張 磊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 引 言

寒冷多雪地區(qū)的混凝土水工結(jié)構(gòu)暴露在惡劣的環(huán)境中，經(jīng)常受到霜凍的影響[1]。雖然表面涂層修復(fù)可從外部阻擋水，被認(rèn)為是修復(fù)因霜凍而損壞的混凝土的有效措施，但在某些情況下，已經(jīng)觀察到涂層后的早期再損壞[2]。水閘是一種混凝土水工結(jié)構(gòu)，由暗渠和啟閉設(shè)施組成[3]。新疆南部是寒冷多雪的地區(qū)，自1980年以來(lái)，修建了許多水閘結(jié)構(gòu)。人們擔(dān)心隨著時(shí)間的推移，這些建筑修復(fù)和重建費(fèi)用會(huì)急劇增加。有必要通過(guò)更有效的維護(hù)/管理方法來(lái)降低壽命周期成本[4]。本研究根據(jù)寒冷、多雪環(huán)境條件的差異，確定了霜凍惡化的程度，并對(duì)再次惡化的水閘混凝土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以便能夠判斷再次惡化的原因。最終目的是提出一種合適的修復(fù)方法和有效的檢測(cè)方法，作為防止水閘混凝土凍害的措施。

2 研究方法

對(duì)水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行了氣象調(diào)查和外部目視檢查，以評(píng)估在不同環(huán)境中因霜凍損壞造成的結(jié)構(gòu)退化。為了檢查再劣化的表面涂覆混凝土，進(jìn)行了超聲波傳播速度測(cè)量、黏合強(qiáng)度試驗(yàn)和內(nèi)部狀態(tài)的目視觀察。還驗(yàn)證了使用超聲波傳播速度進(jìn)行測(cè)量的有效性，并盡可能避免表面涂覆混凝土的涂覆效果下降和有害因素的滲透。

2.1 不同環(huán)境下水閘結(jié)構(gòu)的凍害研究

該研究是在巴音郭楞蒙古自治州(簡(jiǎn)稱“巴州”)的開(kāi)都河和阿克蘇地區(qū)的和田河和葉爾羌河進(jìn)行的，它們是干旱區(qū)典型的寒冷多雪地區(qū)。表1列出了研究中涉及的水閘數(shù)量。

表1 研究的水閘數(shù)量

2.1.1 氣象調(diào)查

利用國(guó)家氣象局1998年10月到2018年5月的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算冬季各地區(qū)的年最低氣溫、最大積雪深度、凍融天數(shù)和冰凍天數(shù)。年最低溫度和最大積雪深度是這十年期間的平均值，凍融日是指日最高溫度等于或高于0℃，最低溫度等于或低于-1℃；冰凍日是指日最高溫度等于或低于-1℃。

2.1.2 外部目視檢查

圖1所示為檢查的水閘部件。檢查了擋土墻的兩個(gè)部分。使用表2的外觀評(píng)級(jí)方法評(píng)估水閘混凝土的霜凍惡化程度，通過(guò)外部目視檢查進(jìn)行宏觀評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)惡化進(jìn)行評(píng)級(jí)。每個(gè)部分的最高評(píng)分被作為該部分的總體評(píng)分。

圖1 檢查的水閘部件

表2 表面損壞的視覺(jué)評(píng)級(jí)

2.2 再劣化水閘的研究

進(jìn)行研究的水閘于1981年建造。它是在2013年修復(fù)的，在建造32年后，使用了丙烯酸樹(shù)脂修補(bǔ)材料和表面涂層材料進(jìn)行修復(fù)，但是在修復(fù)后的18個(gè)月觀察到開(kāi)裂現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

圖2 再次惡化狀態(tài)

2.2.1 超聲波傳播速度測(cè)量

通過(guò)使用層析成像和滲透方法進(jìn)行超聲波傳播速度測(cè)量和分析[5]，檢查表面涂層材料和基體混凝土修補(bǔ)材料的狀況。圖3顯示了斷層攝影測(cè)量和巖芯鉆探部分。在層析成像方法中，每個(gè)區(qū)段上的測(cè)線數(shù)量為62(第1部分)、106(第2部分)、158(第3部分)、218(第4部分)和286(第5部分)。

圖3 斷層攝影測(cè)量部分和核心位置(單位：mm)

從使用層析成像方法的分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)劣化的截面西側(cè)的兩個(gè)區(qū)域巖芯集中，并且使用滲透方法在從巖芯底部以上每隔2cm的間隔進(jìn)行超聲波傳播速度測(cè)量，檢測(cè)過(guò)程如圖4所示。并比較了使用這兩種方法在修補(bǔ)材料、基體和劣化零件上測(cè)量的超聲波傳播速度。

圖4 使用滲透法進(jìn)行巖芯測(cè)量檢測(cè)過(guò)程示意圖

2.2.2 黏合強(qiáng)度測(cè)試方法

為了評(píng)估修補(bǔ)材料和表面涂層材料的黏合強(qiáng)度，使用附著力測(cè)試儀進(jìn)行黏合強(qiáng)度測(cè)試。環(huán)氧樹(shù)脂黏合劑用于將鋼夾具、混凝土和其他材料黏合在一起，測(cè)試如圖5所示。在測(cè)試中，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量表面涂層材料和修補(bǔ)材料、修補(bǔ)材料和基體以及表面涂層材料和基體之間的黏合強(qiáng)度。

圖5 黏合強(qiáng)度測(cè)試示意圖

2.2.3 內(nèi)部狀態(tài)的目視觀察

在超聲波傳播速度測(cè)量之后，切斷測(cè)量區(qū)域附近的部分(見(jiàn)圖3)，并且從切割表面目視觀察表面涂層材料下的修復(fù)和劣化情況，對(duì)基于超聲波傳播速度測(cè)量和黏合強(qiáng)度測(cè)試方法的分析結(jié)果進(jìn)行比較。

3 測(cè)試結(jié)果和討論

3.1 不同環(huán)境下霜凍惡化的評(píng)估

3.1.1 天氣條件

兩個(gè)地區(qū)的年平均最低溫度、年最大積雪深度、凍融次數(shù)、冰凍天數(shù)情況都不同。對(duì)這兩個(gè)地區(qū)天氣狀況的比較表明，巴州有一個(gè)非常寒冷的多雪地區(qū)，因?yàn)槟昶骄畹蜏囟容^低，年最大積雪深度較大。而阿克蘇地區(qū)的冰凍天數(shù)較多。從這些結(jié)果可以看出，冬季對(duì)這兩個(gè)地區(qū)水閘混凝土的影響是不同的。

3.1.2 外觀等級(jí)

圖6顯示了基于外部目視檢查的按區(qū)段劃分的水閘外觀等級(jí)，圖7顯示了按使用年限進(jìn)行控制平臺(tái)外觀評(píng)級(jí)的結(jié)果。從某種程度上來(lái)說(shuō)，控制平臺(tái)的等級(jí)一般最高，其后是擋土墻的水下部分、擋土墻的頂部和門(mén)柱。控制平臺(tái)霜凍惡化特別嚴(yán)重，在某些情況下，等級(jí)高達(dá)5級(jí)。由于控制平臺(tái)具有積雪堆積的可能，并且它們的結(jié)構(gòu)相對(duì)較薄，因此它們更容易受到由融雪滯留和其他因素引起的凍融作用的影響。相反，門(mén)柱不容易受到凍融作用的影響，因?yàn)樗鼈兾挥诳刂破脚_(tái)后面，最少暴露于積雪和陽(yáng)光中。由此發(fā)現(xiàn)，直接受水的部分受到凍融作用的影響顯著，并且它們的劣化程度增加。

圖6 按區(qū)段劃分的水閘外觀等級(jí)

圖7 各水閘控制平臺(tái)的外觀等級(jí)比例

就地區(qū)而言，和田河和葉爾羌河的3級(jí)或3級(jí)以上部件占比普遍高于開(kāi)都河，除控制平臺(tái)外，沒(méi)有觀察到4級(jí)或4級(jí)以上部件的比例。相反，雖然開(kāi)都河的一些門(mén)柱和擋土墻被評(píng)為4級(jí)，但與和田河和葉爾羌河相比，較低等級(jí)的比例通常較高。從使用年限來(lái)看，在開(kāi)都河使用了20年或更長(zhǎng)時(shí)間的建筑物以及在和田河和葉爾羌河使用了30年或更長(zhǎng)時(shí)間的建筑物的等級(jí)往往更高。因此，在阿克蘇地區(qū)，霜凍惡化的速度更快，程度更大；在巴州，退化進(jìn)程較慢，沒(méi)有觀察到明顯的退化。兩個(gè)地區(qū)的修復(fù)率和再劣化率幾乎相同，都在20%左右，但超過(guò)一半的水閘在修復(fù)后發(fā)生了再次退化。這種情況也發(fā)生在這兩個(gè)地區(qū)的所有表面涂層水閘。這些結(jié)果表明，在寒冷、多雪的環(huán)境下，現(xiàn)有維修的耐久性存在問(wèn)題，必須根據(jù)不同的區(qū)域環(huán)境采取適當(dāng)?shù)姆纼龃胧?，以防止再被侵蝕。

3.2 再劣化原因的估計(jì)和劣化診斷

3.2.1 超聲波傳播速度測(cè)量

圖8顯示了使用層析成像方法得到的第1部分至第5部分中的超聲波傳播速度分布。由于速度通常外側(cè)比內(nèi)側(cè)低，并且分布在每個(gè)橫截面的拐角處是圓形的，因此可以假設(shè)已經(jīng)發(fā)生了霜劣化，對(duì)有缺陷的拐角進(jìn)行修補(bǔ)。

圖8 使用層析成像方法找到的每個(gè)橫截面上的速度分布

可以看出，西側(cè)的缺陷比北側(cè)的缺陷略深，面積較大。這是因?yàn)槲鬟呹?yáng)光更充足，凍融作用的影響更大。此外，第4部分頂側(cè)V形區(qū)域的速度變得非常低，表明附近有內(nèi)部缺陷。然而，修復(fù)材料和基體的劣化部分之間的速度通常沒(méi)有明顯的差異。

圖9顯示了采用滲透方法測(cè)得的巖芯超聲波傳播速度。對(duì)于核心1和核心2，修補(bǔ)材料厚度約為10cm，修補(bǔ)材料速度約為3500m/s。雖然超聲波在混凝土中的傳播速度通常為3500m/s或更高，但在兩個(gè)巖芯的基質(zhì)的某些部分，該值略高于2000m/s，表明部分存在變質(zhì)。

圖9 采用滲透方法測(cè)得的巖芯超聲波傳播速度

在速度低的情況下，發(fā)現(xiàn)使用層析成像方法可以在一定程度上識(shí)別內(nèi)部惡化的位置。這些結(jié)果表明，表面涂層材料的內(nèi)部狀態(tài)和劣化程度可以通過(guò)超聲波傳播速度來(lái)粗略地測(cè)定，并且該技術(shù)作為霜劣化診斷方法的有效性得到了證實(shí)。

3.2.2 黏合強(qiáng)度

圖10顯示了黏合強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果。表面涂層材料和修補(bǔ)材料之間的黏合強(qiáng)度為1.630N/mm2，本研究中評(píng)估的黏合強(qiáng)度符合國(guó)標(biāo)《膠液強(qiáng)度測(cè)定法》(GB 1742—1979)規(guī)定。然而，表面涂層材料和基體之間、修補(bǔ)材料和基體之間的黏合強(qiáng)度值非常低(0.507N/mm2和0.404N/mm2)。如圖11所示，在這些部分中，斷裂發(fā)生在劣化的基體中，而不是在具有基體的黏合表面。由于外部影響一直被阻隔，直到修復(fù)后18個(gè)月表面涂層材料才出現(xiàn)裂紋，因此在完成修復(fù)后，短時(shí)間內(nèi)不太可能惡化，損壞部分很可能在維修時(shí)仍然存在。

圖10 黏合強(qiáng)度

圖11 斷裂情況

由于在基體和修補(bǔ)材料之間的界面附近觀察到空隙，因此假設(shè)界面附近的基體惡化。該結(jié)果也支持黏合強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果。圖12展示了控制平臺(tái)橫截面，由于該水閘結(jié)構(gòu)的修復(fù)是在冬季進(jìn)行的，因此很可能在修復(fù)前的表面準(zhǔn)備過(guò)程中基體劣化部分的移除是不完全的。因此，由于基體劣化部分中水分的滯留導(dǎo)致了霜凍損害進(jìn)一步發(fā)生，最終呈現(xiàn)了早期再劣化，并且由于這種劣化導(dǎo)致表面涂層的裂紋滲入了更多的水，從而加速了霜凍劣化。

圖12 控制平臺(tái)的橫截面

4 結(jié) 論

水閘混凝土的凍害程度因寒冷、多雪環(huán)境呈現(xiàn)出不同的情形，半數(shù)以上的修復(fù)水閘發(fā)生了再劣化，因此有必要根據(jù)區(qū)域環(huán)境采取適當(dāng)?shù)姆纼龃胧┮苑乐乖倭踊?；超聲波傳播速度測(cè)量能夠確定表面涂層材料下的內(nèi)部狀態(tài)和劣化程度，因此可將其作為霜凍劣化診斷的有效方法。

表面涂層混凝土的早期再劣化被認(rèn)為是由霜凍劣化的進(jìn)一步發(fā)展引起的，而霜凍劣化是由于修復(fù)基體劣化部分時(shí)殘余水分沒(méi)有充分去除所引發(fā)的。上述結(jié)果表明，有必要根據(jù)劣化條件建立系統(tǒng)的霜凍診斷和適當(dāng)?shù)男迯?fù)方法，計(jì)劃進(jìn)行下一步調(diào)查和研究，提出延長(zhǎng)水閘使用壽命、降低維護(hù)管理成本的方案。