摘 要:阐述了发生碱- 骨料反应的机理和混凝土构件的损坏特点。结合工程实例,对如何抑制混凝土碱- 骨料反应、加固混凝土构件,提出了具体的施工方案。
关键词:碱- 骨料反应;施工工艺;加固方案
中图分类号: TU 746. 3 文献标识码: B
引言
当混凝土的骨料中含有活性SiO2 时,如果所用水泥中碱(Na2O和K2O)的含量较多,经过一定的时间,其水解后形成的NaOH和KOH将与骨料中的活性SiO2 发生化学反应,形成复杂的碱- 硅酸凝胶。碱- 硅酸凝胶在潮湿条件下吸水膨胀,体积可增大3倍,混凝土产生的内应力致使包围骨料的水泥石胀裂。这种碱性氧化物与骨料中活性SiO2 之间的化学作用通常称为碱- 骨料反应。
碱- 骨料反应有3种类型:第1种为碱硅酸反应,积累时间一般为10～20年,最快的也是在混凝土浇注5年后开始出现裂缝;第2种为硅碳酸盐反应,多在混凝土施工2～3年后即出现膨胀裂缝,最快的可能在混凝土施工1年后出现裂缝;第3种为慢膨胀型碱硅酸反应,其反应的酝酿时间最长,一般为40～50年。混凝土发生碱- 骨料反应需具备3个必要条件:一是水泥中碱的含量较高;二是骨料中含有活性SiO2 ;三是混凝土中存有水分。
混凝土发生碱- 骨料反应损坏有两个特点:一是发生膨胀损坏;二是反应需要积累时间。因此,由碱- 骨料反应造成的工程损坏,一般先从裂缝开始,随着时间的延长,会造成工程整个胀长、中间上拱等损坏。碱- 骨料反应裂缝与干缩裂缝是有区别的,进行分辨时应注意以下几点:
(1)反应时间不同。干缩裂缝多在混凝土浇注后一个月内形成,以后在干燥环境中有所发展;碱-骨料反应裂缝则有反应积累时间,出现裂缝的时间比较滞后。
(2)裂缝的形状不同。干缩裂缝呈网状分布,有约束时裂缝垂直于约束方向,而且裂缝两侧的混凝土是平的。碱- 骨料反应裂缝在无约束条件时呈网状,但由于是膨胀裂缝,往往裂缝两侧的混凝土不平,由一侧拱起;裂缝在有钢筋约束时顺钢筋开裂。
某热电厂冷却塔运行7年后,人字柱角部主筋外侧混凝土存在不同程度的裂缝及松脱现象,且主筋也存在不同程度的腐蚀。通过现场实地勘察发现,该冷却塔的人字柱是在混凝土浇注8年后开始出现裂缝,裂缝顺着主筋方向开裂且裂缝两侧混凝土不平,属碱- 骨料反应现象。为保证该冷却塔安全运行,须对人字柱进行加固和防护,以抑制混凝土碱- 骨料反应的进一步发展。本文就人字柱具体的加固方案作一介绍。
1 工程概况
该冷却塔淋水面积2 000 m2 ,塔高60 m,人字柱断面为350 mm ×350 mm, 共计72 根, 每根长5. 5 m。施工期间正值冬季,平均气温为- 5 ℃,受冷却塔下面空气对流的影响,人字柱处平均气温为- 7～ - 10 ℃。
2 加固设计方案
根据冷却塔的设计图纸、施工资料和相关数据以及混凝土碱- 骨料反应的形成原因,决定采用某建筑科学院提供的双掺免振混凝土配合比和聚苯乙烯泡沫板保温技术。设计依据为: CECS 25—90《混凝土结构加固技术规范》和GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》。为了更好地抑制碱- 骨料反应, 在混凝土中掺加了粉煤灰和混凝土外加剂( PNC - Ⅲ和NC - Ⅲ) 。粉煤灰能与混凝土中游离的Ca (OH) 2及其他碱性物质发生反应,降低混凝土的碱度;混凝土外加剂( PNC - Ⅲ和NC - Ⅲ)是由无机材料与有机材料复合而成的多功能外加剂,其膨胀组分属硫铝酸盐类,含有天然沸石粉和硅灰。通过离子交换和吸收作用,天然沸石粉中的Na+离子与K+离子进入沸石骨架孔道,可降低混凝土的总碱度,从而抑制碱- 骨料反应;硅灰具有极高的火山灰活性,可与混凝土中游离的Ca (OH) 2 及其他碱性物质发生反应,降低混凝土的总碱度,抑制碱- 骨料反应。另外, 混凝土中加入外加剂( PNC - Ⅲ和NC - Ⅲ) ,可以提高混凝土的抗冻性、抗渗性和抗炭化性,配出的混凝土为高流塑状态,不用振捣即可达到设计要求的强度C 30、S 8、D 200。
3 加固施工工艺
3. 1 工艺流程
加固施工的工艺流程为:冷却塔停止运行→清除贮水池内的积水和淤泥→搭设脚手架→清除人字柱裂缝处松脱的表层混凝土→人字柱表面混凝土凿毛→裸露钢筋除锈→绑扎加固钢筋→支模并留设浇注口→浇注免振混凝土→拆模→涂刷防腐涂料。
3. 2 施工方案
(1)冷却塔停止运行后,将贮水池内的水排出并清除淤泥。
(2)将裂缝处松脱的表层混凝土清除干净,对完好的柱面进行人工凿毛处理。
(3)在人字柱内侧搭设两处排架,每一处搭设4跨;将人字柱分两处进行对称相向修补。
(4)对裸露的钢筋进行表面除锈。
(5)采用碗扣脚手架支撑模板,先支底模板和侧模板,支顶面模板时应隔一块支一块。预留混凝土浇注入口,模板外面采用槽钢柱箍加固。
(6)在加固的混凝土保护层内增加12Φ 12 mm钢筋, 箍筋采用Φ 6 mm 钢筋, 在距上、下两端500 mm的范围内,箍筋间距为100 mm; 在中间部分,箍筋间距为150 mm。
(7)由于人字柱为双向倾斜,每边的混凝土保护层仅有70 mm 左右,采用普通混凝土施工难度大,且无法用振捣棒振捣。根据该工程特点,浇注材料采用免振混凝土代替普通混凝土,骨料采用粒径为5 ～10 mm 的细石, 混凝土强度为C 30、S 9、D 200,与原柱体材料的设计强度一致。
(8)由于是冬季施工,气温很低,受冷空气对流影响,冷却塔下面的温度比大地的气温约低2 ～5 ℃,免振混凝土中需加NC - Ⅲ负温防冻剂。当浇注混凝土时,采用聚苯乙烯泡沫板与钢模共同支模方案,待混凝土有一定强度后拆掉模板,再在聚苯乙烯泡沫板外包裹塑料薄膜进行保温(见图1) 。
4 质量保证措施
(1)施工所用的钢筋不得有锈蚀现象;砂石应进行试验检验,砂石的含泥量应≯2 %。
(2)原有混凝土表面及原有锈蚀钢筋的表面处理,是该加固方案中的一道重要工序,这道工序处理的好坏,直接影响到加固修补的效果。具体的处理方法为:一是将表面松动、有裂纹的混凝土清除干净;二是将原人字柱中的锈蚀钢筋彻底清除,将钢筋表面的浮锈清除干净;三是用清洗剂将混凝土表面及锈蚀钢筋清洗干净;四是用丙酮将混凝土擦拭干净。
(3)加固用的主筋、箍筋严格按设计尺寸下料,其绑扎位置应正确,固定应牢靠,不得产生位移。
(4)模板的加固应牢靠, 槽钢柱箍的间距应≯600 mm,模板表面应清理干净,用胶水将模板与聚苯乙烯泡沫板粘结牢固,在泡沫板与混凝土接触处涂刷脱模剂。
(5)严格按免振混凝土配合比进行计量。
(6)混凝土、钢筋和模板工程验收时,应严格执行GB 50204—92《混凝土结构工程施工及验收规范》和DL /T 5210. 1—2005《电力建设施工质量验收及评定规程》(第一部分土建工程)的规定。
5 安全保证措施
(1)严格贯彻“安全第一,预防为主”的方针,对所有的施工人员进行入场前安全教育。
(2)施工人员进入现场必须戴安全帽、穿防滑鞋;在高于2 m处施工应系挂安全带,且系挂在牢固的地方;从事高空作业的人员应保证精力充沛,严禁酒后作业。
(3)施工时应经常检查脚手架搭设是否牢固,发现问题应及时处理。
(4)施工期间,电工应经常检查用电线路,以防止漏电。
(5)用铁丝将施工操作架板绑扎牢固,防止出现探头板。
(6)搭设一处进塔坡道,不得在无坡道处进出水塔。
(7)工程所用材料应传递使用,不得抛上抛下。
(8)不得擅自进入电厂的其他生产区域。
(9)设专职安全员1 名,随时检查各专业点的安全情况。
(10)施工用的编织袋、聚苯乙烯泡沫板等材料应集中妥善管理,防止被风吹入其他运行的水塔。
6 结语
笔者认为,该工程采取的加固方案施工工艺合理,措施得当,可广泛应用于冷却塔人字柱、淋水构件、薄壁型构件及有抗冻、抗渗等要求的混凝土构件的加固。
参考文献:
[ 1 ] GB 50204—2002,混凝土结构工程施工质量验收规范[ S].
[ 2 ] DL /T 5210. 1—2005,电力建设施工质量验收及评定规程(第一部分土建工程) [ S].
[ 3 ] GB 50010—2002,混凝土结构设计规范[ S].
[ 4 ] CECS 25—90,混凝土结构加固技术规范[ S].
[ 5 ] 王铁成. 混凝土结构基本构件设计原理[M ]. 北京:中国建材工业出版社, 2002.
