿，灰砂比控制在1∶2～1∶2.5之間，并摻加減水劑和引氣劑，放置30～60min后方可使用，具體修補單價見表3。

表3 干硬性預縮水泥砂漿修補單價表

3.4 丙乳砂漿方案

丙乳砂漿由砂、普通水泥和特種水泥配制成，在工程實際中，采用參數為“1液5固”的形式，用手工涂抹的方式施工，具體修補單價見表4。

表4 丙乳砂漿修補方案單價表

4 修補處理方案

4.1 比選結果

通過以上修補方案的比較，丙乳砂漿與傳統環脂砂漿相比，造價低，而且施工方法與普通水泥砂漿相似，工藝簡單，操作方便，施工質量易于控制，粘結性好，與基礎混凝土的力學性能和溫度適應性好。而且克服了環氧樹脂砂漿與基底混凝土之間的起鼓、開裂與脫落等缺點。

丙乳砂漿與普通砂漿相比，極限拉伸率高、抗拉強度高、收縮小、抗裂性好。與混凝土面、老砂漿及鋼板粘結強度高，密封性好。而且基本無毒，能夠阻止老混凝土進一步碳化，延緩鋼筋銹蝕，抵抗剝蝕破壞。

根據橡膠壩邊墩和中墩凍融剝蝕處理方案及技術經濟比選結果，結合工程論證會對臨沂市桃園橡膠壩邊墩和中墩混凝土剝蝕修復方案的要求，即造價低、結合性好、粘結強度高、抗腐蝕能力強、抗凍滲效果好、質量容易把控等，確定采用丙乳砂漿修補方案。

4.2 修補工藝

1）清除損傷的老混凝土。根據壩墩損壞現狀，用直尺劃定混凝土修補范圍。為確保修補質量和外觀要求，修補區域幾何尺寸要做到平整方正，周邊進行垂直表面切除。采用人工和機械結合的方式對混凝土表面進行鑿毛、打磨、拋毛處理。清除混凝土表面的疏松層、污垢和碳化層，處理平均厚度約為25mm，直至露出堅硬、牢固、新鮮的混凝土基面。

清除損傷的老混凝土及鑿毛時注意避免損傷鋼筋，鑿除深度做到均勻一致。對于有銹蝕的鋼筋部位先對鋼筋的銹蝕進行打磨除銹，并采用高壓水（水壓控制在0.4～0.6MPa）將施工部位沖洗干凈，檢查修補深度和面積是否符合要求，經驗收合格后再進行下道工序施工。

2）丙乳砂漿修補。采用丙乳砂漿修補時，混凝土基礎面確保干燥。按照使用說明書要求，配比采用“1液5固”的形式，攪拌均勻后進行人工涂抹。砂漿鋪筑到位后，用力壓實，隨后抹面，并注意向一個方向進行涂抹，不需要第二次收光。該工程共涂抹3層，涂抹平均厚度為25mm，每層厚度不小于5mm。期間保證丙乳砂漿層間密實，每層涂抹間隔時間不應小于24h，最后一層抹面時，切忌來回多次涂抹，應一次抹平，使其表面平整光滑。

3）養護。涂抹后要結合材料要求及天氣、現場情況每天進行撒水噴霧養護，使表面始終處于濕潤狀態。

5 結語

通過對桃源橡膠壩壩袋更換維修項目中混凝土剝蝕處理方案的比較及分析，確認了材料及環境條件對混凝土剝落的影響，并結合工程造價及經濟效果評價，用丙乳砂漿進行修補處理，修補后的邊墩和中墩能夠達到質量標準，強度和外觀質量滿足設計要求，也為今后類似工程施工提供了借鑒。