水工混凝土工程耐久性设计研究

2010-08-26朱文博

中国建材科技 2010年3期

张军朱文博王军

（1 淄博市水利建筑安装公司，山东淄博 255000；2 山东理工大学，山东淄博 255049）

水工混凝土结构主要包括混凝土大坝、水闸、堤防、隧道、渡槽等。这些水工混凝土能否长期安全运行，关系大江、大河、水库的防洪渡汛等国计民生大事。因此水工混凝土耐久性问题一直是政府管理部门和科研机构研究的重点。由于我国各地水文地质环境差异大，一些地方的水工混凝土长期受有害物质的侵蚀，混凝土结构腐蚀现象非常严重，导致结构工程达不到设计使用期限的要求就无法继续使用，严重的造成生命财产的损失。因此，分析水工混凝土结构的侵蚀机理，研究提高水工混凝土结构耐久性的途径，使其满足预定的使用功能和服务使用寿命，是目前混凝土结构耐久性研究的一个紧迫课题。

1 混凝土侵蚀机理研究

1.1 混凝土的组成分析

混凝土中的胶凝材料水泥，按照其成分和用途不同，可分为硅酸盐水泥、掺合料硅酸盐水泥（包括普通、矿渣、粉煤灰和火山灰等）、铝酸盐水泥、膨胀水泥等。但在土木工程混凝土结构中用量最多的是硅酸盐水泥，又称波特兰水泥。该水泥熟料（粉状）的主要成分为：

硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S），含量37%～60%；

硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S），含量15%～37%；

铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A），含量7%～15%；

铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·得Fe2O3，简写为C4AF），含量10%～18%。

上述4 种矿物中硅酸钙（包括硅酸三钙、硅酸二钙）是主要的，占70%以上。这些矿物是依靠水泥原料中提供的CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物在高温下互相进行化学作用而形成的。硅酸盐水泥熟料与水发生反应形成水化物并放出一定的热量，反应化学式如下：

从上述反应式中可以看出，生成的水化产物主要有：水化硅酸三钙3CaO·得2Si O2·得3H2O；氢氧化钙Ca （OH）2；水化铝酸三钙3Ca·Al2O3·6H2O；水化铁酸钙CaO·Fe2O3·H2O。

因而，混凝土中的水泥发生化学反应后形成的水泥石，主要是由水化硅酸三钙和水化铁酸钙两种凝胶，以及氢氧化钙等晶体固相组成，是一种复杂的混合物。其中，氢氧化钙约占总量的25%；此外，水泥中还含有K2O、Na2O 等碱金属氧化物杂质，这些氧化物水化生成KOH 和NaOH。所以，混凝土的基体本身就是一种高碱性的混合物[2]。

部分水中含有较多的可溶盐类，最主要的有NaCl、Na2SO4、MgSO4。这些盐类的存在对混凝土产生两种破坏作用：硫酸盐对混凝土的侵蚀和氯盐对钢筋的侵蚀。

1.2 硫酸盐的腐蚀

Na2SO4、MgSO4等与混凝土中的水化产物Ca(OH)2反应生成CaSO4，CaSO4又迅速与水泥石中的水化铝酸钙作用生成钙矾石。反应过程如下（以MgSO4为例）。

生成钙矾石后，固相体积是原来的1.5 倍以上，在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的开裂破坏。

1.3 氯盐的腐蚀

水中的NaCl、MgCl2与水泥的水化产物Ca(OH)2作用，生成CaCl2、Mg(OH)2等物质。

由于生成的CaCl2、Mg(OH)2都是无凝胶作用的物质，严重破坏混凝土的内部结构；同时，反应后生成大量游离氯离子，致使钢筋发生锈蚀。

钢筋锈蚀后体积膨胀，导致力学性能下降、与混凝土间的粘结力降低、混凝土开裂，严重降低工程结构的可靠性。研究表明氯离子是造成水工混凝土破坏的最主要因素[3]。

此外，水位变动区混凝土的冻融破坏、水对混凝土构件的冲刷磨损也对混凝土耐久性产生破坏作用。

2 提高耐久性设计措施

2.1 划分混凝土构件环境区域

水工混凝土构件在海域的部位不同，腐蚀程度也有较大差异。根据多年对港口码头的调查，将混凝土构件所处区域划分为4个区，即大气区、浪溅区、水位变动区、水下区。浪溅区钢筋腐蚀最严重，其次是大气区，水下区腐蚀最轻。混凝土设计时要根据不同区域，有针对性的采取不同的防腐蚀措施和方法。

2.2 结构设计

水工混凝土的结构选型及构造与普通混凝土不同，设计时应做到满足以下要求：

（1）构件截面几何形状力求简单、平顺，有利于排水；限制导致表面积水的设计，尽量减少构件受潮和溅湿的表面积。

构件应便于施工，易于成型。对处于腐蚀严重部位的构件，应考虑其更换的可能。

（2）结构形式要利于关键部位的检测和维修，应设置利于检测维护的通道。

表1 水工钢筋混凝土保护层最小厚度（mm）

表2 水工混凝土水灰比最大允许值和最低水泥用量

（3）处理好构件间的连接，采用的支座和节点要保证结构的变形约束最小。

（4）构件中受力的钢筋和构造钢筋宜构成闭口的钢筋笼，以增加结构的坚固和耐久。

混凝土保护层最小厚度应符合表1的规定。

（2）集料

集料应坚硬、清洁、级配良好，优先选用天然河砂、碎石或卵石。粗集料中不能含活性SiO2，以防止碱与集料反应。细集料不能采用海砂。粗集料的最大粒径，在浪溅区不大于保护层厚度的2/3；其他区不大于保护层厚度的4/5。

（3）钢筋

增加钢筋本身抵抗锈蚀的能力，也是提高水工混凝土耐久性的有效措施。目前采用的耐腐蚀钢筋包括耐腐蚀低合金钢筋、包铜钢筋、镀锌钢筋、环氧涂层钢筋、不锈钢筋等。环氧涂层钢筋是目前应用的一个热点。它是在抛光净化到接近铁白程度并预热到约230℃的钢筋表面上，静电喷涂的环氧粉末会立即熔化、流化并迅速固化，形成一层连续、坚韧、不渗透的膜，能适当弯曲、耐磨，具有极高的防腐蚀性能，即使氯离子大量侵入混凝土中，也能长期保护钢筋免受腐蚀。环氧涂层钢筋的运输、存放、加工、安装和混凝土浇捣有严格要求，我国于1997年制订了《环氧涂层钢筋规范》，为环氧涂层钢筋的应用提供了技术标准[5]。

（4）混凝土表层处理

为防止氯化物、二氧化碳等侵蚀性介质渗入混凝土中，延缓钢筋锈蚀，对新浇注的混凝土结构表面涂层也是一种简便、经济和有效的辅助性保护措施。涂层可以分为侵入型和隔离型两类。侵入型涂料不会在混凝土表面形成膜，也不能充满混凝土内的毛细孔隙，但能显著降低混凝土的吸水性。而隔离型涂料可以使混凝土和侵蚀介质隔离。

（5）采用高性能混凝土

高性能混凝土中掺有矿物掺合料，如粉煤灰、矿渣、硅粉等。这些掺合料对混凝土的性能具有物理和化学改善作用，有效增加混凝土的密实度、增强抵抗侵蚀的能力。高性能混凝土已作为提高水工混凝土耐久性的有效措施被研究和开发。