淺談水工混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)

陳廷柱 孫 猛

混凝土中的裂縫可降低混凝土品質(zhì)并誘發(fā)如鋼筋銹蝕等病害,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，危及工程安全。尤其水環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)在受到鋼筋銹蝕的同時(shí)，還承受著外部環(huán)境中溫度的反復(fù)變化、侵蝕、沖刷、凍脹及荷載等效應(yīng)，混凝土結(jié)構(gòu)物易受到進(jìn)一步的損傷而形成破壞。

一、不同水環(huán)境下的效應(yīng)

根據(jù)混凝土裂縫產(chǎn)生的時(shí)間次序，可分為施工中產(chǎn)生的裂縫和竣工后產(chǎn)生的裂縫。不同水環(huán)境下的水工結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中除去自然環(huán)境和施工條件影響產(chǎn)生的裂縫大多相同，但是竣工后產(chǎn)生的裂縫就有各自不同的特點(diǎn)。這與竣工后產(chǎn)生裂縫的因素和環(huán)境有很大關(guān)系。

（一）海水環(huán)境

1.鹽害效應(yīng)

鋼筋腐蝕被認(rèn)為是混凝土結(jié)構(gòu)破壞和耐久性不足的首要因素,引起鋼筋腐蝕的主要環(huán)境因素是“鹽害”。鹽類環(huán)境主要有海洋、沿海等海水環(huán)境以及鹽堿地。海洋是氯離子的主要來(lái)源，氯離子在海水中的含量約為19000mg/L，海風(fēng)、海霧、海砂中均含有不等量的氯離子。海水環(huán)境條件下氯離子在混凝土中的滲透與擴(kuò)散是產(chǎn)生混凝土裂縫的主要原因。

2.浪濺效應(yīng)

由于海風(fēng)潮汐的影響，海工結(jié)構(gòu)很可能承受水流風(fēng)浪的直接作用。海水的不斷沖刷，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞從而降低結(jié)構(gòu)的耐久性。另外由于大型船舶的航行所帶來(lái)的浪濺，也同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞。

（二）淡水江河和湖泊

1.水流沖刷效應(yīng)

水流對(duì)于河床的沖刷水環(huán)境中普遍存在，但是江河湖泊由于河道河勢(shì)變化較大，近岸水流直接作用于河岸，易沖刷并帶走河岸水面以上及以下的表層水土。我國(guó)許多河流經(jīng)常會(huì)發(fā)生岸坡崩塌,尤其是一些缺乏完全治理的大江大河河道河勢(shì)不穩(wěn),沖淤變化頻繁，岸灘沖刷崩塌現(xiàn)象普遍。

2.微生物的腐蝕效應(yīng)

細(xì)菌擴(kuò)散、海藻、苔蘚等都會(huì)產(chǎn)生微生物的腐蝕效應(yīng)。微生物腐蝕導(dǎo)致混凝土表面污損、表層疏松、砂漿脫落、骨料外露，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂和鋼筋銹蝕。

（三）城市內(nèi)河水環(huán)境

1.污水效應(yīng)

近年我國(guó)城市工業(yè)廢水及生活污水量逐年增長(zhǎng)，而我國(guó)城市環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，大量污水直接排入城市水系及相關(guān)流域。該環(huán)境下的水工結(jié)構(gòu)受到化學(xué)和微生物的雙重腐蝕，從而造成損壞。

在城市環(huán)境工程中，輸送和處理污水的構(gòu)筑物如排污管、初沉池、曝氣池和氧化溝、二沉池等都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這些貯池一般為埋地式、半埋地式的封閉、半封閉或敞口露天形態(tài)，長(zhǎng)期受酸堿等化學(xué)品、工業(yè)污水、工業(yè)大氣、紫外線、固體顆粒的流動(dòng)磨損、沖刷等作用，存在著酸堿腐蝕、大氣腐蝕、磨蝕、滲透式脹裂的物理侵蝕、菌藻類的微生物腐蝕等多種復(fù)雜形態(tài)的腐蝕，再經(jīng)歷一年四季的溫差變化，還會(huì)發(fā)生脹裂滲透的物理性破壞，從而形成嚴(yán)重的腐蝕。

2.酸雨效應(yīng)

酸雨會(huì)腐蝕混凝土表面，同時(shí)也會(huì)隨著水滲入混凝土內(nèi)部，腐蝕內(nèi)部結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，我國(guó)一些地區(qū)已經(jīng)成為酸雨多發(fā)區(qū)，酸雨污染的范圍和程度已經(jīng)引起人們的密切關(guān)注。

3.大氣污染效應(yīng)

侵蝕性氣體（二氧化硫、酸霧、二氧化碳）是大氣污染效應(yīng)主要原因。含有微量鹽、酸等侵蝕性氣體作用在混凝土中性化的環(huán)境中，從而引起鋼筋銹蝕。

4.人為破壞

城市內(nèi)河旁人員居住密集、活動(dòng)頻繁，結(jié)構(gòu)破環(huán)的幾率也較大。

二、共同效應(yīng)

（一）溫度效應(yīng)

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。引起溫度變化主要因素有：

1.年溫差

一年中四季溫度不斷變化，但變化相對(duì)緩慢，我國(guó)年溫差一般以1月和7月的月平均溫度作為變化幅度。

2.日照

由于日照的角度，結(jié)構(gòu)在不同位置的溫度不盡相同，溫度梯度呈非線形分布。

3.驟然降溫

大雨突降、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢，從而產(chǎn)生溫度梯度。

（二）凍脹效應(yīng)

大氣氣溫低于零度時(shí)，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時(shí)混凝土凝膠孔中的過(guò)冷水（在0℃以下還保持著液態(tài)的水）在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，應(yīng)力超出混凝土強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

（三）荷載效應(yīng)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受荷載后,在彎矩大的部位可能發(fā)生結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)的裂縫。原因在于：應(yīng)用不當(dāng)，超出結(jié)構(gòu)允許荷載；設(shè)計(jì)有錯(cuò)誤，如結(jié)構(gòu)布置不合理，斷面設(shè)計(jì)偏小，配筋計(jì)算有錯(cuò)誤，構(gòu)造要求未考慮等。

（四）鋼筋腐蝕

隨著時(shí)間的不斷推延，許多水下混凝土構(gòu)件中的鋼筋由于滲水而逐漸發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致其構(gòu)件的耐久性與結(jié)構(gòu)安全性降低。由此引發(fā)的工程損壞事例多有發(fā)生，尤其是沿海地區(qū)的閘、涵、橋、防護(hù)堤及鹽湖地區(qū)的水下混凝土銹蝕較為嚴(yán)重。據(jù)資料顯示，施工質(zhì)量較差的混凝土構(gòu)件，因?yàn)殇摻畹匿P蝕，正常使用幾年后，就會(huì)產(chǎn)生順筋脹裂，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，以致鋼筋混凝土失效。

三、結(jié)語(yǔ)

不同環(huán)境外部作用導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫是水工混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會(huì)影響水工混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能，而且會(huì)引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響水工混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。所以，必須對(duì)水工混凝土的環(huán)境作用和裂縫進(jìn)行深入細(xì)致的調(diào)查研究，區(qū)別對(duì)待，在施工和運(yùn)行維護(hù)中采取各種有效的措施來(lái)預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，以保證水工混凝土結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)久、耐用