大坝水工建筑物混凝土碳化因素及防空分析
2016-01-26李兴祥
李兴祥
摘要：通过对高海拔地区水工建筑物混凝土碳化机理的分析来探讨减少其碳化及冻融危害的防控措施。
关键词：混凝土；机理；碳化；冻融；防控措施
水工建筑物混凝土结构多处在气候条件恶劣的环境中，而空气、土壤或地下水中酸性物质。而混凝土的破坏常以碳化、冻融破坏主，致使许多水工建筑物的运行寿命大为缩短。如西藏满拉水利枢纽管理局水库大坝始建于1994年，至今右侧溢流坝导墙水位消落区范围及溢流堰侧槽已发生了大面积的松动破碎脱落现象，且钢筋也发生了锈蚀裸露等现象。所以有必要进一步探讨地处高海拔地区（西藏日喀则地区江孜县）水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏机理及防治措施。
一、混凝土的碳化及冻融破坏机理
（一）混凝土的碳化破坏机理
空气中酸性气体（主要是CO2）沿着混凝土空隙（其内部存在着大小不一的毛细管、孔隙、气泡等）渗透到混凝土内，在潮湿环境下与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，其碳化过程化学反应如下：
CO2+H2O→H2CO2
Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O
水泥在水化过程中使混凝土充满了饱和氢氧化钙，属于碱性介质，对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4。经过碳化的混凝土碱度降低，在碳化超过混凝土的保护层时，在空气和水存在的条件下，混凝土对钢筋的保护作用就会失去，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，使混凝土对钢筋的保护作用减弱，出现钢筋锈蚀露筋现象，降低了结构强度和刚度。
西藏满拉水库水质经检测酸性物质含量大，且溢流坝侧槽在过水期间水汽弥漫，给其中的混凝土挡墙和导墙增加了碳化所需的因素，直接导致混凝土逐渐破坏脱落及钢筋膨胀。
（二）混凝土的冻融破坏机理
1.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。
2.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。
3.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，只有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。
针对上述理论，通过对西藏满拉水库的各部分的混凝土水工建筑物的综合比较中不难看出，处在干燥条件的混凝土（满拉水库大坝混凝土防浪墙及进水塔消落区以上）显然冻融破坏较小，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一；再通过对满拉大坝的混凝土防浪墙与水塔内部的混凝土结构的比较，我们同样不难看出，水塔内部结构混凝土（室内相对恒温）的冻融破坏不明显，所以外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，是决定混凝土冻融破坏的主要因素。
二、混凝土碳化及冻融破坏影响因素
（一）混凝土碳化破坏影响因素
影响混凝土碳化速度的因素是多方面的。
1.水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同。
2.周围介质中CO2的浓度高低及湿度大小。
3.水中是否存在影响Ca（OH）2溶解度的物质。
4.混凝土的渗透系数、透水量。
5.水泥用量越大，碳化速度越慢。
6.水灰比越低，碳化速度越慢。
7.施工质量好坏。
8.光照直射加速碳化。
9.温度越高，碳化反应越快。
10.CO2浓度。
11.氯离子浓度。
12.混凝土结构的不同应力状态。
综上所述，西藏满拉水库由于地处高海拔地区，比同等结构条件下的混凝土阳光直射强烈，昼夜温差大，且水流呈酸性，溢流坝周围湿度较大等因素都给其所处的钢筋混凝土结构造成了碳化破坏创造了条件。
（二）混凝土冻融破坏影响因素
1.主要材料的影响。混凝土组成材料的性质如：
（1）水泥的品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大。
（2）骨料的影响。
（3）骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用。
（4）骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响。
2.外加剂的影响。在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，大大降低冻胀应力，提高混凝土的抗冻性。
3.施工质量影响。混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，因此必须把好质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。
根据满拉水库的施工资料可以知道其施工质量良好，施工工艺合理，混凝土用料合格，但是水库受水位变化影响严重，在库水位消落区间，所在混凝土的冻融现象严重，松散剥落情况明显较同位置的混凝土严重，已发生大面积的漏筋和钢筋锈蚀现象。
三、混凝土碳化及冻融破坏的防治（针对已建满拉水库实际情况）
（一）在满拉水库岁修施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品种；对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通水泥；冲刷部位宜选高强度水泥。
（二）在水库防浪墙、水塔及导墙较高位置、工作交通桥等破坏轻微的表层混凝土，适用于水泥砂浆修补。
（三）在维修完毕后及时的养护，保持湿润，注意保温，减少渗流水量和其它有害物的侵蚀，以确保混凝土的密实性。
（四）对水库混凝土结构地下部分用溶化的沥青涂抹设置保护层，确保地下部分免受冻融和碳化破坏。
（五）严格混凝土制作配合比，降低混凝土的水灰比。
总之我们应当根据水工建筑物所处的环境、位置破坏的程度以及原混凝土构件制作的主要材料性能综合选用不同的修补方法，才能获得较好的效果。
四、结语
我们的原则应该是防重于治，首先应根据混凝土所处的环境，合理进行配合比设计，其次是严把施工质量关，加强工程运行中科学管理，发现碳化，冻融破坏及时采取防范保护和修补措施，以达到或延长工程的使用寿命。
参考文献：
[1]李常升.水利水电工程质量监控与通病防治全书[M].北京：中国环境科学出版社，1999.
[2]张承志.建筑混凝土[M].北京：化学工业出版社，2001.endprint
