钱塘江下沙海塘混凝土结构耐久性检测与分析

吴胜文

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

1 水工混凝土结构耐久性概述

在我国的混凝土规范和水工程混凝土规范[1-2]中都明确规定建筑结构的功能要求包括:安全性、适用性和耐久性,足见耐久性问题是结构满足其功能要求的重要性能.但从功能和作用上来讲,耐久性是为安全性和适用性服务的,可能也正因为此,使得在以往的乃至现在的工程结构设计中普遍存在着重强度而轻耐久性设计的现象[3],从而导致混凝土结构耐久性的问题日益突出,许多混凝土结构的过早破坏不是由于强度而是由于耐久性的不足所致[4].

据1985年对全国大型混凝土及钢筋混凝土水闸、水坝的调查:32座大坝全部都存在裂缝及渗漏病害;68.7%存在空蚀和冲刷磨损破坏;18.8%存在冻融破坏;36.2%存在水质侵蚀;40.6%存在因钢筋锈蚀引起的混凝土顺筋胀裂.46座钢筋混凝土建筑物中,有顺筋胀裂的占47.5%1)全国水工混凝土建筑物耐久性及病害处理调查报告[R],水利水电科学研究所,北京,1986..据1986年国家统计局和建设部对全国城乡28个省、市、自治区的323个城市和5000个镇进行普查的结果,当时全国现有建筑面积约5×109m2,其中约23×108m2需分期分批进行鉴定加固,近1×109m2急需维修加固才能使用[5].建设部的调查结果还表明,国内大多数工业建筑物在使用25～30年后即需大修,处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年[6],后续的一些针对水工混凝土结构的调查都说明混凝土老化与病害是相当严重的,不少工程完建后只有15～20年时间,就发生了严重的老化与病害[7].

国内外的统计资料表明,由于混凝土结构耐久性不足而导致的经济损失是非常巨大的,这对欧美等经济发达国家已构成了严重的经济负担,而处于基本建设高峰期的中国,如果不充分认识到耐久性问题的重要性,不重视混凝土结构耐久性的设计和检测,那么若干年过后因耐久性不足而给国家造成的经济损失,会严重影响和制约我国社会经济又好又快的发展.对混凝土结构耐久性不足而导致的经济损失,国外学者曾用“五倍定律”进行了形象地描述[3].因此,从建筑物的“百年大计”来讲,混凝土的耐久性应比强度更为重要[4].随着环境的变迁和功能要求的提高,耐久性问题会愈来愈突出,因此对混凝土的耐久性问题应予以足够的重视.

对于水工混凝土,由于受到所处环境水的影响,比一般大气环境下的混凝土耐久性更为复杂.一般认为,导致水工混凝土耐久性失效的原因主要有:①混凝土的低强度风化;②碱—骨料反映;③渗漏溶蚀;④冻融破坏;⑤水质侵蚀;⑥冲刷磨损和空蚀;⑦混凝土的碳化与钢筋锈蚀;⑧由荷载、温度、收缩等原因产生的裂缝以及止水失效等引起渗漏病害的加剧[7].

由于影响因素的复杂,目前混凝土结构的耐久性设计实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策,即以概念设计为主.一般是采取一定的措施来保证耐久性,我国现行混凝土规范(GB50010-2002)和水工混凝土规范(SL191-2008)在条文中针对混凝土耐久性设计所作出的一些规定即是如此.

2 工程概况

浙江省地处我国东南沿海,为抵御台风暴潮的袭击,全省共修筑海塘 2132 km,其中浙东海塘1732 km,钱塘江海塘400 km.海塘保护圈内的经济总量和财政收入占全省的80%左右,海塘不仅是浙江沿海地区的生命线和幸福线,也是全省经济社会发展的安全屏障.由于以前修建的海塘标准过低,每次台风都给浙江省带来了巨大的人员伤亡和经济损失,其中尤以1994年的“9417”号强台风和 97年的“9711”号强台风为甚.在“9711号”台风过后,浙江省委、省政府痛定思痛,作出了“建千里海塘、保千万生灵”和“全民动员兴水利,万众一心修海塘”的重大决策,计划把沿海防御能力偏低的1000多km重要海塘建设成高标准海塘,重要城市达到100年一遇的建设标准,多数地段达到50年一遇标准.通过5年多艰苦卓绝的努力,共投资50多亿元,至2002年底全省共建成标准海塘1280 km.

本次所做的混凝土结构耐久性检测标段位于钱塘江标准海塘下沙段七格至120丁坝之间,该区域海塘最高水位主要由台风期的暴潮增水和高潮位组合所控制,并受上游洪水影响.因此,该段海塘除受流水作用外,还承受涌潮等高速水流冲刷作用.该段海塘设计标准为100年一遇,工程等级为一等,工程于1997年开建,1998年完建.海塘结构型式为斜坡式,沿海塘每隔数十米不等受涌潮冲击厉害的弯道处筑有丁坝.海塘断面和丁坝结构型式,见图1、图2.

图1 海塘断面图

图2 丁坝结构图

3 耐久性检测及分析

3.1 检测内容和方法

在查阅该段海塘相关文献资料和现场调查的基础上,决定对海塘上坡、马道、下坡以及丁坝上下游面和丁坝顶部等部位进行检测,具体的检测内容和方案为:

3.1.1 裂缝检测

裂缝检测的主要目的是掌握对海塘混凝土结构耐久性有影响的裂缝的分布及长度、宽度等.

3.1.2 混凝土强度检测

采用回弹法和钻芯法相结合的方法对检测段海塘结构混凝土强度进行检测.主要以无损检测的回弹法为主,并在少量部位辅以钻芯法.

3.1.3 混凝土碳化深度测定

选择具有代表性的部位,布置1到3个测孔,作为该段海塘混凝土结构的碳化深度值.测孔直径为12 mm,清洗后向孔内喷洒1%浓度的酚酞试液,根据颜色变化来测定混凝土的碳化深度.另外,钻孔取芯的混凝土芯样有较好的暴露表面供滴定酚酞用,在做强度检测前先用酚酞试液来滴定混凝土碳化深度.

3.1.4 氯离子含量检测

选择海塘上下坡和马道及丁坝迎水面、背水面和表面6个部位进行电钻取粉,在实验室利用RCT氯化物快速测定仪测试混凝土中游离氯离子含量,其值以其占混凝土质量的百分数表示.

3.1.5 抗渗性检测

采用GWT-4000渗水性测试仪,对海塘上坡、下坡及丁坝顶面进行现场混凝土抗渗性检测.

3.2 检测结果及分析

3.2.1 裂缝

从外观检测发现,该段海塘及丁坝表面总体状况良好,没有发现碳化裂缝,也没有碱—集料反应而出现的裂缝,但在有些区域发现有纵横交错的表面裂缝,这可能是由于温度应力和混凝土干缩变形所引起.这些表面裂缝对结构本身无什么影响,但裂缝的存在及发展会对海塘的抗渗性有很大的影响.

3.2.2 混凝土强度

根据对海塘和丁坝用回弹法和钻芯法所得的检测值,运用数理统计的方法进行强度计算,其结果见表1和表2.

表1 海塘混凝土强度

表2 丁坝混凝土强度

由表可知,用回弹法测得的强度值略高于钻芯法测得的强度值.以钻芯法测得的混凝土强度值来换算混凝土强度等级,海塘处混凝土相当于C19.5,比原设计值C20略低,丁坝处混凝土相当于C20.7,比原设计值C20略高,这主要是丁坝所处位置较海塘潮湿,混凝土中水泥水化更为充分的缘故.检测结果表明,混凝土强度对耐久性无影响.

3.2.3 混凝土碳化深度

现场布孔检测和取回的芯样酚酞滴定,均表明无明显混凝土碳化现象.

3.2.4 氯离子含量

根据现场取得的混凝土粉样,在实验室用硝酸银滴定法测得的氯离子含量随深度的分布,见图3至图8.图中的直线为氯离子含量y=与深度x的线性拟合,通过拟合的直线很容易求得表面氯离子含量,并由Fick第二定律可求得相应的扩散系数,6个检测部位的表面氯离子含量和扩散系数,见表3.

图3 海塘上坡氯离子含量

图4 海塘马道氯离子含量

图5 海塘下坡氯离子含量

图6 丁坝迎水面氯离子含量

图7 丁坝顶面氯离子含量

图8 丁坝背水面氯离子含量

表3 各检测处表面氯离子含量和扩散系数

由表3可知,无论是表面氯离子含量还是氯离子扩散系数均较小,而该结构中钢筋又埋置较深,故不会产生因氯离子侵入而导致钢筋发生锈蚀.

3.2.5 抗渗性

根据测得的渗水量及相应的时间,用GWT-4000渗水性测试仪所提供的相关公式,分别求得三处的渗水速度及渗透系数,见表4.

由表4数据可知,该段海塘混凝土的抗渗性能较差,这种较差的抗渗性除对混凝土本身的溶出性侵蚀有很大不利外,还对海塘的抗渗性有较大影响,从海塘背水面局部有粘土流失的情况来看,很大程度上与此有关.

表4 表面渗水速度和渗透系数表

4 结论及建议

(1)从本次检测结果来看,该标段海塘混凝土结构耐久性能良好.

(2)影响该标段海塘混凝土结构耐久性的主要因素是混凝土表面裂缝和抗渗性.因此,后续应加强混凝土裂缝发展和渗透性监测,必要时采取防护和加固措施.建议在以后的海塘建设中加强对混凝土的早期养护,并提高海塘护面混凝土的抗渗等级.

(3)钱塘江海塘混凝土的耐久性除受一般自然环境的物理化学变化影响外,更是由海塘所独处的自然环境——涌潮所决定,涌潮对海塘的巨大冲刷和碰撞比起一般水工建筑物来尤为更甚.因此,建议在海塘结构中,采用高标号硅酸盐大坝水泥、坚硬粗骨料、强度等级不低于C30的混凝土,且施工时注意振捣密实.

(4)鉴于混凝土结构的耐久性对结构功能的重要性,除在设计、施工阶段予以足够重视外,建议还应加强对服役混凝土结构的检测和评估,建立耐久性定期检测和评估机制,以确保其设计生命周期的实现以及避免因发生严重耐久性不足时而导致更大的维修经济损失.

(5)目前的好多混凝土耐久性检测技术都是对结构有损或微损的,在检测的同时对结构本身造成了新的破坏,因此建议大力开发无损检测手段,这样不但可避免因检测对结构造成的破坏,还可提高检测的精度和效率.

[1]中华人民共和国水利部.SL/T 191-96水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1997.

[2]中华人民共和国建设部.GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[J].浙江大学学报:工学版,2002(4):371-380.

[4]程云虹,刘 斌.混凝土结构耐久性研究现状及趋势[J].东北大学学报:自然科学版,2003(6):600-605.

[5]卢 木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑,1997,27(5):1-6.

[6]土建结构工程的安全性与耐久性[J].工程科技论坛,北京:清华大学,2001.

[7]河海大学.水工钢筋混凝土结构学[M].北京:中国水利水电出版社,1996:299-304.