碳化對沿海水閘工程的影響及長期服役性能研究

(江蘇鹽城水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224014)

我國海岸線約有1.8萬km，分布有大大小小1800多個入?？?，在這些入?？诖蟛糠侄夹藿怂l，發(fā)揮著擋潮和排澇等重要作用，但是由于沿海水閘處于復(fù)雜的工作環(huán)境之中，對于水閘的破壞和老化具有重要影響，造成其結(jié)構(gòu)損傷、安全性降低和壽命減少，因而有必要對沿海水閘的長期服役性能進行研究[1-3]。

影響沿海地區(qū)水閘工程長期運行的因素較多，主要包括外部環(huán)境因素和內(nèi)部人為因素。外部環(huán)境因素包括軟土地基、碳化作用、氯離子侵蝕、堿骨料反應(yīng)、海水腐蝕、凍融作用等；內(nèi)部人為因素包括設(shè)計、材料、施工、養(yǎng)護等。其中，水閘混凝土碳化問題對于水閘安全運行是一個不可忽視的重要問題，特別是在沿海地區(qū)高鹽腐蝕環(huán)境作用下，水閘的碳化損傷更加明顯，對沿海水閘結(jié)構(gòu)碳化規(guī)律進行研究，能夠為科學(xué)合理制定沿海水閘的運行維護策略提供理論依據(jù)[4-8]。

本文對沿海水閘工程碳化作用下的損傷及長期服役性能進行了探討，以期能為準確評估沿海地區(qū)水閘工程的長期服役性能并制定合理碳化處理措施提供指導(dǎo)。

1 碳化機理分析

水閘混凝土結(jié)構(gòu)的碳化損傷主要是指空氣中的二氧化碳通過毛細管、孔隙、氣泡等孔隙結(jié)構(gòu)向閘室混凝土內(nèi)部擴散，并與混凝土中的氫氧化鈣等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣等物質(zhì)的過程。主要分為三個過程：化學(xué)反應(yīng)過程、CO2在混凝土中的擴散過程以及Ca(OH)2的擴散過程。其中Ca(OH)2的擴散過程速度最慢，但此過程決定了水閘混凝土結(jié)構(gòu)碳化速度和分層特性。影響混凝土碳化的影響因素較多，可分為外部因素和內(nèi)部因素，外部因素主要包括CO2濃度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及應(yīng)力狀態(tài)等，內(nèi)部因素主要包括水灰比、水泥用量、水泥品種以及施工質(zhì)量等?；炷撂蓟瘯档突炷羶?nèi)部的堿度，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕和損傷，同時，碳化還會加大混凝土的脆性，使得混凝土中的裂縫結(jié)構(gòu)增多，從而影響水閘的長期服役性能。

2 碳化對水閘的影響分析

2.1 研究對象

本文選擇沿海不同碳化時間(檢測時間、建成時間)的水閘，并選擇內(nèi)地碳化時間與之基本相同的水閘進行對比研究。其中，沿海地區(qū)水閘最短碳化時間為5年，最長碳化時間為61年；內(nèi)地地區(qū)水閘最短碳化時間為6年，最長碳化時間為58年。統(tǒng)計的沿海水閘閘墩樣本數(shù)為980個，水閘排架樣本數(shù)為726個，內(nèi)地水閘閘墩樣本數(shù)為1020個，排架數(shù)為830個，取統(tǒng)計構(gòu)件的樣本平均值作為檢測值(見表1)。

表1 統(tǒng)計各水閘碳化時間

2.2 碳化時間對閘墩的影響

從檢測得到的水閘閘墩碳化值隨碳化時間的變化曲線(見圖1)可以看到：沿海水閘閘墩碳化值隨碳化時間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，碳化時間越長，閘墩的碳化值越大，而內(nèi)地水閘閘墩的碳化值隨碳化時間增加反而呈逐漸減小趨勢，出現(xiàn)這種反差的主要原因可能是不同水閘修建的年代不同，所使用的混凝土有較大區(qū)別，從20世紀80年代開始，商品混凝土由于效率高、速度快，逐漸取代自拌混凝土，在水閘閘墩等大體積混凝土澆筑中也得到廣泛應(yīng)用，但是由于各方面原因?qū)е律唐坊炷猎谂浜媳?、原材料、強度以及運輸方面存在一定弊端，如商品混凝土膠凝材料用料多，坍落度大，摻加粉煤灰和外加劑情況較多，增大了混凝土干燥收縮，使得閘墩易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致抗?jié)B性能變差，因而抗碳化能力降低，總之，商品混凝土在水閘工程中的應(yīng)用會在一定程度上加速新閘的碳化，因而使用商品混凝土修建的新水閘閘墩碳化值反而高于舊水閘閘墩的碳化值。但是對于沿海水閘閘墩而言，除了受到上述因素影響之外，還會受到海洋環(huán)境的影響，海洋環(huán)境對水閘的侵蝕主要為氯離子侵蝕和海水腐蝕，一方面，氯離子侵蝕會破壞鈍化膜、形成銹蝕電池，同時氯離子具有去極化和導(dǎo)電作用，容易引發(fā)鋼筋銹蝕，另一方面，海水中MgSO4、MgCl2會與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土孔隙率增大，結(jié)構(gòu)被破壞，海水環(huán)境對混凝土碳化的影響超過了商品混凝土對碳化的影響，因而沿海地區(qū)的碳化值隨碳化時間增加而增加。

圖1 水閘閘墩碳化值變化曲線

2.3 碳化對排架的影響

從檢測得到的水閘排架碳化值隨碳化時間的變化曲線(見圖2)可以看到：不管是沿海地區(qū)還是內(nèi)地地區(qū)，水閘排架的碳化值與碳化時間無明顯的相關(guān)性，這可能與排架所接觸的環(huán)境有關(guān)；沿海地區(qū)和內(nèi)地地區(qū)水閘閘墩的碳化均值分別為23.5mm和10.5mm，排架的碳化均值分別為14.9mm和10.5mm；由此可見，沿海地區(qū)水閘混凝土的碳化值普遍高于內(nèi)地，這是因為氯離子侵蝕和海水腐蝕環(huán)境加速了混凝土碳化，而沿海閘墩的碳化值又普遍高于排架的碳化值，這主要是由于水閘閘墩處于海水水位變動區(qū)，水位變動又會造成頻繁的干濕循環(huán)，因而也會加速混凝土的碳化損傷，但內(nèi)地閘墩和排架的碳化值相差不大。

圖2 水閘排架碳化值變化曲線

3 長期服役性分析

水閘混凝土的碳化損傷極限狀態(tài)可用下式表示：

Z=C-T

(1)

式中Z——水閘混凝土剩余保護層厚度，mm；

C——混凝土最開始的保護層厚度，mm；

T——混凝土的碳化深度值，mm。

定義水閘混凝土的碳化深度功能函數(shù)的概率密度表達式為

(2)

(3)

μz=μc-μT

(4)

式中μz——功能函數(shù)均值，mm；

σz——功能函數(shù)標準差，mm；

σc和μc——保護層標準差和均值，mm；

σT和μT——碳化標準差和均值，mm；

T——碳化時間，a。

定義水閘混凝土碳化壽命的可靠度指標為β：

(5)

當(dāng)β>3.5時，表明水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好；當(dāng)3.5>β>2.3時，表明水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般；當(dāng)2.3>β時，表明水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

對沿海地區(qū)10個水閘的閘墩進行了碳化壽命預(yù)測計算(見圖3)，從中可以看到：水閘閘墩可靠度指標為β隨著服役年限的增加而呈逐漸降低的趨勢，服役10年以內(nèi)，水閘閘墩處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好狀態(tài)，服役10～50年，水閘閘墩處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般狀態(tài)，服役50年以上，水閘閘墩處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差狀態(tài)?，F(xiàn)場進行的10個水閘閘墩的檢測表明：三里閘、燒香河閘以及車軸河閘閘墩混凝土開裂現(xiàn)象嚴重，存在較多露筋現(xiàn)象，同時局部鋼筋還出現(xiàn)了銹斷情況，因此，需要對三個水閘進行大修或者拆除重建。

圖3 沿海地區(qū)水閘閘墩可靠度指標

4 碳化處理

4.1 防碳化處理措施

合理設(shè)計水閘混凝土配合比，嚴格控制水膠比和保護層最小厚度；盡量選用活性摻和料以及減水劑，最大限度限制混凝土中氯化物的含量；選擇合適的模板進行施工，模板施工時需要固定牢，拆模后需要合理養(yǎng)護；混凝土澆筑完成后需在表面進行涂覆。

4.2 碳化處理方法

若碳化損傷比較嚴重，且出現(xiàn)了大面積的鋼筋銹蝕情況，結(jié)構(gòu)安全性得不到保障，則需要對水閘進行拆除重建；對于碳化損傷較小，碳化深度仍然小于鋼筋保護層厚度，且混凝土碳化層比較堅固的，可采用優(yōu)質(zhì)涂料對碳化部位進行封閉處理；對于碳化深度大于鋼筋保護層厚度或者碳化深度小于鋼筋保護層厚度，但混凝土碳化層疏松易剝落的，需要鑿除這部分碳化層，然后用高強砂漿或者高強混凝土進行回填；對于鋼筋銹蝕的部位，需要在修補前對鋼筋進行除銹處理，同時對于銹蝕比較嚴重的部分進行加補鋼筋處理[9-10]。

5 結(jié) 語

本文以沿海地區(qū)水閘工程為研究對象，探討碳化作用對沿海水閘的影響極其長期服役性能。結(jié)果表明：沿海地區(qū)閘墩混凝土碳化隨服役時間的增加而逐漸增大，內(nèi)地閘墩混凝土碳化隨服役時間的增加而逐漸減?。凰l排架的碳化值與碳化時間無明顯的相關(guān)性；沿海地區(qū)水閘混凝土的碳化值普遍高于內(nèi)地，這是因為氯離子侵蝕和海水腐蝕環(huán)境加速了混凝土碳化，而沿海閘墩的碳化值又普遍高于排架的碳化值，表明海水水位變動區(qū)的碳化損傷更明顯。通過對沿海地區(qū)水閘閘墩碳化的可靠度指標進行計算，得到不同水閘的長期服役狀態(tài)，得出三里閘、燒香河閘以及車軸河閘閘墩進行大修或者拆除重建的結(jié)論。

針對水閘混凝土碳化問題，提出了防碳化處理措施和碳化處理方法，對維持沿海地區(qū)水閘工程長期服役性能具有一定的借鑒意義。