江苏沿海涵闸混凝土耐久性分析与提升措施探讨*

2015-02-28顾文菊朱炳喜

粉煤灰综合利用 2015年4期

顾文菊，朱炳喜

(1.江苏省水利厅，南京，210000;2.江苏省水利科学研究院，江苏扬州，225002)

一个质量真正合格的水利工程应是既满足设计功能、适用、安全、可靠等要求，又要求在设计使用年限内混凝土的耐久性有保证。混凝土耐久性不足，影响或限制了工程的正常使用功能并缩短使用寿命，增加了使用过程中的修复费用。提高混凝土耐久性，意味着节约资源和环境保护，发挥更大的经济和社会效益。

江苏沿海涵闸服役期间，混凝土主要受到碳化、氯盐侵蚀、冻蚀等多种劣化作用，部分工程钢筋保护层混凝土过早过快劣化，导致钢筋锈蚀、混凝土出现顺筋裂缝乃至剥落，处于浪溅区和盐雾作用区的构件腐蚀最为严重。江苏早期建设的涵闸系沿用前苏联规程或参考资料，多采用低级别混凝土(主要部位140级，次要部位110级)，省内多数地区一直沿用至20世纪80年末［1］，江苏省水利厅1964年～1987年先后组织对本省60座沿海涵闸混凝土耐久性调查，发现因氯离子侵蚀和碳化联合作用导致钢筋锈蚀的有53座，这些涵闸已进行修复或拆除重建。1990年以后建设的工程，混凝土设计强度有所提高，并提出抗渗和抗冻等要求，混凝土耐久性有了一定程度的提高，但仍有约50%的混凝土预估寿命仅有30～50年。

为提高混凝土耐久性，规范混凝土耐久性技术工作，江苏省颁布实施地方标准《水利工程混凝土耐久性技术规范》(下文简称《规范》)［2］，规定大中型工程的设计使用年限达到50年乃至100年以上。本文结合《规范》的贯彻执行，简要分析江苏沿海涵闸混凝土耐久性状况，论述实现与提升沿海涵闸混凝土耐久性的途径和措施。

1 江苏环境条件

江苏地处江淮，滨临黄海，处于亚热带向暖温带过渡地带，具有明显的季风气候特征，日照充足，四季分明，但水环境复杂。年平均气温14℃ ～15℃，最冷月平均气温-4℃ ～0℃，属于微冻地区，但气温年正负交替次数较频繁，苏北地区以-3℃为转换标准年冻融循环次数最高可达40次。常年湿度60% ～80%，为有利于混凝土碳化反应的湿度条件。

沿海涵闸上下游水中Cl-、SO42+等成分含量受离海距离和潮汐影响而异，含量介于淡水和海水之间，对照《规范》，混凝土受氯盐侵蚀环境作用等级为Ⅲ-C、Ⅲ-D和Ⅲ-E，混凝土受硫酸盐侵蚀环境作用等级为Ⅳ-C、Ⅳ-D。

2 近20年建设的涵闸混凝土耐久性情况

2.1 混凝土耐久性设计

近20年来，我省沿海涵闸混凝土设计强度等级主要为C25、C30，部分工程混凝土抗渗等级为W4～W8，抗冻等级为F50、F100，梁、柱、胸墙、翼墙的钢筋保护层设计厚度35mm～45mm，闸墩、底板为 40mm～50mm。但基本未对混凝土电通量、抗碳化能力、抗氯离子渗透性能以及早期抗裂性能等提出要求。

2.2 混凝土配合比

C25、C30混凝土中掺入30～80kg/m3的粉煤灰或矿渣粉，混凝土用水量170～200kg/m3，水胶比0.45～0.55，坍落度120mm～200mm。

2.3 混凝土碳化情况

设计强度等级为C25～C40的32座涵闸86个水上构件混凝土碳化速度系数频率和预测碳化至钢筋表面时间的统计结果见表1。由表1可见近50%的构件保护层混凝土碳化至钢筋表面的时间小于50年。

表1 86个构件混凝土碳化速度系数和预测碳化至钢筋表面时间统计结果

2.4 混凝土氯离子渗透情况

部分工程Cl-向混凝土内渗透扩散速度较快，15～20年Cl-渗透扩散深度50mm～60mm，临近钢筋表面混凝土中Cl-含量达到砂浆质量的0.04% ～0.08%［3］，钢筋面临锈蚀风险。

3 混凝土耐久性设计、施工存在的问题

3.1 混凝土耐久性设计标准低

长期以来，混凝土设计主要为强度指标，且普遍低于《规范》的规定，部分工程对抗渗、抗冻等性能提出要求，基本没有对混凝土设计使用年限以及抗碳化、抗氯离子渗透等耐久性指标提出要求。

3.2 没有针对混凝土所处环境特点进行耐久性设计

设计阶段设计单位对工程所处环境调查分析不够，没有确定混凝土所处环境类别和环境作用等级，没有针对混凝土所处环境特点进行耐久性设计。

3.3 原材料质量和混凝土配合比未达到耐久混凝土的要求

原材料选择没有考虑到对混凝土用水量、胶凝材料用量、温升、收缩、抗裂等影响较大且对耐久性密切相关的某些指标，如水泥熟料矿物组成、水泥细度与标准稠度用水量、材料质量匀质性、骨料颗粒级配和粒形、外加剂与水泥适应性等。

施工单位在进行混凝土原材料选择、配合比设计时，往往对混凝土强度和价格比较关心，然而对原材料质量、拌合物性能和耐久性关注不够。混凝土配合比设计沿用传统的思维方式，仅对混凝土强度进行验证，没有针对混凝土设计年限和所处环境对耐久性能指标和抗裂能力等进行试验论证。

C25、C30混凝土用水量高于《规范》的限值，混凝土用水量大，造成混凝土孔结构不合理，孔径大于100nm的有害孔、多害孔增多，腐蚀介质易于在混凝土中渗透扩散。如某工程C25混凝土用水量分别为190kg/m3、173kg/m3，6.5年实体混凝土自然碳化深度前者是后者的1.4倍。

3.4 混凝土养护不到位

现代混凝土坍落度大，水泥熟料中早强矿物含量多，水泥细度偏细，普遍使用矿物掺合料和外加剂，组成复杂，这些都对混凝土养护制度提出更高的要求，而如果仍采用传统混凝土养护措施，特别是养护不及时、养护时间不足，混凝土得不到充分的早期养护，导致表层混凝土早期失水快，胶凝材料得不到充分水化，直接导致保护层混凝土密实性降低，易产生有害孔、多害孔，裂缝出现几率增多，耐久性能下降。

3.5 维修养护不到位

运行阶段未能对混凝土劣化情况进行定期监测，对碳化或氯离子渗透扩散至钢筋表面后未能实施有效的防护措施，混凝土裂缝、病损部位未能得到及时修补，表面防护与修补材料的质量不佳、与环境适应性差、工艺不当也影响着修复效果。

4 提升混凝土耐久性的途径和措施

4.1 转变工程投资理念

要让结构混凝土获得良好的耐久性，关键在于设计、施工阶段的防范保障措施。然而业主往往对工程造价考虑较多，设计阶段常常不合理控制工程造价;设计人员习惯于只满足工程达到规范的基本要求或最低要求，对混凝土耐久性的保障措施考虑较少，保障和提升混凝土耐久性的费用往往被限制。为实现混凝土耐久性，要建立正确的投资理念，树立全寿命成本控制观念，按设计使用年限和工程所处环境，合理确定混凝土设计标准，施工预算应考虑保证混凝土施工质量和耐久性的费用。施工阶段要严控施工质量，运行管理阶段采取预防性保护，通过健康诊断，适时进行保护与修复。

4.2 加强混凝土耐久性知识培训与新技术推广应用

做好混凝土耐久性知识培训、相关耐久性规范宣贯，加强技术工人培训，施工企业应形成一支技术熟练的混凝土施工队伍，全社会也应大力培养一批专业劳务企业。

加强混凝土耐久性保障、提升技术研究与推广应用，进一步推广应用大掺量矿物掺合料混凝土、硅烷浸渍技术、表层致密化技术、钢筋阻锈技术。

4.3 改进混凝土耐久性设计方法

(1)贯彻全寿命周期质量设计理念树立全寿命周期质量意识，真正的工程质量表现在健康寿命的长短，以及为维护健康寿命所付出的代价。混凝土耐久性是一个系统工程，要改变目前仅重视施工过程质量管理的状况，拓展耐久性控制时间域，进一步规范可研、设计、施工、运行管理等阶段与混凝土耐久性有关的技术工作。

(2)针对所处环境进行耐久性设计设计阶段应调查工程所在地的气候、水质、土质等环境状况，确定混凝土所处环境类别及其作用等级。根据设计使用年限、环境作用等级确定混凝土强度等级、耐久性能指标、结构构造，提出耐久性附加措施。

(3)对施工过程混凝土耐久性实现途径提出指导意见设计文件应对水泥、矿物掺合料、外加剂的品质以及混凝土水胶比、用水量、胶凝材料用量、矿物掺合料用量等提出要求，对混凝土制备、立模、钢筋安装、浇注、养护、温度控制提出技术规定，对使用新材料、新技术和新工艺提出建议，以指导混凝土施工。

(4)对运行期检查维护内容等提出要求。

4.4 施工阶段实现混凝土耐久性途径与措施

(1)重视原材料品质混凝土原材料应根据结构型式、施工条件和混凝土耐久性能要求进行合理选择，应选择质量稳定并有利于提高混凝土密实性、耐久性、改善抗裂性能的原材料。原材料品质除应符合有关标准规定外，在配制耐久混凝土时还应注意原材料下述品质的控制，以提高混凝土拌合物工作性能，降低混凝土用水量、胶凝材料用量、浆骨比以及开裂风险:①水泥标准稠度用水量宜小于28%，比表面积宜小于350m2/kg。水泥熟料中C3S宜小于55%、C3A宜小于8%。②选用质地坚硬密实、颗粒级配连续、吸水率低的骨料，粗骨料空隙率宜小于40%，钢筋混凝土中粗骨料最大粒径应根据环境作用等级、钢筋保护层厚度等合理选择，细骨料宜选用细度模数2.5～3.0的天然河砂。③减水剂减水率不宜小于20%，设计使用年限为100年及以上的混凝土宜优先使用减水率不低于25%高性能减水剂。不同品种外加剂之间、外加剂与水泥及矿物掺合料之间应具有良好的相容性。

(2)使用矿物掺合料矿物掺合料有利于改善混凝土拌合物性能、降低水化热、改善混凝土孔结构，矿渣粉具有吸附氯离子的作用，沿海涵闸混凝土可优先使用。掺矿物掺合料混凝土应控制水胶比和用水量，以提高混凝土的密实性。混凝土中掺入微米级的超细矿渣粉或粉煤灰微珠，有利于改善胶凝材料的颗粒级配，填充混凝土中有害孔，改善混凝土微观孔结构。

(3)控制混凝土配合比参数从提高混凝土的密实性、保证耐久性、降低裂缝风险出发，《规范》规定了混凝土用水量、水胶比、胶凝材料用量、矿物掺合料掺量等。混凝土配合比应结合混凝土性能要求、所处环境，按照低用水量、低水胶比、控制胶凝材料总量原则进行设计与验证。

(4)钢筋保护层厚度控制钢筋保护层所指的钢筋对象包括主筋、箍筋和分布筋;要求施工过程中严格控制保护层厚度，不允许出现负偏差，正偏差不大于10mm，且不大于1/4钢筋保护层厚度，钢筋保护层垫块的强度和耐久性应高于结构本体。

(5)混凝土养护到位混凝土浇筑完毕应进行覆盖，6h～18h后应进行洒水养护。混凝土拆模时间不宜早于7d。混凝土拆模后应采取覆盖、包裹、喷涂养护剂、喷淋洒水等保湿养护措施，人工洒水养护应能保持混凝土表面充分潮湿。未掺矿物掺合料混凝土、掺矿物掺合料混凝土和大掺量矿物掺合料混凝土的养护时间分别不少于14d、21d和28d。需保温养护的混凝土应按设计要求进行养护。

(6)混凝土温度裂缝控制有温度控制要求的混凝土施工前宜对温度应力进行预测分析，重要结构在混凝土配合比设计阶段进行抗裂性能对比试验;通过控制水泥和矿渣粉的比表面积、混凝土用水量和水胶比、胶凝材料用量，降低混凝土入仓温度，设置冷却水管，采取合适的保温措施，提高混凝土抗裂能力，防止产生温度裂缝。

4.5 混凝土耐久性附加措施

合理采用表面涂层、透水衬里模板、钢筋阻锈剂等耐久性附加措施，将有助于提高混凝土的使用寿命。作者借助透水衬里模板等研究中低强度等级混凝土表层致密化技术［4］，室内将C25混凝土试件浸泡于3.5%的氯化钠溶液中180d、380d，氯离子扩散深度分别为5.2mm、14.3mm，分别为对比同强度等级普通混凝土的32%和66%。金牛山水库泄洪闸翼墙试点应用透水衬里模板，C25混凝土5年自然碳化深度平均值为0.8mm，而采用普通模板浇筑的对比混凝土为14.4mm。

4.6 加强混凝土耐久性质量检验和评价

施工阶段对混凝土耐久性设计指标进行检验，并根据检验结果对混凝土耐久性进行评价，对于耐久性质量不符合设计要求的应采取措施进行处理。

4.7 加强运行管理

运行阶段应按《水闸技术管理规程》和《泵站技术管理规程》的规定进行运行管理;监测混凝土周边环境，当环境条件发生较大变化后，应及时评估混凝土耐久性能;避免混凝土上部结构长期积水或经常处于干湿交替状态。新建、扩建工程每隔15～20年对混凝土进行1次耐久性能检测。加固、改建工程每隔5～10年进行1次耐久性能检测。混凝土接近设计使用年限应及时进行安全鉴定。混凝土出现耐久性损伤应及时维修。

4.8 设计审查部门、监管部门应加强对工程耐久性的审查和监管。

设计审查部门应加强对工程耐久性设计的审查，重点审查设计单位是否对环境进行调查分析，设计使用年限是否合理，设计标准是否符合耐久性要求，是否对施工、运行管理提出耐久性方面的具体要求。质量监督部门应对工程建设管理、施工质量管理过程是否落实耐久性要求、是否进行耐久性质量检验与评价等开展监督检查。运行监管部门对工程运行管理也要加强相应的监管。