水工混凝土耐久性影响因素分析及防治措施

2011-04-14陈雯龙

水利规划与设计 2011年5期

陈雯龙

（新疆水利水电勘测设计研究院乌鲁木齐 830000）

1 前言

混凝土由于具有原料简单、易浇筑成型，适应性强、性价比高、综合能耗低的优点，在水利工程建设中得到了广泛的应用，并取得了巨大的社会效益和经济效益，是水利工程建设中用途最为广泛的一种建筑材料。在混凝土应用的初期，人们一直认为混凝土是非常耐久的材料，对混凝土耐久性缺乏足够的认识。但随着混凝土在工程建设中的大量使用，逐渐发现在一些环境中混凝土过早发生损坏，后期维修费用大，工程达不到设计要求的使用年限，甚至有些工程不得不提前拆除重建，给社会带来巨大的经济负担。据资料统计：我国早期建设的一些处于恶劣环境的水利工程，工程使用不到15～20年混凝土就发生冻胀和侵蚀性破坏，需花费大量的人力和物力进行维修，以保证工程的安全运行；特别是一些海港码头，由于海水的侵蚀破坏，一般在10年就造成混凝土表层脱落、钢筋锈蚀，需大修。水利工程由于其所处环境的特殊性和复杂性，对混凝土耐久性要求更高，因此提高混凝土的耐久性、延长工程使用寿命，减少工程维修费用是水利工程建设可持续发展的关键。

2 混凝土耐久性的技术指标

混凝土耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境和及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费巨大资金对其加固和处理以保证其安全、使用功能和外观要求的能力。它是混凝土的一个综合性指标，主要包括抗碳化性、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性、抗碱骨料反应等性能，它是混凝土结构的基本功能之一，也是混凝土安全性。适用性、耐久性三个环节中比较薄弱的一个环节，它的好坏将直接影响到工程的使用寿命。

3 影响混凝土耐久性的主要因素

3.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土在自然环境中，空气和水中的CO2气渗透到混凝土内，与混凝土中的氢氧化钙发生化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程，又称作中性化，其化学反应为：Ca（OH）2＋CO2＝CaCO3＋H2O。由于碳化后混凝土的碱度降低，使混凝土空隙中存在饱和氢氧化钙碱性介质在钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4（称为钝化膜）对钢筋保护作用逐渐降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，造成钢筋锈蚀破坏；另外混凝土碳化还会加剧混凝土收缩，使混凝土产生裂缝，从而造成混凝土结构的破坏。

3.2 混凝土的冻融

混凝土的冻融破坏必须满足以下两个条件：一是混凝土处于饱水状态，二是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环。吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀9%，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压，由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外凝胶不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。

3.3 混凝土的化学侵蚀

水利工程由于其所处自然环境的复杂性，经常受到侵蚀介质的作用，引起水泥石发生一系列化学和物理反应，使混凝土逐步受到侵蚀，严重时造成水泥石强度降低，甚至破坏。常见的化学腐蚀主要有软水侵蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀等。软水侵蚀是指混凝土在软水环境中，混凝土中的Ca（OH）2在水流及压力水流的作用下，不断溶解流失，造成混凝土空隙增加，强度降低，引起混凝土结构破坏；碳酸腐蚀是指混凝土所处环境水中CO2含量较高时，在水流及压力水流的作用下，混凝土碳化后形成的CaCO3与含碳酸的水反应形成可溶性Ca（HCO3）2不断溶解流失，形成碳酸腐蚀，造成混凝土结构的破坏；硫酸盐腐蚀是指建筑物基础地层中或地下水中的的SO42－与水泥石的固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙，造成水泥石体积膨胀而引起混凝土结构的破坏；镁盐腐蚀是指地下水中的的 Mg2＋与水泥石中的Ca（OH）2反应生成松软和无胶结能力的氢氧化镁，降低了混凝土密度，造成混凝土强度的破坏。

3.4 混凝土的碱——骨料反应

混凝土的碱－骨料反应是指混凝土空隙中的碱溶液与混凝土骨料中活性矿物质在水环境中发生反应，造成混凝土发生体积膨胀、开裂、甚至破坏。其危害作用很难根治，被誉为 “混凝土癌症”。

碱性物质主要来自水泥熟料，骨料中活性矿物质主要是活性SiO2、硅酸盐、碳酸盐等。

混凝土的碱－骨料反应主要有三种型式：一是碱－硅反应，二是碱－硅酸盐反应，三是碱－碳酸盐反应。其中最为常见的是碱－硅反应，当水泥熟料中的碱性物质含量较高时，同时使用了含有活性SiO2、的粗骨料，水泥中碱性物质水化后形成的氢氧化钠和氢氧化钾与骨料中的活性SiO2、发生反应，在骨料表面形成复杂的碱－硅酸凝胶体，该凝胶体具有吸水后体积无限膨胀的特点，在潮湿环境中，不断膨胀的凝胶体将引起混凝土的膨胀、开裂、最终引起混凝土自身结构的破坏。

3.5 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是影响水工钢筋混凝土耐久性的重要因素，造成钢筋锈蚀的主要原因是当混凝土碳化至钢筋表面和混凝土开裂时，钢筋失去了碱性混凝土的保护，钝化膜对钢筋的保护作用逐渐减小甚至消失，钢筋表面成活化状态，在水、氧和CL－作用下，在混凝土裂缝处，首先出现钢筋坑蚀，进而发展为钢筋环向锈蚀，最终沿钢筋纵向形成片状锈蚀，由于氢氧化铁（铁锈）体积比原金属体积膨胀2～4倍，片状锈蚀体积膨胀造成沿钢筋布置方向产生混凝土保护层裂缝，同时由于钢筋锈蚀造成钢筋有效截面积的减少，影响混凝土结构的承载能力和使用功能，进而造成混凝土结构的破坏。

4 提高混凝土耐久性的主要措施

提高混凝土耐久性就是要提高混凝土的抗碳化性、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性以及防止混凝土的碱－骨料反应和钢筋锈蚀。由于混凝土是由水泥、水和骨料经搅拌、浇筑和硬化过程的一种水硬性建筑材料，水泥石在硬化过程，为保证其施工工作性，拌和水量偏大，水灰比偏高，导致混凝土结构的空隙占水泥石体积的25%～40%，其中毛细孔占大部分，这些空隙是水分、侵蚀介质和其他有害物质进入混凝土内部的通道，是造成混凝土耐久性不足的主要原因；其次由于水泥石中的水化物稳定性差，特别是含碱量较高的水泥，在水化物中存在大量的游离石灰，其强度极低，稳定性极差，在侵蚀介质的作用下，容易造成水泥石的破坏。因此为提高混凝土的耐久性，需从材料选择、工程设计和工程施工等方面采取措施，具体措施如下：

4.1 合理选择原材料

水泥作为混凝土的胶结材料，其物质组成和特性直接影响到混凝土的耐久性，水泥品种的选择应根据水工建筑物所处工程环境和使用部位，选择含碱量小、水化热低、干缩性小、抗热性、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性性能好的水泥。对于处于干燥环境中的混凝土，不宜使用火山灰水泥；对具有抗冻要求的混凝土，应优先使用普通水泥，不宜使用火山灰水泥；对具有抗渗要求的混凝土，不宜使用矿渣水泥；对大体积混凝土，为减少由于水化热过高引起的混凝土裂缝，造成的混凝土中空隙增加，降低其耐久性，应优先使用低热水泥，如粉煤灰水泥和矿渣水泥；对于处于受侵蚀性介质环境中的混凝土，应根据侵蚀介质类型、浓度，采用专门的特种水泥，如为防止SO42－离子的腐蚀，可采用抗硫酸盐水泥。

为保证混凝土的强度要求，骨料必须选择质地致密，具有足够强度的混凝土骨料，尤其是混凝土粗骨料，应控制骨料中有害物质的含量。骨料的选择应考虑骨料的碱活性，防止碱－骨料反应对混凝土的破坏。为提高混凝土的抗渗性、抗冻性，尽量选择具有抗蚀性能好，吸水性能差的骨料，选择合理的级配，提高混凝土拌和物的和易性，提高混凝土的密实度，以提高耐久性。

混凝土拌和用水量和水灰比直接影响到混凝土的强度，拌和用水应控制水质和水量，应对拌和用水进行水质化验，检测水中SO42－离子、Mg2＋离子、CL－离子的含量，防止上述有害物质对水泥石和钢筋的侵蚀。

4.2 掺用高效减水剂和引气剂

减水剂又称水泥分散剂，是一种表面活性物质。水泥加水拌和后，由于颗粒间分子的作用，产生许多絮状物，形成一种凝聚结构，其中包含了一部分拌和水。当加入减水剂后，这些表面活性剂定向吸附在水泥颗粒表面，加大了水泥颗粒间的静电排斥力，使水泥颗粒相互分散，并破坏了其凝聚结构，使凝聚体包裹的游离水被释放出来，增加了混合物的流动性。因此高效减水剂的使用可减少拌和用水量，降低水灰比，减少了水泥石中细微空隙的数量，提高了混凝土的密实度，从而提高了混凝土的强度、抗渗性、抗冻性。研究资料表明，在水泥用量不变的情况下，可节约拌和水量10%～15%，混凝土强度提高15%～20%。

引气剂是一种憎水性表面活性剂，溶于水，加入混凝土拌和物中，在搅拌过程中产生大量的微小气泡，提高混凝土的和易性，阻断混凝土内部微小空隙的通道，提高混凝土的抗渗性和抗冻性。

研究资料表明，在水泥用量不变的情况下，可节约拌和水量8%左右，抗冻性大幅提高。另外由于气泡的存在，减少了结构断面的有效面积，使提高混凝土强度有所降低。目前多采用引气性高效减水剂，即提高了混凝土抗渗性、抗冻性，又减少拌和用水量，又使混凝土强度有所提高。

4.3 预防钢筋锈蚀

对水工钢筋混凝土常采用以下处理预防处理措施：一是在混凝土表面涂沫保护隔离层，将混凝土内部可能的渗漏通道封闭起来，防止周围环境中的侵蚀性介质通过混凝土内部的细微空隙渗透进去引起钢筋锈蚀。常采用环氧基液涂层、乳化沥青涂层等；二是涂层钢筋，将钢筋保护起来。常用的方法是环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐保护层，可长期保护钢筋免遭侵蚀性介质的腐蚀；三是积极研究开发新产品，采用耐锈钢筋、阻锈钢筋等。

4.4 采用高性能混凝土

普通混凝土水泥石中水化物稳定性不足，是影响混凝土耐久性的重要因素。高性能混凝土就是在普通混凝土中掺入高效活性矿物掺料，以改变水泥石中胶凝材料的组成。高效活性矿物掺料（粉煤灰、矿粉和硅粉）中含有的大量活性SiO2和活性AL2O3能与水泥水化过程中产生的游离石灰和高碱水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高，稳定性更优的低碱水化硅酸钙，达到消除游离石灰的目的。另外由于有些超细矿粉颗粒平均粒径小于水泥颗粒的平均粒径，它可充填到水泥石的空隙当中，堵塞水泥石中可能的渗漏通道，使水泥石更加密实。因此采用高性能混凝土可有效提高混凝土的耐久性。

4.5 混凝土设计中考虑的保护措施

工程设计中应根据混凝土所处的环境设计相应的混凝土保护层厚度，以防止外界介质渗入混凝土内部腐蚀钢筋。对容易产生破坏的部位，可根据规范要求，加大混凝土保护层厚度；混凝土结构宜尽量采用整体浇筑，少留施工缝，如预留施工缝，其结构型式和位置不应损害混凝土耐久性要求；另外在结构设计中，应严格控制混凝土裂缝开展宽度，防止裂缝开展宽度过宽导致钢筋腐蚀，影响混凝土耐久性。