浅谈水工混凝土结构的环境效应

陈廷柱 孙 猛

混凝土中的裂缝可降低混凝土品质并诱发如钢筋锈蚀等病害,甚至导致结构破坏，危及工程安全。尤其水环境下的混凝土结构在受到钢筋锈蚀的同时，还承受着外部环境中温度的反复变化、侵蚀、冲刷、冻胀及荷载等效应，混凝土结构物易受到进一步的损伤而形成破坏。

一、不同水环境下的效应

根据混凝土裂缝产生的时间次序，可分为施工中产生的裂缝和竣工后产生的裂缝。不同水环境下的水工结构施工过程中除去自然环境和施工条件影响产生的裂缝大多相同，但是竣工后产生的裂缝就有各自不同的特点。这与竣工后产生裂缝的因素和环境有很大关系。

（一）海水环境

1.盐害效应

钢筋腐蚀被认为是混凝土结构破坏和耐久性不足的首要因素,引起钢筋腐蚀的主要环境因素是“盐害”。盐类环境主要有海洋、沿海等海水环境以及盐碱地。海洋是氯离子的主要来源，氯离子在海水中的含量约为19000mg/L，海风、海雾、海砂中均含有不等量的氯离子。海水环境条件下氯离子在混凝土中的渗透与扩散是产生混凝土裂缝的主要原因。

2.浪溅效应

由于海风潮汐的影响，海工结构很可能承受水流风浪的直接作用。海水的不断冲刷，会对结构造成损坏从而降低结构的耐久性。另外由于大型船舶的航行所带来的浪溅，也同样会对结构造成损坏。

（二）淡水江河和湖泊

1.水流冲刷效应

水流对于河床的冲刷水环境中普遍存在，但是江河湖泊由于河道河势变化较大，近岸水流直接作用于河岸，易冲刷并带走河岸水面以上及以下的表层水土。我国许多河流经常会发生岸坡崩塌,尤其是一些缺乏完全治理的大江大河河道河势不稳,冲淤变化频繁，岸滩冲刷崩塌现象普遍。

2.微生物的腐蚀效应

细菌扩散、海藻、苔藓等都会产生微生物的腐蚀效应。微生物腐蚀导致混凝土表面污损、表层疏松、砂浆脱落、骨料外露，严重时会产生开裂和钢筋锈蚀。

（三）城市内河水环境

1.污水效应

近年我国城市工业废水及生活污水量逐年增长，而我国城市环境保护基础设施建设不足，大量污水直接排入城市水系及相关流域。该环境下的水工结构受到化学和微生物的双重腐蚀，从而造成损坏。

在城市环境工程中，输送和处理污水的构筑物如排污管、初沉池、曝气池和氧化沟、二沉池等都是钢筋混凝土结构。这些贮池一般为埋地式、半埋地式的封闭、半封闭或敞口露天形态，长期受酸碱等化学品、工业污水、工业大气、紫外线、固体颗粒的流动磨损、冲刷等作用，存在着酸碱腐蚀、大气腐蚀、磨蚀、渗透式胀裂的物理侵蚀、菌藻类的微生物腐蚀等多种复杂形态的腐蚀，再经历一年四季的温差变化，还会发生胀裂渗透的物理性破坏，从而形成严重的腐蚀。

2.酸雨效应

酸雨会腐蚀混凝土表面，同时也会随着水渗入混凝土内部，腐蚀内部结构。近年来，我国一些地区已经成为酸雨多发区，酸雨污染的范围和程度已经引起人们的密切关注。

3.大气污染效应

侵蚀性气体（二氧化硫、酸雾、二氧化碳）是大气污染效应主要原因。含有微量盐、酸等侵蚀性气体作用在混凝土中性化的环境中，从而引起钢筋锈蚀。

4.人为破坏

城市内河旁人员居住密集、活动频繁，结构破环的几率也较大。

二、共同效应

（一）温度效应

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。引起温度变化主要因素有：

1.年温差

一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，我国年温差一般以1月和7月的月平均温度作为变化幅度。

2.日照

由于日照的角度，结构在不同位置的温度不尽相同，温度梯度呈非线形分布。

3.骤然降温

大雨突降、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，内部温度变化相对较慢，从而产生温度梯度。

（二）冻胀效应

大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水（在0℃以下还保持着液态的水）在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，应力超出混凝土强度，导致裂缝出现。

（三）荷载效应

钢筋混凝土结构承受荷载后,在弯矩大的部位可能发生结构允许出现的裂缝。原因在于：应用不当，超出结构允许荷载；设计有错误，如结构布置不合理，断面设计偏小，配筋计算有错误，构造要求未考虑等。

（四）钢筋腐蚀

随着时间的不断推延，许多水下混凝土构件中的钢筋由于渗水而逐渐发生锈蚀，导致其构件的耐久性与结构安全性降低。由此引发的工程损坏事例多有发生，尤其是沿海地区的闸、涵、桥、防护堤及盐湖地区的水下混凝土锈蚀较为严重。据资料显示，施工质量较差的混凝土构件，因为钢筋的锈蚀，正常使用几年后，就会产生顺筋胀裂，从而导致结构破坏，以致钢筋混凝土失效。

三、结语

不同环境外部作用导致出现裂缝是水工混凝土结构中普遍存在的现象，它的出现不仅会影响水工混凝土结构的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响水工混凝土结构的承载能力。所以，必须对水工混凝土的环境作用和裂缝进行深入细致的调查研究，区别对待，在施工和运行维护中采取各种有效的措施来预防裂缝的出现和发展，以保证水工混凝土结构的安全、稳定、经久、耐用