水工混凝土耐久性改善措施研究

孫玉玲

(朝陽市喀左縣六官營子鎮(zhèn)水利服務站，遼寧 朝陽 122300)

由于具有適應性好、易澆筑成型、原料簡單、能耗低等特點，混凝土被廣泛應用于水利工程領域，并逐漸成為一種用途最廣的建筑材料，其產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會效益巨大。混凝土應用初期因缺少足夠的認識，被人們認為具有很強的耐久性。隨著工程建設中混凝土的大量使用逐漸發(fā)現(xiàn)一系列問題，如特殊環(huán)境下出現(xiàn)過早破壞或達不到設計使用年限，加之運行維護困難而提前拆除重建，從而造成極大資源浪費甚至威脅防洪安全[1-3]。調查顯示，惡劣環(huán)境下早期建設的水利工程投入運行15-20a就開始出現(xiàn)侵蝕性或凍脹性破壞，為保證工程的安全運行需投入大量的物力與財力維修，尤其是受海水侵蝕破壞的一些港口碼頭，一般在10a就發(fā)生了鋼筋銹蝕、表層脫落等現(xiàn)象，需大修才能保持正常運行?？紤]到特殊復雜的環(huán)境條件，水利工程具有更高的耐久性要求，因此水利工程可持續(xù)發(fā)展的關鍵是減少后期維護費用、延長工程使用壽命以及提高混凝土耐久性[4]。

1 水工混凝土耐久性影響因素

混凝土耐久性是指受外界環(huán)境、自然條件和內部因素等作用，未超過設計目標要求的使用期就不需要花費巨大資金加固整治，保證其外觀質量、使用功能和安全運行的能力。這是一個包含抗堿集料反應、抗腐蝕性、抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化性等性能的綜合性指標，也是維護工程結構基本功能的重要環(huán)節(jié)，與水利工程服役年限密切相關[5]。

1.1 碳化作用

混凝土碳化是指內部的氫氧化鈣與空氣、水中的CO2發(fā)生化學反應，自然環(huán)境下生成碳酸鹽，內部堿度下降，故也稱為中性反應，反應方程為Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。碳化作用降低了內部的堿度，使鋼筋表面與堿性介質氫氧化鈣生成的鈍化膜發(fā)生破壞，逐漸降低保護鋼筋的作用，碳化深度>保護層厚時就失去了原有的防護功能，即在不利情況下引起鋼筋的銹蝕破壞。此外，碳化加劇了混凝土收縮致使結構出現(xiàn)裂縫，破壞工程結構的整體性。

1.2 凍融破壞

混凝土凍融破壞必須具備外界氣溫正負變化和飽水狀態(tài)兩個條件，滿足以上條件時內部孔隙水才能形成反復凍融循環(huán)。凍融循環(huán)時混凝土將受到兩種應力作用：①負溫條件下內部毛細水產(chǎn)生水轉變成冰的物態(tài)變化，體積增大近10%，但受毛細孔壁約束作用而出現(xiàn)膨脹應力(即拉應力)，主要分布于孔附近的微觀結構內；②凝膠孔中過冷水以及毛細孔水結冰情況下，受表面張力、微觀結構重分布和遷移變化產(chǎn)生的滲管壓力作用，隨孔徑減小毛細孔隙水的冰點逐漸下降，產(chǎn)生冰核時凝膠孔水溫度低于-78℃，因而鹽分濃度差及飽和蒸汽壓差將加速水的遷移，從而產(chǎn)生滲透壓；③凝膠逐漸增多產(chǎn)生的膨脹壓力開始增大，受凍時混凝土因以上壓力作用而產(chǎn)生損傷，經(jīng)多次反復凍融循環(huán)破壞范圍不斷積累擴大，并進一步發(fā)展成連通的裂縫，逐漸降低混凝土強度直至完全失去。

1.3 化學侵蝕

特殊復雜的環(huán)境條件致使水利工程往往受到各種介質的侵蝕作用，并引起一系列的物理與化學反應，逐步侵蝕混凝土結構，降低水泥石強度甚至發(fā)生破壞，工程中比較普遍的化學腐蝕有鎂鹽、硫酸鹽、碳酸鹽和軟水等[6]。鎂鹽腐蝕是指水泥石中的Ca(OH)2與地下水中的Mg2+反應生成無膠結力的氫氧化鎂，混凝土密度和強度明顯降低；硫酸鹽腐蝕是指水泥石中的固態(tài)水化鋁酸鈣與地下水中或建筑物基礎地層中的SO42-反應生成體積膨脹的水化硫鋁酸鈣，破壞結構強度；碳酸鹽腐蝕是指在壓力水流作用下混凝土與環(huán)境水中含量較高的CO2以及含碳酸的水反應生成CaCO3、Ca(HCO3)2，不斷溶解流失發(fā)生碳酸腐蝕，破壞工程結構；軟水侵蝕是指在壓力水流作用下和軟水環(huán)境中，混凝土內的Ca(OH)2逐漸被溶解流失，增加混凝土空隙，降低其密實度和強度。

1.4 堿骨料反應

堿骨料反應是指在有水條件下骨料內的活性礦物質和混凝土空隙中的堿溶液發(fā)生反應，并引起體積膨脹甚至混凝土的開裂破壞，一般很難根治這種危害作用。水泥熟料是堿性物質的主要來源，碳酸鹽、硅酸鹽、活性SiO2等為主要活性礦物質[7]。

一般地，混凝土堿骨料反應有堿-碳酸鹽、堿-硅酸鹽、堿-硅三種型式。其中，堿-硅反應最為常見，當使用含有活性SiO2的粗骨料和含有較高堿性物質的水泥熟料時，骨料中的活性SiO2與堿性物質水化生成的氫氧化鉀、氫氧化鈉反應并形成附著于骨料表面的堿-硅酸凝膠體，在潮濕環(huán)境中該凝膠體吸水產(chǎn)生膨脹，最終引起混凝土膨脹、開裂甚至破壞。

1.5 鋼筋銹蝕

鋼筋混凝土耐久性與鋼筋銹蝕程度直接相關，其中混凝土開裂和碳化深超過保護層厚度是引起鋼筋銹蝕的主要原因。鋼筋失去堿性環(huán)境以及鈍化膜的保護作用而轉變成活化狀態(tài)，在氯離子、氧氣和水作用下裂縫處最先出現(xiàn)坑蝕，鋼筋產(chǎn)生環(huán)向銹蝕并沿縱向發(fā)展形成片狀銹蝕，與原金屬相比鐵銹(氫氧化鐵)的體積膨脹2-4倍，沿鋼筋布置方向片狀銹蝕體積膨脹產(chǎn)生裂縫，并且鋼筋有效截面面積因鋼筋銹蝕明顯減小，混凝土使用功能和結構承載力受到嚴重影響，并進一步破壞結構強度。

2 水工混凝土耐久性改善措施

混凝土是經(jīng)攪拌、澆筑、硬化而形成的一種由水、骨料、水泥組成的水硬性材料，為了保證水泥石硬化過程中的工作性能，一般設計水灰比及拌和水用量偏大，結構空隙所占比例較高(25%-40%)，并以毛細孔為主，侵蝕介質、水分和其它有害介質通過這些空隙進入混凝土內部，從而引起耐久性下降；其次，由于水泥含堿量較高并且水化物穩(wěn)定性較差，生成的游離石灰強度極低，在侵蝕介質作用下極易破壞水泥石。因此，可從施工技術、工程設計和原材料選擇等角度采取有效措施提高混凝土耐久性。

2.1 合理選用原材料

水泥特性及其物質組成在很大程度上影響著混凝土耐久性，應考慮使用部位和水工結構所處環(huán)境選擇水泥品種，優(yōu)先選用抗腐蝕、抗凍抗?jié)B性能好以及水化熱低、含堿量小的水泥。一般地，干燥環(huán)境和有抗凍要求的混凝土不宜選用火山灰水泥，有抗?jié)B要求時不宜選用礦渣水泥，大體積混凝土應優(yōu)先使用礦渣、粉煤灰等低熱水泥，以控制因水化熱過高而引起的混凝土空隙增加以及裂縫的形成；混凝土受有害介質侵蝕時，應考慮介質濃度、類型等因素選擇特種水泥，如選用抗硫酸鹽水泥防止SO4-2離子侵蝕。

為達到設計強度要求必須選用強度高、質地致密的骨料，特別是粗骨料要嚴格控制有害物質含量。充分考慮骨料堿活用合理選擇骨料品種，從而控制混凝土受堿骨料反應破壞。為改善混凝土抗凍性、抗?jié)B性應優(yōu)先選用級配合理、吸水性能差、抗蝕性能好的骨料，改善和易性和密實度。混凝土強度直接受水灰比及拌和用水量的影響，通過水質化驗合理控制拌和用水水質，檢測水中的氯離子、鎂離子、硫酸根離子含量，有效防止鋼筋和水泥石受以上有害物質的侵蝕。

2.2 摻入適量外加劑

水泥水化生成絮狀物，并形成一種包含部分拌和水的凝聚結構。摻入表面活性劑——減水劑，能夠在水泥顆粒表面定向吸附表面活物質，靜電排斥力加大并致使水泥顆粒相互分散，凝聚結構受到破壞內部所包裹的游離水被釋放出來，混合物流動性明顯增加。因此，摻入適量的減水劑可以減少內部空隙數(shù)、用水量和水灰比，提高混凝土密實度、強度、抗凍性和抗?jié)B性。實踐表明，相同水泥用量時摻減水劑能降低10%-15%拌和水量以及提高15%-20%混凝土強度[8]。

摻入憎水性表面活性劑——引氣劑，拌和物能夠形成更多的微小氣泡，這些氣泡既阻斷了內部空隙通道又提高了混凝土的和易性、抗凍性和抗?jié)B性。實踐表明，保持水泥用量不變的條件下?lián)揭龤鈩┛纱蠓岣呖箖鲂?，?jié)約8%拌和水量。此外，微小氣泡的存在一定程度上降低了有效斷面面積和混凝土強度。目前，采用引氣性高效減水劑既能減少拌和用水量，又能提高混凝土抗凍性、抗?jié)B性和強度[9]。

2.3 配制高性能混凝土

水泥石中水化物穩(wěn)定性差是影響混凝土耐久性的關鍵因素[10]，將高效活性礦物料(硅粉、礦粉、粉煤灰)摻入普通混凝土中可改善水泥石膠凝材料組成。水泥水化過程中產(chǎn)生的水化硅酸鈣、游離石灰能與高效活性礦物料中含有的活性AL2O3、SiO2二次反應，生成的水化硅酸鈣穩(wěn)定性、強度更優(yōu)。此外，由于水泥顆粒的平均粒徑較大，超細礦粉顆粒能夠填充水泥石空隙，堵塞內部滲漏通道，提高水泥石密實度。所以，配制高性能混凝土可以改善耐久性。

2.4 設計與施工保護

混凝土保護層厚度應考慮實際環(huán)境條件合理設計，以此延長侵蝕介質滲入內部的時間，達到保護鋼筋的目的。對于易破壞的位置應按照規(guī)范要求適當加大保護層厚度，混凝土結構要盡量少留施工縫，實行整體澆筑，必須預留施工縫時要選擇合適的位置和結構型式，不得對混凝土耐久性造成影響；此外，混凝土結構設計應嚴格控制裂縫寬度，以防裂縫過寬引起鋼筋銹蝕，降低整體質量[11]。

施工過程中常用的混凝土保護措施有：混凝土拌制方法主要有裹砂法、兩次攪拌法等，從而確保拌和物均勻性；結合現(xiàn)場施工環(huán)境實時調整配合比，減少拌和用水量及改善拌和物和易性與強度；為防止漏振、過振可能造成的問題應嚴格執(zhí)行混凝土振搗制度。一般從表面開始破壞，終凝前必須用原漿壓光抹面減少滲透性，提高結構密實度[12]。

2.5 鋼筋防腐預處理

實際工程中，多采取以下措施預處理水工鋼筋混凝土：①通過涂抹保護隔離層封閉混凝土內部的滲漏通道，以防外界侵蝕性介質滲透混凝土內部造成鋼筋銹蝕，一般利用乳化瀝青涂層、環(huán)氧基液涂層等；②采用環(huán)氧涂層保護鋼筋，通過靜電噴涂形成一定厚度的保護層，以此阻斷侵蝕性介質對鋼筋的腐蝕；③嘗試利用各種鋼筋阻銹劑、耐銹劑等新產(chǎn)品。

3 結 論

混凝土耐久性涉及施工、設計、材料、環(huán)境等諸多因素，改善其耐久性屬于一項綜合性系統(tǒng)問題。因此，只有合理利用材料、科學設計工程結構、實行必要的維護與管理以及嚴格控制施工質量才能保證混凝土耐久性。