塔里木灌区混凝土碳化问题的思考

2010-05-04傅晓松崔兆充邱红霞

水利规划与设计 2010年3期

关键词：水灰比水工碳化

傅晓松崔兆充邱红霞

(新疆兵团农一师勘测设计院新疆阿克苏 843000)

1 前言

塔里木河流域近期综合治理项目的实施,给农一师水利事业带来了很好的机遇。“十五”、“十一五”期间,各垦区完成了数量较多的防渗渠道和渠道水工建筑物,为节水灌溉和农业生产发展提供了良好的条件。

但是,随着大批水工建筑物的相继建成和投入运用,也逐渐地暴露出一些值得关注的问题。其中以 “混凝土碳化”问题最为突出。

2 水工建筑物的水上钢筋混凝土结构碳化破坏现状

(1)五团总干渠 1+270新老干渠分水闸(2000年建),钢筋混凝土闸门顶梁碳化裂缝严重(裂缝宽 2～3mm),从外观看已近于 “散架”。启闭梁碳化深度 24mm。

(2)塔北一干渠 (1998年建),17+190闸,节制闸工作桥各个排架柱四面均出现大小不等的竖向裂缝,最大裂缝宽超过 2mm。

塔北二干渠几乎所有的钢筋混凝土闸门主梁,均出现不同程度的水平裂缝。

(3)塔北总干渠 15km闸 (2006年建),该闸建成仅两年,实测工作桥混凝土的最大碳化深度17mm。

混凝土的碳化破坏,主要集中发生在水工建筑物的水上钢筋混凝土结构上。如交通桥、工作桥、检修桥、排架柱、钢筋混凝土闸门及栏杆等。使用10年以上的水工建筑物,上述部位由于混凝土碳化、钢筋锈蚀,出现的裂缝随处可见。混凝土保护层剥落的情况也屡见不鲜。

3 混凝土的碳化机理及其影响因素

3.1 混凝土碳化作用及其与钢筋锈蚀的关系

混凝土的碳化是指空气中的 CO2、SO2等酸性气体与混凝土中的 Ca(OH)2(液相)作用,生成CaCO3和 H2O的中性化过程。

在钢筋混凝土结构中,由于钢筋在高碱性环境中,钢筋表面产生钝化膜使钢筋免遭锈蚀。混凝土中水泥水化作用生成的 Ca(OH)2含量大小决定混凝土 p H值高低。Ca(OH)2一方面是混凝土高碱度的提供者,但它却又是混凝土中最不稳定的成分之一,很容易与环境中的酸性介质发生中和反应,使混凝土碳化。混凝土碳化以后 pH值降低,钢筋表面钝化作用消失,钢筋便开始锈蚀。

在理想情况下,混凝土中的 p H值可以达到12.5～13,此时钢筋处于钝化状态,不会锈蚀。当混凝土的 pH值大于 11.5时,钢筋才能完全处于钝化状态。当混凝土的 pH值在 9.88～11.5之间,钢筋表面的钝化膜呈不稳定状态,钢筋表面有可能发生锈蚀。当混凝土的 p H值小于 9.88时,钢筋的钝化作用完全消失,钢筋便发生锈蚀。

混凝土的碳化问题主要发生在水上部位,长期处于水位以下的混凝土,一般不直接同空气接触,不存在碳化问题。

3.2 影响混凝土碳化的因素

影响混凝土碳化的主要因素是混凝土本身的密实性和碱性物质储备的大小,即混凝土的渗透性和Ca(OH)2含量的大小。混凝土的空隙率越小,渗透性越低,密实性越高,Ca(OH)2含量越大,则混凝土的抗碳化性能越好。反之,则越差。

影响混凝土的密实性及其碱性储备的因素比较复杂,具体说有材料、环境和施工三大因素。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品种及其用量、混凝土强度等级、骨料级配、外加剂等。环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及 CO2气体浓度等。施工因素包括混凝土搅拌、振捣质量和养护条件等。

3.2.1 水灰比的影响

由于混凝土水化作用所消耗的水量仅占混凝土拌和用水量的 25%～30%左右,因此混凝土硬化后,多余的水分蒸发或残留在混凝土中。所以混凝土实际上是一种多孔性的混合材料,其内部往往存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷。具有一定的透气性。

因此,水灰比增大,会增加混凝土内部的孔隙和毛细孔的含量,使混凝土的透气性提高,CO2气体在混凝土毛细孔的扩散速度加快,加速混凝土的碳化过程。

3.2.2 水泥用量的影响

水泥用量较大时,一方面混凝土的密实性比较高;另一方面混凝土内部的 Ca(OH)2含量较大,混凝土抗碳化性能较好。水泥用量较小时,混凝土密实性则相对较差,同时混凝土内部的 Ca(OH)2含量也相对减少。

3.2.3 水泥品种的影响

试验资料表明,矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥拌制的混凝土,其碳化速度要比硅酸盐水泥配制的混凝土碳化速度快。这是因为硅酸盐水泥中CaO含量高,能生成较多的 Ca(OH)2,混凝土的碱性高。同时 CO2气体在硅酸盐混凝土中的渗透速度相对较慢。因此,采用硅酸盐水泥拌制的混凝土,具有较好的抗碳化性能。

3.2.4 空气相对湿度的影响

混凝土的碳化与环境的相对湿度有重要关系。因为混凝土在碳化过程中与 CO2发生反应生成的水分要向外扩散,以保持混凝土内部与大气之间的湿度平衡。在相对湿度接近 100%时,混凝土中的空隙被冷凝水所充满,使 CO2气体向混凝土内渗透速度受阻,混凝土的碳化作用将停止。当相对湿度小于 25%时,虽然 CO2气体向混凝土内的扩散渗透速度加快,但混凝土空隙中,没有足够的水,空气中 CO2无法溶解于混凝土的毛细管水中,或者其溶解量很小,不能与碱性溶液发生反应,因此混凝土内部的碳化反应也无法进行。有资料表明,在相对湿度 50%～70%的条件下,最有利于促使混凝土碳化。这就是为何我国内陆相对于沿海潮湿地区混凝土碳化作用明显的原因所在。

3.2.5 空气中 CO2浓度的影响

空气中 CO2气体的浓度越高,混凝土的碳化速度越快,碳化深度越大。

3.2.6 混凝土强度等级的影响

一般混凝土强度等级越高,混凝土就越密实,CO2气体在混凝土表层的扩散渗入速度越慢,混凝土的碳化速度降低,抗碳化性能提高。有人认为水灰比很小而且很密实的混凝土 (C50以上的混凝土),因碳化所引起的钢筋锈蚀问题可以忽略不计。

3.2.7 混凝土施工时振捣、养护的影响

混凝土在施工操作过程中振捣充分、养护良好,则混凝土硬化后密实度较高,混凝土的碳化速度就慢。若混凝土在施工过程中,振捣不充分,混凝土在硬化初期养护不良,混凝土中的水分蒸发过快,混凝土面层渗透性 (透气性)增大,则混凝土的碳化加快。

3.2.8 混凝土中氯化钠含量的影响

混凝土中含有氯化钠,碳化速度会明显加快,氯化钠的含量越高,混凝土的碳化速度就越快。因此,在施工过程中,使用氯化物超标的水拌制混凝土或者在混凝土中渗入含有氯化物的外加剂,都会加速混凝土的碳化。

3.3 混凝土碳化导致的钢筋混凝土结构破坏

房屋建筑工程一般要进行抹灰装修,抹灰装修层在钢筋混凝土外围形成保护层,对延缓钢筋混凝土结构的碳化速度有很好的作用。水利工程、桥梁工程就不同了,混凝土及钢筋混凝土工程都不允许抹面,混凝土表面直接同水体或大气接触,因此,混凝土的碳化问题比较突出。

混凝土碳化后,pH值降低,钝化作用消失,钢筋便开始锈蚀。铁锈体积膨胀 (一般增长 2～4倍),使混凝土保护层胀裂甚至脱落,钢筋外露。

铁锈的生成既削减了受力钢筋的截面,同时又破坏了钢筋与混凝土之间的黏结,使钢筋与混凝土协同受力的能力降低,最终会造成结构性破坏。

阿克苏河新开岭老大桥混凝土 T梁的老化破坏就是一个明显的例证。

4 该区钢筋混凝土结构碳化破坏的主要影响因素

4.1 环境的相对湿度有利于混凝土碳化

农一师各垦区位于塔克拉玛干大沙漠北缘,属于暖温带极端干旱的气候类型,空气相对湿度较低,基本不超过 50%。

例如:塔里木灌区年均相对湿度 40%左右,而水工建筑物在河道、渠系等水环境影响下,周围空气的相对湿度多在 50%～75%之间,在这样的空气湿度下混凝土碳化作用非常活跃。

4.2 混凝土密实度较低

农一师水利工程混凝土密实度偏低的原因,有设计、施工等多方面的因素。

(1)混凝土配合比方面。目前,通常都是在确定混凝土粗、细骨料场和水泥品种后,委托有资质的单位通过试验提供施工使用的混凝土配合比。混凝土配合比试验主要满足设计单位提供的混凝土强度、抗渗、抗冻融三大指标,但对如何提高混凝土的密实度和抗碳化性能,怎样延长混凝土结构的使用寿命等问题,则考虑甚少。

因此,除了高标号混凝土 (例如 C40、C50以上)以外,一般混凝土的水泥用量都不大,这是混凝土密实度不足的主要原因之一。同时水泥用量不大,又会使混凝土中的 Ca(OH)2含量相对较小,混凝土的碱性储备不足,混凝土抗碳化性能也较差。

(2)混凝土水灰比偏大。在施工过程中,拌制混凝土时加水量控制不严。实际水灰比往往大于设计配合比。特别是为了抢工期,有些施工单位,往往通过增加混凝土的拌和水量,来加大混凝土坍落度,来达到加快施工速度的目的,结果使混凝土的密实度降低。

(3)混凝土配料不准确。目前农一师在中、小水利工程施工时,多数仍采用人工过秤配料。特别是混凝土防渗渠道施工,由于点多、线长,施工监督不易全面到位,工人配料不认真,砂子、石子配入量有时高于规定配合比,也使混凝土的密实度下降。

(4)混凝土施工振捣不够密实,使混凝土内部气孔增多。

(5)模板漏浆,混凝土施工振捣过程中部分灰浆流失,使表层 (特别是钢筋保护层)混凝土的水泥含量减少,混凝土密实度下降,渗透性(透气性)增大。其结果会大大加快混凝土保护层的碳化速度,带来很大的危害性。

4.3 混凝土施工初期养护差

从目前水利工程施工现场情况来看,混凝土养护时间短,养护质量差,具有普遍性。

该区气候十分干旱,混凝土面层的水分蒸发很快,混凝土养护不良,便导致混凝土表层渗透性增大,会加速钢筋保护层的碳化。

根据以上论述,由于混凝土的水泥用量偏低,在施工过程中,水灰比偏大、配料不准确、混凝土振捣不够密实、模板漏浆、养护质量差等多方面的原因造成混凝土密实度差,品质不良。特别是表层混凝土气孔多、密实度更低,使钢筋保护层混凝土的抗碳化性能十分脆弱。钢筋很快开始锈蚀。使水上部位的钢筋混凝土构件的使用寿命大大缩短。根据近期水闸安全鉴定调查,近几年修建的水工建筑物,混凝土碳化速度有加快的趋势,这可能同施工质量有关。

4.4 关于引气剂的使用

塔北总干渠15km闸 (即多浪水库进库分水闸)2006年建成,当年冬灌投入运行,经 2008年 10月检测,工作桥混凝土的最大碳化深度已经达到17mm,比已运用 37年的塔里木拦河闸实测混凝土的最大碳化深度 (18mm)只差 1mm。该闸水上部位的钢筋混凝土结构,均用引气型减水剂。设计抗冻标号 F200,混凝土的含气量一般在 4.5%～6%。

因混凝土是一种多孔性的混合材料,内部存在许多大小不同的毛细管、空隙、气泡等缺陷,所以混凝土本身具有一定的透气性。塔北总干渠 15km闸的水上部位钢筋混凝土结构的碳化速度加快的主要原因,初步判断很有可能是在该区极端干旱的气候条件下,混凝土掺入引气剂以后,由引气剂所产生的许多微小气孔,反过来导致混凝土内部的毛细管、空隙、气泡等缺陷扩大化,使混凝土的透气性 (渗透性)增大,碳化速度更快。

根据上游水库放水闸 (1961年建),胜利渠一级电站 (1963年建),塔里木拦河闸 (1972年建)几座年代较久的水工建筑物运行情况来看,该区混凝土冻融破坏现象很少见。

例如:塔里木拦河闸上下游护坡的浆砌混凝土六棱块为 C15细砂混凝土,迄今已运行 37年,尚未发现冻融破坏迹象。拦河闸闸墩 C15混凝土,冬季水位变动部位基本完好。可见混凝土的冻融破坏,并不是影响该区水工建筑物混凝土耐久性的主要问题。因此,盲目提高混凝土的抗冻标号,对该区来说,没有多大的实际作用,甚至是有害的。