大田港闸混凝土结构耐久性检测与分析

刘超英,付 磊

(浙江水利河口研究院,浙江杭州 310020)

大田港闸混凝土结构耐久性检测与分析

刘超英,付 磊

(浙江水利河口研究院,浙江杭州 310020)

为了解大田港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胀裂,而水流冲刷磨蚀是水闸过流结构破坏的主要形式。

大田港闸;混凝土结构;混凝土碳化;钢筋锈蚀;耐久性检测

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[1]。

大田港闸位于浙江省临海市城东五丰,大田港与灵江交汇处,是牛头山水库配套工程。该闸以挡潮排涝为主,兼蓄淡、灌溉、通航,起着解决大田港两岸工农业、生活生产用水;不使大田港河道淤积;挡大潮,使大田平原不受潮水淹没等作用。该工程于1991年1月竣工并投入运行。水闸基础系白垩系角砾凝灰岩,闸设5孔,每孔净宽8 m,总宽45.6 m,闸室长17.44 m,底板高程-2.0 m,闸顶4.7 m。主闸门为升卧式平面钢闸门,为防锈采用锌涂层,每道闸门配用QPPYZ2×40的液压启闭机,启门力2×40 t,主闸门下游各设一道检修门槽,上下游各配一台平车移动式卷扬机,启门力2×8 t。闸上游设公路桥,桥面高程8 m,下游为框架结构工作桥,桥面高程为11 m。为灌溉需要设双向消力池。下游消力池长21.5 m,池深1.0 m,护坦高程-2.0 m,长5 m;上游消力池长17 m,池深0.8 m,护坦高程-2.0 m,长17 m。

经过20 a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[2],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)对水闸混凝土结构外观质量进行全面检查,检查项目包括混凝土表面缺陷、异常变形和破损。

(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、规范为:①《水闸安全鉴定规定》SL214-1998[3];②水工混凝土结构设计规范》SL191-2008[4];③《水闸设计规范》SL265-2001[5];④《水工混凝土试验规程》SL352-2006[6];⑤《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:88)[7];⑥《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T23-2001[8]。

2 检测结果

2.1 外观质量检测结果

使用测尺、裂缝对比卡、读数显微镜、照相机等工具,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

各孔闸墩水面线附近及部分闸墩上部拱圈附近混凝土砂浆剥落、石子裸露严重。部分闸墩上部拱圈顶部有1条垂直裂缝,缝宽0.10 mm～0.20 mm。3#孔上游右闸墩、3#孔下游闸墩检修门门槽局部严重破损,钢筋裸露并锈蚀。

(2)排架

各孔排架柱、排架柱间联系梁、立柱局部砂浆剥落、石子裸露。各孔下游向排架柱局部混凝土严重胀裂、3根～5根箍筋裸露并严重锈蚀。部分孔上游向排架柱局部混凝土胀裂。部分孔排架柱间联系梁局部混凝土严重胀裂、2根～3根箍筋裸露并严重锈蚀。

各孔上、下游立柱混凝土严重胀裂,有3根～5根箍筋裸露并严重锈蚀、成片剥落,部分箍筋已经锈损。2#孔上游右立柱混凝土严重胀裂、破损,主筋裸露并严重锈蚀,裸露长度20 cm。1#孔下游立柱破损严重,立柱水平方向已断裂,立柱与墙体严重拉开,严重威胁了水闸的运行安全。

(3)行车轨道梁

各孔上、下游行车轨道梁混凝土局部砂浆剥落、石子裸露、蜂窝严重。钢筋保护层厚度严重不足,有的部位钢筋保护层厚度不足1 cm,底面混凝土普遍严重胀裂,主筋、箍筋裸露并严重锈蚀、成片剥落,部分箍筋已经锈损,主筋裸露长度0.20 m～0.40 m。

各孔下游行车轨道梁底面混凝土普遍严重胀裂,箍筋裸露并严重锈蚀、成片剥落。部分孔下游行车轨道梁主筋裸露长度0.40 m～2.00 m,裸露的主筋严重锈蚀、成片剥落。3#孔下游行车轨道梁(上游向)露出长度2.00 m。2#孔下游行车轨道梁(上游向)有1条垂直裂缝,上、下贯穿,缝宽 0.20 mm。4#孔下游行车轨道梁(上游向)有1条斜向裂缝,上、下贯穿,缝宽0.15 mm。

(4)工作桥

各孔工作桥护栏混凝土严重胀裂、破损严重,钢筋裸露并严重锈蚀。各孔工作桥桥梁混凝土局部砂浆剥落、石子裸露、蜂窝严重。各孔工作桥桥梁底面混凝土普遍严重胀裂,箍筋露出并严重锈蚀、成片剥落。部分孔工作桥桥梁主筋裸露并严重锈蚀、成片剥落。主筋裸露长度0.40 m～0.70 m。1#孔工作桥3号梁有1条垂直裂缝,上、下贯穿,缝宽0.15 mm。5#孔工作桥3号、4号梁有1条垂直裂缝,上、下贯穿,前后局部贯穿,缝宽0.25 mm。

(5)公路桥

桥面铺装层普遍磨损严重,石子裸露。桥面护栏有6处混凝土严重胀裂,破损严重,露筋,钢筋严重锈蚀。护栏下部堤脚处普遍存在混凝土严重胀裂,露筋,钢筋严重锈蚀。

各孔公路桥桥梁混凝土局部砂浆剥落、石子裸露、蜂窝严重。部分孔公路桥桥梁局部混凝土严重胀裂,箍筋裸露并严重锈蚀。2#孔公路桥4号梁混凝土严重胀裂,主筋裸露并严重锈蚀、成片剥落,主筋裸露长度0.60 m。1#孔左边墩与公路桥3号梁连接部位局部混凝土严重胀裂,破损严重,露筋,钢筋严重锈蚀。

(6)翼墙

上、下游左、右岸翼墙混凝土水面线附近砂浆剥落、石子裸露。上游右岸翼墙与闸墩连接处拉开约1 cm,局部漏水严重。下游左、右岸翼墙与闸墩连接处严重拉开约3 cm～4 cm。下游右岸翼墙部分段拉开、倒塌严重。

2.2 重点检测结果

2.2.1 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

由表1可见,被检结构混凝土碳化程度较严重,碳化深度从十几毫米到二十几毫米。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。部分结构混凝土碳化深度值已经超过实际钢筋保护层厚度值,使钢筋没有处于混凝土碱性保护之中,这将对混凝土结构的耐久性及安全性产生严重影响。

2.2.2 混凝土强度

对大田港闸闸墩采用钻孔取芯法检测混凝土抗压强度;对排架柱、排架柱间联系梁、立柱、行车轨道梁、工作桥桥梁、公路桥桥梁采用回弹法检测混凝土抗压强度。钻芯法检测结果见表2,回弹法检测结果成果见表3。

表2 钻芯法抗压强度检测结果

表3 回弹法检测混凝土抗压强度检测结果

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。被检测构件测试龄期回弹强度推定值均满足现行规范SL191-2008规定的耐久性要求[4]。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,排架柱、立柱、公路桥桥梁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。

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[9]。检测结果列于表4。从表4可见,钢筋保护层厚度测量值离散较大,闸墩、排架柱、排架柱间联系梁、立柱、行车轨道梁、工作桥桥梁、公路桥桥梁钢筋保护层厚度不满足现行规范SL191-2008规定的耐久性要求。

表4 混凝土保护层厚度检测结果 单位:mm

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[10]。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。

表5 钢筋锈蚀损失率抽样检测结果

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,其中立柱主筋最大截面损失率达19.18%,箍筋已锈断;工作桥桥梁主筋最大截面损失率达17.28%;排架柱箍筋最大截面损失率达25.00%;排架柱间联系梁箍筋最大截面损失率达17.88%;行车轨道梁主筋最大截面损失率达17.22%,箍筋已锈断;公路桥桥梁主筋最大截面损失率达13.06%。

3 检测结果分析

对大田港闸混凝土结构的耐久性检测表明,钢筋混凝土结构外观缺陷明显,如顺筋裂缝、露石露砂、钢筋锈蚀、混凝土剥落等。引起钢筋混凝土结构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胀裂,而水流冲刷磨蚀是水闸过流结构破坏的主要形式。此外水闸闸墩、翼墙等部分结构有轻微的位移和不均匀沉降现象。

钢筋保护层厚度测量值离散较大,闸墩、排架柱、排架柱间联系梁、立柱、行车轨道梁、工作桥桥梁、公路桥桥梁不满足现行规范SL191-2008规定的耐久性要求[4]。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。部分结构混凝土碳化深度值已经超过实际钢筋保护层厚度值,使钢筋没有处于混凝土碱性保护之中,这将对混凝土结构的耐久性及安全性产生严重影响。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、顺筋裂缝、混凝土剥落的主要原因[11]。

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10%、小于60%时,各项力学性能严重下降[12]。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,排架柱、排架柱间联系梁、立柱、行车轨道梁、工作桥桥梁、公路桥桥梁钢筋锈蚀严重,有的甚至成片状剥落,将对钢筋混凝土结构的承载力产生很大的影响。由此可见,必须对排架柱、排架柱间联系梁、立柱、行车轨道梁、工作桥桥梁、公路桥桥梁钢筋锈蚀严重的构件进行维修加固。

就大田港闸混凝土结构来说,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结构破坏、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[13]。

4 结 论

(1)大田港闸运行20 a来,混凝土结构老化严重,存在安全隐患。

(2)水闸闸墩、翼墙等部分结构有轻微的位移和不均匀沉降现象。

(3)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。

(4)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,表明大田港闸建造时的混凝土质量不均匀,施工质量较差。

(5)水闸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。

(6)排架柱、排架柱间联系梁、立柱、行车轨道梁、工作桥桥梁、公路桥桥梁等部分构件钢筋锈蚀胀裂严重,需进行维修加固处理以保证大田港闸工程安全运行。

[1]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,2003:156-163.

[2]李为杜.混凝土无损检测技术[M].上海:同济大学出版社,1995:129-135.

[3]水利部水利管理司,江苏省水利厅.SL214-1998.水闸安全鉴定规定[S].北京:中国水利水电出版社,1998.

[4]中华人民共和国水利部.SL191-2008.水工混凝土结构设计规范》[S].北京:中国水利水电出版社,2008.

[5]江苏省水利勘测设计研究院.SL265-2001.水闸设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[6]中国水利水电科学研究院,南京水利科学研究院.SL352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[7]中国建筑科学研究院.CECS03:88.钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国工程标准化协会,1988.

[8]中华人民共和国建设部.JGJ/T23-2001.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[9]姜英波,姜 珂.混凝土保护层厚度检测的试验分析[J].工业建筑,2006,32(4):68-70.

[10]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[J].混凝土,2003,(6):23-25.

[11]金初阳,柯敏勇,洪晓林,等.水闸病害检测与评估分析[J].水利水运科学研究,2000,(1):73-77.

[12]洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与结构物的耐久性[J].公路,2001,(2):66-69.

[13]柏宝忠,王以仁.影响水工建筑物耐久性的主要因素及预防对策[J].水利水电技术,2004,35(10):72-74.

Inspection and Analysis for Concrete Structures'Durability of Datiangang Sluice

LIU Chao-ying,FU Lei
(Zhejiang Research Institute of Water conservancy and Estuary,Hangzhou,Zhejiang310020,China)

To investigate the degree and causes of aging damages for Datiangang sluice,the inspection and analysiswere made on the apparent quality and durability of its concrete structures according to the relevant criteria.The results show that the damages to the appearance of its concrete structures are obvious,including honey combing,cracking along rebar,re-bar corrosion,concrete delamination and so on,the poor quality of concrete construction,the insufficient thickness of local concrete cover and the re-bar corrosion and expansion induced by carbonization of concrete cover are the main causes of the damages,and the main form of the damage to its overflow structure is the abrasion resulted from water scouring.

Datiangang sluice;concrete structure;carbonization of concrete;re-bar corrosion;durability inspection

TU375

A

1672—1144(2012)05—0077—05

2012-03-21

2012-04-27

刘超英(1958—),男(汉族),浙江温州人,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。