淺談提升水工混凝土耐久性的技術(shù)措施

朱炳喜 許旭東

（江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225002）

0 引言

江蘇地處江淮，濱臨黃海，屬亞熱帶向暖溫帶過渡地區(qū)，氣溫正負(fù)交替頻繁，水環(huán)境復(fù)雜。水工混凝土受碳化、凍融、氯離子侵蝕、化學(xué)侵蝕等劣化作用，導(dǎo)致鋼筋銹蝕、混凝土剝蝕破壞，水下部位混凝土還有沖蝕、磨蝕等問題。

為了適應(yīng)水利現(xiàn)代化建設(shè)需要，規(guī)范水利工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等階段與混凝土耐久性有關(guān)的技術(shù)工作，江蘇省制定并頒布實(shí)施地方標(biāo)準(zhǔn)《水利工程混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》（DB32/T 2333-2013）（以下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）。

筆者簡(jiǎn)要分析部分工程混凝土碳化較快原因，提出提升水工混凝土耐久性的主要技術(shù)措施，希望有助于《規(guī)范》的理解和實(shí)施。

1 部分工程混凝土碳化檢測(cè)分析

1.1 混凝土碳化速度統(tǒng)計(jì)

表1 為近年來江蘇省建設(shè)的26座大中型水利工程60 個(gè)構(gòu)件混凝土碳化速度系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和預(yù)測(cè)碳化至鋼筋表面的時(shí)間。其中，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25～C35，保護(hù)層厚度為40 mm。從表1 可見，近45%的構(gòu)件鋼筋受保護(hù)時(shí)間不足50年。

1.2 混凝土碳化速度較快原因分析

（1）對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)不夠

大部分技術(shù)人員對(duì)混凝土認(rèn)識(shí)還停留在傳統(tǒng)的思維階段，認(rèn)為強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求混凝土即合格，對(duì)現(xiàn)代混凝土材料組成、生產(chǎn)方式、澆筑和養(yǎng)護(hù)技術(shù)認(rèn)識(shí)不夠，因而對(duì)混凝土的材料組成、配合比設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)方式還延續(xù)傳統(tǒng)的思維模式。

（2）設(shè)計(jì)文件缺乏深度

設(shè)計(jì)文件缺少針對(duì)混凝土所處環(huán)境進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，基本未提出混凝土耐久性指標(biāo)。實(shí)施過程中主要由施工單位負(fù)責(zé)混凝土原材料選擇和配合比設(shè)計(jì)，對(duì)混凝土強(qiáng)度和價(jià)格關(guān)心較多，對(duì)拌和物性能、耐久性考慮較少，沒有針對(duì)混凝土設(shè)計(jì)年限和所處環(huán)境對(duì)配合比提出要求或進(jìn)行論證。

對(duì)作為混凝土質(zhì)量基礎(chǔ)、與耐久性關(guān)系最密切的原材料指標(biāo)，如水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、骨料級(jí)配和粒形、外加劑與水泥適應(yīng)性以及材料質(zhì)量勻質(zhì)性等沒有提出具體要求。

（3）混凝土原材料質(zhì)量波動(dòng)影響大

混凝土原材料來源復(fù)雜，質(zhì)量波動(dòng)大，將對(duì)混凝土質(zhì)量造成較大影響。

以水泥為例，28 d 抗壓強(qiáng)度每降低1 MPa，混凝土水膠比需相應(yīng)降低0.01～0.015，膠凝材料用量增加5～10 kg/m3；水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量每增加1%，混凝土用水量增加6～8 kg/m3。表2 計(jì)算了水泥強(qiáng)度波動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量變化對(duì)C25 混凝土強(qiáng)度的影響。盡管施工中通過各種因素的綜合疊加、相互抵消，因水泥質(zhì)量波動(dòng)引起混凝土強(qiáng)度變化不一定有這么大，但表2 數(shù)據(jù)說明水泥質(zhì)量波動(dòng)對(duì)混凝土質(zhì)量的影響程度是比較大的。

（4）外加劑與水泥適應(yīng)性差、減水率不高

水泥粒形、細(xì)度、石膏品種、溫度等影響著與外加劑的適應(yīng)性，《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）對(duì)水泥早期強(qiáng)度要求提高，迫使水泥越來越細(xì)，C3A、C3S 等早強(qiáng)和高強(qiáng)礦物組分越來越多，水泥早期水化熱釋放快，水泥溫度也偏高。水泥與外加劑適應(yīng)性變差，表現(xiàn)在：減水率降低，混凝土坍落度損失加快，實(shí)際用水量增加，抗裂性變差，裂縫自愈能力降低。

外加劑減水率影響混凝土用水量，也影響混凝土碳化速率。某工程C25 混凝土分別使用減水率12%、20%的減水劑，混凝土用水量分別為190 kg/m3、173 kg/m3，雖然混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，但6.5年混凝土自然碳化深度前者是后者的1.4 倍。

表1 60 個(gè)構(gòu)件混凝土碳化檢測(cè)結(jié)果

表2 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)C25 混凝土性能影響

（5）混凝土用水量大、水膠比高

水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、摻合料需水性、骨料粒形與級(jí)配、外加劑減水率及其與水泥的適應(yīng)性以及混凝土坍落度大小等影響混凝土用水量。

現(xiàn)階段C25、C30 混凝土用水量基本在175～200 kg/m3之間，水膠比0.45～0.55，高 于GB/T50476-2008、CECS01－2004 等規(guī)范對(duì)混凝土水膠比和用水量的限值。施工過程中未能根據(jù)原材料質(zhì)量的變化調(diào)整配合比，多數(shù)情況下保持水泥、砂、石、外加劑等用量不變，通過調(diào)整用水量使混凝土坍落度滿足要求。

混凝土干燥后多余水份蒸發(fā)，在混凝土中形成孔隙，用水量越大，混凝土孔結(jié)構(gòu)越不合理，孔徑大于100 nm 的有害孔、多害孔越多，而無(wú)害孔、少害孔卻在減少，腐蝕介質(zhì)更易于在混凝土中滲透擴(kuò)散。

（6）混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足

施工速度普遍加快使混凝土常常得不到充分的早期養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致表層混凝土早期失水快，膠凝材料得不到充分水化，混凝土易產(chǎn)生有害孔、多害孔以及可見或不可見的裂縫。

一般要求未摻礦物摻合料混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，摻礦物摻合料混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于21 d，大摻量礦物摻合料混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d。目前，大部分商品混凝土中粉煤灰、礦渣粉的摻量（含水泥中摻入的混合材料）已接近甚至達(dá)到大摻量礦物摻合料的摻量范圍，而混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間普遍達(dá)不到上述要求。

（7）表層混凝土水膠比高于內(nèi)部混凝土

混凝土澆筑與振搗過程中，膠凝材料、水和集料中的微細(xì)顆粒，容易在靠近模板處聚集，造成表層混凝土的膠凝材料和含水量高，水膠比大于內(nèi)部混凝土約0.06。

2 提升混凝土耐久性技術(shù)措施

提升水工混凝土耐久性要根據(jù)工程所處環(huán)境、設(shè)計(jì)年限、施工條件，通過正確的設(shè)計(jì)技術(shù)、優(yōu)選材料、優(yōu)化配合比、精心施工，推廣應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新工藝，提高混凝土抗劣化能力。

2.1 確定混凝土設(shè)計(jì)使用年限

設(shè)計(jì)階段需根據(jù)工程規(guī)模、重要性，合理確定混凝土設(shè)計(jì)使用年限。大型、中型和?。?）型水利工程混凝土設(shè)計(jì)使用年限分別不低于100年、50年和30年，擴(kuò)建、改建、加固工程混凝土設(shè)計(jì)使用年限宜選擇30年或50年。

2.2 混凝土耐久性能設(shè)計(jì)

《規(guī)范》將混凝土所處環(huán)境類別分為：碳化環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境和化學(xué)侵蝕環(huán)境，將環(huán)境作用等級(jí)分為11 級(jí)。

設(shè)計(jì)階段應(yīng)依據(jù)工程所在地的氣候、水質(zhì)、土質(zhì)等環(huán)境條件，確定混凝土所處環(huán)境類別及其作用等級(jí)。根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，提出混凝土耐久性指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工措施、檢查維護(hù)等要求。

混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)、抗碳化、抗凍、抗?jié)B、抗氯離子滲透等耐久性能以及鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定。要求構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造應(yīng)有利于防腐，構(gòu)件截面幾何形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、平順，減少棱角、突變和應(yīng)力集中，混凝土表面應(yīng)有利于排水。

2.3 施工階段實(shí)現(xiàn)混凝土耐久性能途徑

（1）總體要求

施工單位應(yīng)編制混凝土耐久性質(zhì)量控制施工方案，根據(jù)結(jié)構(gòu)型式、施工條件、原材料狀況和耐久性能要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，抗裂要求較高的混凝土應(yīng)進(jìn)行抗裂性能試驗(yàn)。

施工階段應(yīng)按照低用水量、低水膠比、適宜膠凝材料總量原則設(shè)計(jì)混凝土，從原材料優(yōu)選和配合比優(yōu)化入手，降低混凝土用水量與水泥用量，降低混凝土水化熱溫升，提高混凝土體積穩(wěn)定性和抗裂性，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)、降低混凝土孔隙率。

（2）重視原材料質(zhì)量

水泥更要關(guān)注細(xì)度、勻質(zhì)性、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、溫度以及與外加劑適應(yīng)性，同樣是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的水泥，在混凝土中水泥用量、拌和物工作性能、強(qiáng)度、裂縫控制、耐久性以及與外加劑適應(yīng)性存在較大差異。

水泥宜使用普通水泥和硅酸鹽水泥，配制大摻量礦物摻合料混凝土宜使用硅酸鹽水泥，有溫控要求時(shí)不宜使用早強(qiáng)水泥。水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量宜<28%、初凝時(shí)間<3.5 h，比表面積300～350 m2/kg。水泥熟料礦物組成宜選擇在C3S≤55%、C2S≤20%、C3A≤8%、C4AF≥15%。

骨料要求表面潔凈，表面裹粉、裹泥需沖洗干凈；含泥量應(yīng)符合SL27 和SL234 的要求，不得含有泥塊、風(fēng)化石、軟弱顆粒；吸水率大的骨料配制混凝土?xí)休^大的長(zhǎng)期收縮，影響混凝土抗裂性，因此，飽和面干吸水率應(yīng)小于2%，干濕交替或凍融環(huán)境吸水率宜小于1%。

良好級(jí)配和粒形的骨料可降低混凝土用水量20%、減少干縮100×10-6mm/m。如果石子中缺少5～10 mm 乃至5～15 mm 的顆粒、砂的級(jí)配不符合級(jí)配區(qū)要求，會(huì)造成混凝土用水量偏高、膠凝材料用量和漿骨比增大，混凝土易開裂，因此，需重視骨料的級(jí)配與粒形。粗骨料宜采用兩級(jí)配或三級(jí)配，表觀密度大于2550 kg/m3，空隙率小于40%。

為保證混凝土澆筑密實(shí)、骨料與水泥石的粘結(jié)，鋼筋混凝土中粗骨料最大粒徑應(yīng)根據(jù)所處環(huán)境、保護(hù)層厚度、鋼筋最小凈距、施工工藝等綜合確定，并宜使用較小粒徑的粗骨料。

（3）使用礦物摻合料

混凝土中摻入粉煤灰、礦渣粉，既節(jié)約水泥、降低水化熱，又可利用其形態(tài)效應(yīng)、火山灰活性、微填料作用改善混凝土拌和物和易性、提高混凝土強(qiáng)度與密實(shí)性。礦渣粉具有吸附氯離子的作用，沿海工程混凝土中推薦使用。

單摻粉煤灰可能降低混凝土早期強(qiáng)度、混凝土碳化加快，單摻礦渣粉會(huì)加速混凝土早期水化熱溫升，因此，宜采用復(fù)摻技術(shù)。粉煤灰、礦渣粉的品質(zhì)及其摻量應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定。

（4）混凝土配合比

混凝土最大用水量、最大水膠比、膠凝材料用量、混凝土拌和物含氣量等應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定。

（5）限制混凝土中有害物質(zhì)含量

為防止使用過程中有害物質(zhì)對(duì)混凝土產(chǎn)生影響，混凝土中水溶性氯離子、堿、三氧化硫的含量應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定。

為防止堿骨料反應(yīng)，未經(jīng)論證不得使用堿活性骨料。鋼筋混凝土不應(yīng)使用含有氯化物的早強(qiáng)劑和防凍劑。預(yù)應(yīng)力混凝土不應(yīng)使用含有亞硝酸鹽、碳酸鹽的防凍劑。

（6）重視鋼筋保護(hù)層厚度

鋼筋銹蝕先從最外側(cè)的分布筋或箍筋開始，因此，鋼筋保護(hù)層所指的鋼筋對(duì)象包括主筋、箍筋或分布筋。

鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定。鋼筋開始銹蝕時(shí)間大體上與保護(hù)層厚度的平方成正比，以保護(hù)層厚度30 mm 為例，5 mm 的施工負(fù)偏差就可能使鋼筋開始銹蝕的時(shí)間縮短約30%，因此，施工過程中應(yīng)注意控制保護(hù)層厚度，不允許出現(xiàn)負(fù)偏差。

（7）重視混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是保證混凝土強(qiáng)度和耐久性的一道關(guān)鍵工序，混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)包括保溫養(yǎng)護(hù)和保濕養(yǎng)護(hù)，要求養(yǎng)護(hù)方法合適、養(yǎng)護(hù)時(shí)間足夠。良好養(yǎng)護(hù)對(duì)保混凝土證強(qiáng)度發(fā)展、改善孔結(jié)構(gòu)、防裂具有重要作用。

混凝土養(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定。建議推廣在澆筑階段采用能排除混凝土表層水而養(yǎng)護(hù)階段又起到保濕、保溫等功能的新型模板結(jié)構(gòu)，解決混凝土早期保濕、保溫養(yǎng)護(hù)難以到位難題。

（8）混凝土溫度裂縫控制

混凝土溫度裂縫控制應(yīng)采用內(nèi)降溫外保溫、提高混凝土抗裂能力等綜合措施。水泥和礦渣的表面積、水泥的C3A 含量和溫度、混凝土用水量和水膠比、膠凝材料用量、入倉(cāng)溫度、混凝土溫度監(jiān)測(cè)與溫差控制、保溫措施等應(yīng)符合《規(guī)范》的規(guī)定，重要結(jié)構(gòu)在配合比設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行抗裂性能對(duì)比試驗(yàn)；采取設(shè)置冷卻水管、埋入塊石等綜合措施。施工前宜對(duì)混凝土內(nèi)部溫度、溫度應(yīng)力進(jìn)行估算。

（9）混凝土缺陷處理

混凝土耐久性檢驗(yàn)項(xiàng)目不符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，混凝土產(chǎn)生裂縫等施工缺陷，應(yīng)進(jìn)行論證和處理。

2.4 混凝土防腐蝕附加措施

（1）使用密實(shí)抗蝕劑

膠凝材料水化后漿體的孔隙需要用更細(xì)的材料填充，摻入超細(xì)粉體密實(shí)抗蝕劑可填充混凝土內(nèi)毛細(xì)孔隙并參與水化反應(yīng)，促使混凝土強(qiáng)度、密實(shí)性進(jìn)一步提高。

（2）推廣混凝土表層致密化技術(shù)

混凝土表層致密化技術(shù)，即：在普通模板內(nèi)側(cè)粘貼具有透水、透氣功能的透水襯里模板布，混凝土澆筑過程中通過振搗壓力、靜水壓力、模板布毛細(xì)作用，排除混凝土表面水和空氣，降低表層水膠比，在混凝土表面形成厚度約20 mm 致密硬化層，模板布吸收的水份對(duì)表層混凝土可起到良好的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，減少細(xì)微裂縫產(chǎn)生，明顯減少混凝土表面氣孔。

金牛山水庫(kù)泄洪閘下游翼墻試點(diǎn)應(yīng)用混凝土表層致密化技術(shù)，C25混凝土300 d 齡期回彈強(qiáng)度推定值53～58 MPa，碳化深度0～1 mm，對(duì)比混凝土回彈強(qiáng)度27 MPa，碳化深度3～14 mm。

（3）使用阻銹劑

沿海工程水變區(qū)及其以上結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用鋼筋阻銹劑。

（4）混凝土表面浸漬

混凝土表面噴涂硅烷，吸入混凝土表層數(shù)毫米并與混凝土中Ca（OH）2反應(yīng)，使毛細(xì)孔憎水或填充部分毛細(xì)孔，能降低混凝土吸水性，使Cl-進(jìn)入混凝土內(nèi)部的遷移速率降低，適用于沿海水上混凝土。

（5）表面涂層保護(hù)技術(shù)

混凝土表面涂覆環(huán)氧、聚氨酯等涂料，可阻止腐蝕因子向混凝土內(nèi)部滲透擴(kuò)散，涂層使用時(shí)間10～20年。

2.5 運(yùn)行檢測(cè)維修

（1）運(yùn)行階段應(yīng)按SL75、SL255的規(guī)定進(jìn)行管理；監(jiān)測(cè)混凝土周邊環(huán)境，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生較大變化后，應(yīng)及時(shí)評(píng)估混凝土耐久性能；避免混凝土上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期積水或經(jīng)常處于干濕交替狀態(tài)。

（2）新建、擴(kuò)建工程每隔15～20年對(duì)混凝土進(jìn)行1 次耐久性能檢測(cè)，加固、改建工程每隔5～10年進(jìn)行1次耐久性能檢測(cè)；混凝土接近設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)及時(shí)進(jìn)行安全鑒定。

（3）混凝土出現(xiàn)耐久性損傷應(yīng)及時(shí)維修，混凝土維修應(yīng)符合GB 50367和JGJ/T 259 等規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

提高水工混凝土耐久性需要政府部門的推動(dòng)、社會(huì)各界的關(guān)注以及科研、設(shè)計(jì)、施工等單位的共同努力。

優(yōu)選混凝土材料、控制混凝土用水量與水膠比，精心施工、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、防止裂縫產(chǎn)生、推廣應(yīng)用混凝土表層致密化等新技術(shù)，是有效提升混凝土耐久性能的有效途徑。相信《規(guī)范》的實(shí)施，將有助于推動(dòng)水工混凝土耐久性設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等階段工作，實(shí)現(xiàn)混凝土設(shè)計(jì)使用年限目標(biāo)。