西部高寒地区水工建筑材料劣化演变规律研究

梁 慧， 王 媛 怡， 苏 振 华， 廖 灵 敏

(长江水利委员会长江科学院、国家大坝安全工程技术研究中心、水利部水工工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

1 概 述

基于自然地理等因素，西部地区特别是西藏地区具有与世界上任何地区不相同的气候和环境特点，受高寒、干燥、缺氧及强紫外辐射等恶劣自然条件的制约，修建水利水电及枢纽工程具有很强的挑战性，已建成的水利水电工程维护难度较大。针对西部高寒区域独特的气候和环境，已建成水利水电工程防劣化的施工关键技术及防护技术的规程规范和技术标准研究滞后，而西部高寒地区独特的气候和环境条件将对水工建筑物的“服役”寿命影响较大，工程结构及材料的劣化演变规律与低海拔地区水利水电工程结构的劣化特征存在差异，对应的修补防护措施需要有针对性的研究。因此，开展西部高寒地区环境条件下水工建筑材料劣化演变规律研究，对制定和完善特殊气候环境下水利水电工程劣化防护措施，促进西部高寒地区水利水电工程建设，提高工程维护技术水平，确保西部高寒地区水利工程的安全运行都有重要意义。

2 冻融循环作用下的水工建筑材料劣化演变

在冬季极度寒冷的西部，冻融损害被认为是水工混凝土劣化的最重要因素。同时，在西部高寒地区部分工程中地下水、河流中存在较高的侵蚀性离子，尤其是Cl-、SO42-等，对地下结构部位混凝土的侵蚀破坏严重。从西藏地区的调研情况来看，混凝土冻融破坏多发生于过水面及水位变化区等干湿交替频繁部位，混凝土表面出现疏松、点块状剥落。频繁的干湿交替和冻融循环对水工建筑物施工及运行管理带来很大困难，极易遭受侵蚀性离子作用而迅速劣化。

受冻融循环、侵蚀离子和干湿交替的共同作用，混凝土的工作环境极端严酷。通过研究干湿循环和冻融循环叠加作用对混凝土性能的影响，发现其会加速混凝土的劣化。若冻融循环起主导作用，混凝土强度较单因素作用时显著下降，因为干湿循环促进了硫酸盐结晶，加快水化产物和硫酸盐反应，导致内部开始产生裂纹[1]。显然，冻融循环和干湿循环的叠加作用对混凝土性能的影响会产生放大效应，两者相互促进，相互影响。

混凝土在冻融循环下外观发生明显变化，可分为如下四个阶段：

(1)混凝土表面完整无损伤；

(2)冻融循环开始后，水工混凝土表面逐渐出现小蚀坑；

(3)胶凝材料逐渐流失，坑蚀孔洞增大加深，混凝土表面细骨料外露并剥落；

(4)表面细骨料分层脱落后，导致混凝土粗骨料暴露[2]。冻融循环所导致的混凝土表面剥落与内部开裂，严重威胁水工建筑物的安全运行。

3 冲刷磨损作用下的水工建筑材料劣化演变

水工建筑物的冲刷磨损和空蚀破坏主要发生在泄流部位，如大坝溢流面、下游消能区、隧洞进口、深孔闸门及其后泄水段等。当水流流速较高并携带悬移质或推移质时，水工建筑材料遭受的冲磨和空蚀破坏就更为严重。泄水建筑物过流面受到了推移质颗粒的冲击砸撞作用和磨损作用。水工混凝土建筑物受到冲刷破坏的总磨损量由以上两种磨损方式总量的叠加而成，并与沙粒冲角有直接关系，可用J. H. Nelson和A. Gilchris给出的复合磨粒磨损公式来进行描述[3]。

冲磨剥蚀造成的混凝土破坏面积一般较大，并具有一定的连续性，有可能诱发空蚀破坏。其中悬移质冲磨破坏会造成混凝土均匀磨损，推移质冲磨破坏表现为冲沟或冲坑[4]。而空蚀破坏会在水工混凝土过流面局部位置出现空蚀剥蚀坑，但其他部位相对完好，蚀坑深度从几厘米至几米不等。虽然经过冲磨或空蚀破坏后剩余的混凝土强度可能下降不明显，但在有冻融破坏的地区，冲磨和空蚀可能与冻融循环联合作用，诱发大面积的水力冲刷破坏。

由于西部地区气候干燥，混凝土会因失水收缩而形成裂缝。同时，西藏地区日温差大，混凝土表面需经历频繁的热胀冷缩。由于混凝土材料的热扩散系数较小，混凝土内部和外部的体积变化不协调，也会造成在混凝土表面形成细微裂缝。这些裂缝在高速水流的作用下，混凝土的磨损破坏严重。另外，经过反复多次的冻融循环后，尤其在冻土地区，水工混凝土表面极易出现冻胀现象，水工混凝土力学性能和耐久性逐渐劣化。与此同时，若受到含砂水流的冲击，极易剥离、脱落，进而使混凝土表面的冻融加剧，破坏不断加大[5]。多重破坏反复发生，由表及里，最终导致水工混凝土破损，造成结构功能完全丧失。综上所述，受西部高寒地区独特气候环境的影响，水工建筑材料的冲刷磨损较常规气候条件下更为复杂，混凝土的泄流面易受冻融循环、裂缝、干湿交替等因素耦合作用而加剧劣化。

4 渗漏溶蚀作用下的水工建筑材料劣化演变

在现代水利水电工程中，许多水工大坝为碾压混凝土大坝，由于碾压混凝土坝的筑坝方式为分层碾压铺筑，作业面积大，存在着薄弱层面或局部缺陷集中现象。据调查了解，挡水混凝土建筑物表面大都覆盖有白色的钙质结晶，说明渗漏溶蚀现象普遍存在，而裂缝是产生渗漏的主要原因。渗漏水的深度与裂缝形状、干湿循环和环境温度等有关，水位低、水压小时挡水建筑物的渗漏量相应也小。混凝土建筑物施工质量差、密实程度低，也是大坝出现渗漏的原因。因此，在水利水电工程的设计、施工和后期维护中应重点考虑混凝土材料的渗透特性以及可能产生的渗漏溶蚀问题。

在环境水压力的驱动下，渗透介质通过混凝土的孔隙向压力低的一侧渗透，并将混凝土内部能溶于水的物质按溶解度大小先后溶解出来，产生溶蚀现象。渗漏溶蚀发生时，溶解附着于混凝土孔隙的固态Ca(OH)2最先被溶解。接着，混凝土孔隙周围的游离Ca(OH)2开始溶解，并借助水化产物层向孔隙液扩散。若Ca(OH)2扩散系数小于渗透介质的渗透系数，则渗透介质中Ca(OH)2无法达到饱和浓度，致使水工混凝土孔隙内的水泥水化产物局部分解，孔径变大，孔隙率提高，混凝土的渗透系数和Ca(OH)2的扩散系数进一步增加，渗漏溶蚀现象逐步加剧[6-7]。随着渗透介质中Ca(OH)2含量降低，水化产物的分解逐渐由局部向周围发展，混凝土强度和弹性模量大幅下降。另一方面，渗漏使得环境水向混凝土内部加速扩展，引起并加速其他病害破坏的深度和广度，对水工混凝土的耐久性造成进一步损伤。

另外，通过研究混凝土渗漏溶蚀过程中Ca2+浓度分布历时变化可知，随着渗漏时间的延长，Ca2+浓度逐渐增大，渗漏溶蚀现象加剧。但Ca2+浓度的增长幅度越来越缓，且最终溶蚀深度小于6 mm。由此说明，渗漏主要对混凝土表面层产生溶蚀破坏，表面混凝土的抗渗性能对于整个混凝土大坝的抗渗漏溶蚀至关重要。

5 碳化作用下的水工建筑材料劣化演变

水工混凝土的碳化是一个复杂的物理化学过程，主要是指大气中的CO2渗透到混凝土内部的孔隙中，并与溶解于毛细孔中的水分以及水泥水化过程中所产生的Ca(OH)2和水化硅酸钙CaO·2SiO2·3H2O等水化产物相互作用，生成CaCO3等产物的过程。水工混凝土的碱度随着碳化深度而降低，钢筋逐渐失去混凝土的保护，易产生锈蚀现象。碳化还会引起混凝土收缩，使混凝土的表面产生细微的裂缝。

混凝土中的Ca(OH)2含量决定了混凝土中pH值下降到12.5以下所需的时间，是衡量混凝土抗碳化能力的一个关键参数。在单一碳化情况下，CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应速度决定混凝土的碳化速度。在碳化反应初期，混凝土孔隙较多会使碳化速度加快。随着碳化的继续，混凝土内部生成的CaCO3较Ca(OH)2的体积膨胀约11.6%，这些碳化产物填充在混凝土的孔隙中，减缓了混凝土碳化的深入，导致碳化速度降低[8-9]。但当碳化加剧，混凝土内部溶解的Ca(OH)2不断被溶解离析出来，同时，其他凝胶材料因碳化反应被吸收消耗，逐渐形成一个新的循环体系并伴随着新孔隙的出现，有利于混凝土的碳化。因此，碳化速度呈现快速增长—增长放慢—稍微加快—趋于平缓的发展趋势[10]。

研究结果还表明，环境温度、湿度、气候条件、混凝土水灰比等，对混凝土的碳化速度均具有显著影响，其中，环境温度对水工混凝土的影响程度最深。高温环境下，CO2的扩散速度提升，而交替变化的高低温条件下，CO2的扩散速率也会增加，从而使得碳化反应加速进行。同时，混凝土的碳化速度与环境相对湿度成反比，当相对湿度维持在50～70%之间时，碳化速率最高。另外，混凝土表面的裂缝使其渗透性增强，耐久性降低，加速碳化，而表面防护涂层可阻止CO2向混凝土扩散，对碳化起延缓作用。

除了低海拔地区发现的碳化现象不甚明显，调研中发现西藏其他地区各电站均存在或多或少的碳化现象，在水工混凝土已发生冻融破坏的部位伴随发生的碳化现象更为严重。这说明在西部高寒地区日照强烈，温度骤升骤降，冻融循环引起水工建筑材料浸水部位或水位变化部位混凝土表面产生应力，易产生裂缝甚至剥离，致使碳化加速。

混凝土冻融与碳化劣化机理有差异，冻融劣化是物理反应，碳化则是含有CO2扩散和溶解的物理化学过程。冻融循环开始后，出现的内部微裂缝为CO2的侵入提供了更好的环境，促使碳化深度进一步发展。碳化产物逐渐填充在混凝土的孔隙中，在一定程度上降低了混凝土碳化的速度。与此同时，混凝土内部溶解的Ca(OH)2不断溶解离析，其他凝胶材料继续参与碳化反应而被吸收消耗，逐步形成一个新的循环体系，并且新孔隙的出现将短暂加快水工混凝土碳化。并且与常规气候条件下碳化劣化过程不同，碳化速度不会最终趋于稳定，由于冻融循环的累加继续，混凝土内部孔隙增大，结构疏松，进一步加速了混凝土碳化。

6 金属锈蚀作用下的水工建筑材料劣化演变

溶蚀劣化破坏形式在西部高寒地区水利水电工程中也较为常见。西部高寒地区渗漏会加大混凝土含水量，在强烈的温差作用下促进混凝土冰冻破坏，致使表面混凝土保护层脱落，钢筋直接与空气接触，加速钢筋的锈蚀。钢筋锈蚀和冻融共同作用下钢筋混凝土性能的损伤，并不是经历钢筋锈蚀劣化和冻融循环劣化的简单叠加，而是存在着相互制约的耦合作用。在冻融循环—钢筋锈蚀作用下，混凝土和钢筋两种材料的力学性能和直接黏结力下降，从而导致试件极限承载力大幅下降，塑性变差，挠度随着冻融次数的增加而显著增大。同时，钢筋的锈蚀会使得混凝土表面出现顺筋方向的裂缝，而裂缝的产生会直接导致混凝土在经受冻融时表面更易发生脱落，破坏水工混凝土的刚度和强度，降低水工混凝土与钢筋的黏结强度，极大损伤钢筋混凝土构件的承载力。

水工混凝土钢筋锈蚀的劣化演变可分为以下几个阶段：

(1)腐蚀介质在混凝土中的扩散及其在混凝土与钢筋界面不断积累，侵蚀介质在混凝土与钢筋界面达到临界值，但钢筋钝化膜尚未被破坏；

(2)钢筋表面的钝化膜发生局部破坏至混凝土发生局部开裂，此阶段中，腐蚀介质在局部区域超过临界值而开始腐蚀，积累的腐蚀产物致使混凝土局部发生开裂；

(3)大面积钢筋腐蚀，混凝土开裂使钢筋接触空气，腐蚀加剧，钢筋截面迅速减小，以致钢筋混凝土结构安全性能大幅降低；

(4)构件无法安全使用，需维修加固[11]。

7 水工建筑物防护材料的劣化演变

在西部高寒地区，水工混凝土面临频繁的冻融循环、高日照辐射、昼夜温差大等恶劣的运行环境，水工混凝土的防护与处理工程难度系数更高。除科学合理的混凝土配合比设计、优质的施工质量外，在工程建设初期对水工建筑物混凝土表面进行特殊防护(即“防患于未然”)十分必要，而对于已建工程的劣化问题更应该进行及时有效的修补。水利水电工程中水工建筑物修补防护材料多为有机高分子复合材料，这些高分子材料在西部高寒严酷环境下普遍存在快速老化的现象，平均寿命远小于其他地区。西部典型环境的严酷性主要表现在高寒及昼夜温差大、太阳紫外线辐射强、气候异常干燥等方面，高分子涂层材料紫外老化快，易出现变色、粉化、龟裂等缺陷[12]。另外，高分子涂层受太阳辐照强烈，白天温度很高，夜晚或阴雨天气候出现骤降，温度变幅相当大，薄层结构的涂层由于变形与基体不一致，易出现开裂剥落。

8 结 语

由于水利工程中不同结构建筑物的功能特征和服役环境不同，其劣化特征也存在差异。西部高寒地区水工混凝土挡水建筑物水下部位主要劣化形式有裂缝、渗漏、盐类或生物侵蚀，水位变化区在西部高寒特征气候下会出现冻融、渗漏、碳化、开裂等破坏，水上部位存在冻融破坏、开裂、碳化、剥蚀等。混凝土泄水建筑物部位主要的劣化形式有：冲磨空蚀破坏、冻融破坏、碳化、裂缝、溶蚀、渗漏等，其中冲磨空蚀破坏和冻融破坏是该结构的典型破坏。在输水建筑物中，渠道结构混凝土发生破坏的现象较严重，其中冻融破坏、裂缝和渗漏是该结构的典型劣化形式。水工金属结构的劣化主要是腐蚀破坏，钢筋、闸门的主要劣化形式为金属结构的锈蚀，由于局部环境湿度较大，外加防锈层在强日照条件下易老化破坏，锈蚀会比较严重，另外，闸门还可能出现变形、漏水等问题。

在西部高寒地区复杂气候环境中，水工混凝土结构同时经受着多种环境因素的复合作用。因此，多种环境因素对混凝土结构的破坏作用并非单一因素的简单叠加，而是交互耦合作用使实际“服役”中混凝土结构的破坏过程变得更为复杂和严重。在西部高寒地区，水工混凝土结构的冻融破坏往往是导致混凝土劣化的主要因素，混凝土冻融破坏多发生于过水面及水位变化区等干湿交替频繁的部位。冻融破坏区域若受到含砂水流的冲击，极易剥离脱落，进而使混凝土表面的冻融加剧，破坏程度不断加大，冻融和冲磨反复发生，由表及里，最终导致混凝土的破坏，造成结构功能完全丧失。另外，水利工程中水工建筑物修补防护材料多为有机高分子复合材料，这些高分子材料在西部高寒地区严酷环境下普遍存在快速老化的现象，平均寿命远小于其他地区。