碳化对沿海水闸工程的影响及长期服役性能研究

(江苏盐城水利建设有限公司，江苏 盐城 224014)

我国海岸线约有1.8万km，分布有大大小小1800多个入海口，在这些入海口大部分都修建了水闸，发挥着挡潮和排涝等重要作用，但是由于沿海水闸处于复杂的工作环境之中，对于水闸的破坏和老化具有重要影响，造成其结构损伤、安全性降低和寿命减少，因而有必要对沿海水闸的长期服役性能进行研究[1-3]。

影响沿海地区水闸工程长期运行的因素较多，主要包括外部环境因素和内部人为因素。外部环境因素包括软土地基、碳化作用、氯离子侵蚀、碱骨料反应、海水腐蚀、冻融作用等；内部人为因素包括设计、材料、施工、养护等。其中，水闸混凝土碳化问题对于水闸安全运行是一个不可忽视的重要问题，特别是在沿海地区高盐腐蚀环境作用下，水闸的碳化损伤更加明显，对沿海水闸结构碳化规律进行研究，能够为科学合理制定沿海水闸的运行维护策略提供理论依据[4-8]。

本文对沿海水闸工程碳化作用下的损伤及长期服役性能进行了探讨，以期能为准确评估沿海地区水闸工程的长期服役性能并制定合理碳化处理措施提供指导。

1 碳化机理分析

水闸混凝土结构的碳化损伤主要是指空气中的二氧化碳通过毛细管、孔隙、气泡等孔隙结构向闸室混凝土内部扩散，并与混凝土中的氢氧化钙等物质发生化学反应，生成碳酸钙等物质的过程。主要分为三个过程：化学反应过程、CO2在混凝土中的扩散过程以及Ca(OH)2的扩散过程。其中Ca(OH)2的扩散过程速度最慢，但此过程决定了水闸混凝土结构碳化速度和分层特性。影响混凝土碳化的影响因素较多，可分为外部因素和内部因素，外部因素主要包括CO2浓度、环境温度、环境湿度以及应力状态等，内部因素主要包括水灰比、水泥用量、水泥品种以及施工质量等。混凝土碳化会降低混凝土内部的碱度，从而破坏混凝土结构中钢筋表面的钝化膜，引起钢筋锈蚀和损伤，同时，碳化还会加大混凝土的脆性，使得混凝土中的裂缝结构增多，从而影响水闸的长期服役性能。

2 碳化对水闸的影响分析

2.1 研究对象

本文选择沿海不同碳化时间(检测时间、建成时间)的水闸，并选择内地碳化时间与之基本相同的水闸进行对比研究。其中，沿海地区水闸最短碳化时间为5年，最长碳化时间为61年；内地地区水闸最短碳化时间为6年，最长碳化时间为58年。统计的沿海水闸闸墩样本数为980个，水闸排架样本数为726个，内地水闸闸墩样本数为1020个，排架数为830个，取统计构件的样本平均值作为检测值(见表1)。

表1 统计各水闸碳化时间

2.2 碳化时间对闸墩的影响

从检测得到的水闸闸墩碳化值随碳化时间的变化曲线(见图1)可以看到：沿海水闸闸墩碳化值随碳化时间呈明显的正相关关系，碳化时间越长，闸墩的碳化值越大，而内地水闸闸墩的碳化值随碳化时间增加反而呈逐渐减小趋势，出现这种反差的主要原因可能是不同水闸修建的年代不同，所使用的混凝土有较大区别，从20世纪80年代开始，商品混凝土由于效率高、速度快，逐渐取代自拌混凝土，在水闸闸墩等大体积混凝土浇筑中也得到广泛应用，但是由于各方面原因导致商品混凝土在配合比、原材料、强度以及运输方面存在一定弊端，如商品混凝土胶凝材料用料多，坍落度大，掺加粉煤灰和外加剂情况较多，增大了混凝土干燥收缩，使得闸墩易出现裂缝，导致抗渗性能变差，因而抗碳化能力降低，总之，商品混凝土在水闸工程中的应用会在一定程度上加速新闸的碳化，因而使用商品混凝土修建的新水闸闸墩碳化值反而高于旧水闸闸墩的碳化值。但是对于沿海水闸闸墩而言，除了受到上述因素影响之外，还会受到海洋环境的影响，海洋环境对水闸的侵蚀主要为氯离子侵蚀和海水腐蚀，一方面，氯离子侵蚀会破坏钝化膜、形成锈蚀电池，同时氯离子具有去极化和导电作用，容易引发钢筋锈蚀，另一方面，海水中MgSO4、MgCl2会与混凝土中的Ca(OH)2发生化学反应，导致混凝土孔隙率增大，结构被破坏，海水环境对混凝土碳化的影响超过了商品混凝土对碳化的影响，因而沿海地区的碳化值随碳化时间增加而增加。

图1 水闸闸墩碳化值变化曲线

2.3 碳化对排架的影响

从检测得到的水闸排架碳化值随碳化时间的变化曲线(见图2)可以看到：不管是沿海地区还是内地地区，水闸排架的碳化值与碳化时间无明显的相关性，这可能与排架所接触的环境有关；沿海地区和内地地区水闸闸墩的碳化均值分别为23.5mm和10.5mm，排架的碳化均值分别为14.9mm和10.5mm；由此可见，沿海地区水闸混凝土的碳化值普遍高于内地，这是因为氯离子侵蚀和海水腐蚀环境加速了混凝土碳化，而沿海闸墩的碳化值又普遍高于排架的碳化值，这主要是由于水闸闸墩处于海水水位变动区，水位变动又会造成频繁的干湿循环，因而也会加速混凝土的碳化损伤，但内地闸墩和排架的碳化值相差不大。

图2 水闸排架碳化值变化曲线

3 长期服役性分析

水闸混凝土的碳化损伤极限状态可用下式表示：

Z=C-T

(1)

式中Z——水闸混凝土剩余保护层厚度，mm；

C——混凝土最开始的保护层厚度，mm；

T——混凝土的碳化深度值，mm。

定义水闸混凝土的碳化深度功能函数的概率密度表达式为

(2)

(3)

μz=μc-μT

(4)

式中μz——功能函数均值，mm；

σz——功能函数标准差，mm；

σc和μc——保护层标准差和均值，mm；

σT和μT——碳化标准差和均值，mm；

T——碳化时间，a。

定义水闸混凝土碳化寿命的可靠度指标为β：

(5)

当β>3.5时，表明水闸结构稳定性良好；当3.5>β>2.3时，表明水闸结构稳定性一般；当2.3>β时，表明水闸结构稳定性较差。

对沿海地区10个水闸的闸墩进行了碳化寿命预测计算(见图3)，从中可以看到：水闸闸墩可靠度指标为β随着服役年限的增加而呈逐渐降低的趋势，服役10年以内，水闸闸墩处于结构稳定性良好状态，服役10～50年，水闸闸墩处于结构稳定性一般状态，服役50年以上，水闸闸墩处于结构稳定性较差状态。现场进行的10个水闸闸墩的检测表明：三里闸、烧香河闸以及车轴河闸闸墩混凝土开裂现象严重，存在较多露筋现象，同时局部钢筋还出现了锈断情况，因此，需要对三个水闸进行大修或者拆除重建。

图3 沿海地区水闸闸墩可靠度指标

4 碳化处理

4.1 防碳化处理措施

合理设计水闸混凝土配合比，严格控制水胶比和保护层最小厚度；尽量选用活性掺和料以及减水剂，最大限度限制混凝土中氯化物的含量；选择合适的模板进行施工，模板施工时需要固定牢，拆模后需要合理养护；混凝土浇筑完成后需在表面进行涂覆。

4.2 碳化处理方法

若碳化损伤比较严重，且出现了大面积的钢筋锈蚀情况，结构安全性得不到保障，则需要对水闸进行拆除重建；对于碳化损伤较小，碳化深度仍然小于钢筋保护层厚度，且混凝土碳化层比较坚固的，可采用优质涂料对碳化部位进行封闭处理；对于碳化深度大于钢筋保护层厚度或者碳化深度小于钢筋保护层厚度，但混凝土碳化层疏松易剥落的，需要凿除这部分碳化层，然后用高强砂浆或者高强混凝土进行回填；对于钢筋锈蚀的部位，需要在修补前对钢筋进行除锈处理，同时对于锈蚀比较严重的部分进行加补钢筋处理[9-10]。

5 结 语

本文以沿海地区水闸工程为研究对象，探讨碳化作用对沿海水闸的影响极其长期服役性能。结果表明：沿海地区闸墩混凝土碳化随服役时间的增加而逐渐增大，内地闸墩混凝土碳化随服役时间的增加而逐渐减小；水闸排架的碳化值与碳化时间无明显的相关性；沿海地区水闸混凝土的碳化值普遍高于内地，这是因为氯离子侵蚀和海水腐蚀环境加速了混凝土碳化，而沿海闸墩的碳化值又普遍高于排架的碳化值，表明海水水位变动区的碳化损伤更明显。通过对沿海地区水闸闸墩碳化的可靠度指标进行计算，得到不同水闸的长期服役状态，得出三里闸、烧香河闸以及车轴河闸闸墩进行大修或者拆除重建的结论。

针对水闸混凝土碳化问题，提出了防碳化处理措施和碳化处理方法，对维持沿海地区水闸工程长期服役性能具有一定的借鉴意义。