刘老涧新闸服役45 年后混凝土耐久性检测与评价

2022-10-08周元斌吕晓波

广东建材 2022年9期

周元斌蒋涛黄毅吕晓波王珩

（1 江苏省骆运水利工程管理处；2 南京水利科学研究院）

水利工程的耐久性检测与评估，是耐久性评价体系的重要环节，同类工程的耐久性资料的收集，有助于对混凝土耐久性做出更全面、准确的评价[1]。在耐久性评价中，一般使用经验法、类比法、加速试验法、数学模型法和概率分析法进行预测，如针对单一环境的寿命预测[2]和失效概率计算[3]，也有多种环境下的综合评价，主要为模糊评价[4]，但评价指标赋值和权重数的确定存在多种方法，数学原理较为复杂[5][6]，不便于实际工程采用。2019 年，由南京水利科学研究院主编的《水工混凝土结构耐久性评定规范》（SL 775-2019）颁布实施，为水利行业内的混凝土结构耐久性评价提供了有力参考。本文结合实际工程，在宏观细观检测的基础上，分析耐久性失效的原因，并采用规范中推荐的经验和数学模型结合的方法，进行耐久性评定。

刘老涧新闸位于宿迁市宿豫县仰化乡境内的京杭运河中运河段上，建于1976 年，属于刘老涧枢纽的组成部分，是刘老涧枢纽排泄沂、泗洪水的控制建筑物。主要作用是与京杭运河宿迁、泗阳控制枢纽相配，保证中运河800～1000m3/s 洪水及时顺利下泄，确保骆马湖安全，并保证刘老涧至宿城段运河航运交通和两岸工农业生产生活用水。刘老涧新闸共5 孔，每孔净宽5.0m，设计行洪流量400m3/s。闸室底板为150#混凝土反拱底板，内填浆砌石结构，中墩门槽段为现浇钢筋混凝土结构，其余为预制混凝土墩壳内填块石混凝土结构；闸室边墩及上、下游翼墙均为浆砌石重力式结构；闸上设5m宽交通桥，工作桥采用250#预制混凝土板式结构。

刘老涧新闸经多年运行存在闸室结构整体性差，混凝土设计强度低，工作桥排架配筋不足，交通桥老化，检修便桥老化、露筋，闸门漏水严重，电气设备老化等问题，影响工程安全运行。2015 年7 月，江苏省水利厅组织对刘老涧新闸进行安全鉴定，评定该闸为三类闸，部分运用指标达不到设计标准，工程质量等级安全性分级为C 级，且按流域防洪规划要求，该闸行洪规模不满足要求。2020 年底，该闸进行了除险加固，借此机会，对刘老涧新闸各主要部位混凝土耐久性进行了一系列检测与评价工作，通过试验，得到现场混凝土材料长期服役后的各项性能，并评价其混凝土长期服役后的耐久性，不但可以复核建设时的设计指标合理性，还可为今后在同一地区类似条件下的水利工程的混凝土设计提供技术参考，也是对该规范的有效性和可用性进行了一次实践检验。

1 取样及试验方法

在新闸混凝土结构重要部位取样并取芯，进行抗压强度、碳化深度、钢筋保护层厚度、氯离子扩散系数、气泡参数和砂浆孔结构分析。混凝土取样部位及编号见表1，其中抗压强度和氯离子扩散系数试样数量分别3 个。

表1 混凝土取样部位及编号

碳化深度测试方法按《水工混凝土结构耐久性评定规范》（SL775-2018）进行。具体为在混凝土样品表面打3 个孔，并呈“品”字形排列，且孔距大于2 倍孔径，用毛刷和皮球将孔内清理干净，喷洒1%浓度的酚酞溶液，孔内周边面上未变色部分即为碳化部分，结果取3 个测值的平均值。钢筋保护层厚度按《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》（SL713-2015）进行，采用电磁感应法结合微破损法，结果取3 个测值的平均值。抗压强度、氯离子扩散系数、气泡参数测试试件由取芯后切割得到，芯样直径为100mm。砂浆孔结构试件为碳化深度以下随机敲下的带有自然断面的不含粗骨料的砂浆颗粒。

2 试验结果及分析

2.1 芯样抗压强度

芯样抗压强度按《水工混凝土试验规程》（SL/T 352-2020）进行，各部位的抗压强度结果和当时的设计指标见表2。其中，250# 混凝土的强度控制值约为24.5MPa，150#混凝土的强度控制值约为14.7MPa。

表2 混凝土各部位芯样抗压强度

从混凝土抗压强度检测结果看，混凝土强度高于设计强度，尤其工作桥和闸墩水下及底板部位，经过数十年的服役，强度发展较多，甚至有2～3 倍的增长。即使考虑到混凝土抽样的随机性和代表性，混凝土强度完全满足设计要求。

2.2 碳化深度及保护层厚度

保护层厚度及碳化深度平均值见表3，内部有钢筋的是工作桥和闸墩部位，经过检测，工作桥的钢筋保护层厚度在20～32mm 范围内，平均为28mm，闸墩外壳混凝土的钢筋保护层厚度在28～7mm 之间；碳化深度因测点不同而不同，范围在0～31.5mm 之间，离散性较大。其中闸墩水上部位，个别碳化深度达到31.5mm，达到了钢筋保护层最小厚度。

表3 混凝土钢筋保护层厚度及碳化深度

2.3 氯离子扩散系数

氯离子扩散系数是衡量混凝土渗透性的重要指标，与透水性存在一定的正相关性，因此，也可以用来表征其抗渗性能。各部位芯样进行饱水后，按照SL/T 352-2020 进行RCM 法氯离子扩散系数试验，结果见表4。可见闸墩水上部位和水位变动区部位的混凝土由于强度较低，其氯离子扩散系数也较大，不利于抵御外界侵蚀性物质的渗透。

表4 混凝土氯离子扩散系数

2.4 砂浆孔结构分析

砂浆孔径分布测试结果见图1 及表5。图1 中横坐标为孔径（nm），纵坐标为压入汞的体积对孔径的微分，表示单位孔径下的孔体积，孔径分布图采用对数坐标。

图1 各部位混凝土砂浆孔径分布

表5 混凝土砂浆孔结构分析结果

从各部位砂浆孔结构分布来看，闸墩水上和闸墩水位变动区的总孔隙率较大，平均孔径和中位孔径也较大，工作桥部位总孔隙率较小，但平均孔径和中位孔径大，均不利于耐久性的提高。

总孔隙率乘以有害孔或大孔比例得到有害孔和大孔孔隙率，将不同孔隙率与抗压强度进行相关性对比（见图2），不同孔隙率的相关性由高到低为：总孔隙率＞大孔孔隙率＞有害孔孔隙率。其中总孔隙率和大于5000nm 大孔孔隙率与抗压强度线性相关性较高，大于0.8，即总孔及大孔的多少较小孔更显著影响着混凝土的强度。

图2 不同孔隙率与抗压强度的相关性

将不同孔径的孔隙率与氯离子扩散系数进行相关性对比（见图3），不同孔隙率的相关性由高到低分别为：大于50nm 有害孔＞总孔隙率＞大于5000nm 大孔孔隙率，其中有害孔孔隙率与氯离子扩散系数的相关性大于0.72，总孔隙率和大孔孔隙率的相关性仅为0.57 和0.24。

图3 不同孔隙率与氯离子扩散系数的相关性

由于碳化深度的影响因素较多，不仅与孔结构有关，还与温湿度等碳化条件、所处环境及碳化时间相关，因此无法找到孔结构与碳化深度的直接对应关系，在此不做探讨。

2.5 气泡参数分析

气泡参数是衡量混凝土抗冻性能的指标之一，测试结果见图4 及表6。图中横坐标为气泡切割弦长，纵坐标为各弦长气泡的占比及分计含气量。

表6 混凝土气泡参数

图4 各部位混凝土气泡弦长和含气量分布

从气泡参数分析结果看，混凝土含气量高低不一，但气泡间距系数均较小，满足抗冻混凝土的要求。

3 耐久性分析及评价

工程上常见的耐久性因素有：碳化、氯离子、硫酸盐等化学侵蚀及冻融等。耐久性评价需要结合构件材料的属性及外在环境条件，并考虑到设计年限来综合判断。

混凝土碳化是混凝土结构的耐久性问题之一，碳化不仅降低混凝土碱度，破坏钢筋钝化膜，同时还可能加剧混凝土的收缩。碳化速率的影响因素较多，主要是孔结构与温湿度，而孔结构与渗透性等其他性能又有不可分割的关系[7]。混凝土的渗透性是耐久性的重要指标[8]，渗透性决定了环境有害物质侵入的难易程度，一般氯离子扩散系数与混凝土的渗透性能正相关[9]，因此有人提出采用氯离子渗透性能来评定混凝土耐久性[10]。但就具体工程结构来说，氯离子渗透性是其材料的本质属性[11]，其耐久性评定还要结合具体的环境条件来判断。冻融耐久性同样要结合材料本身的抗冻性和环境的冻融循环次数来综合判断。

3.1 工程所处环境

本区属于暖温带半湿润的季风气候区，具有明显的季风环流特征，四季分明，春季干燥多风，雨量集中在炎热的夏季，秋季晴爽，冬季寒冷干燥。冬季自11 月中旬至3 月下旬，旬平均气温在10℃以下，1 月份天气最冷，平均气温为-0.7℃，极端最低气温为-21.9℃；夏季最热月是7 月，月平均气温27.3℃，极端最高气温39.9℃；年平均气温14.1℃，日平均气温≤5℃的日数为96 天。最热天月平均相对湿度84%。年平均总降水量922mm。其夏季5～9 月平均降水量为500mm，最大日降水量199mm，最大三日雨量260mm，全年雷暴雨日数35 天。全年积雪日数12 天，最大积雪深度24㎝，冰雹总次数16 次（1953 年～1973 年）。年平均风速3.3m/s，30年一遇最大风速23.7m/s，全年大风（≥8 级）日数12天。多年平均蒸发量1050mm。

根据水质分析结果（表7），并分别参照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）中环境水的腐蚀性评价标准，及《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T 50476-2019）中关于水中氯离子浓度、硫酸盐浓度、镁离子浓度、二氧化碳浓度、酸碱度的划分，判定闸站环境水对混凝土和钢筋为无化学腐蚀。

表7 环境水分析结果

3.2 结构耐久性因素分析

根据结构所处的环境条件分析影响其耐久性的主要因素。

根据前述试验结果，各部位的氯离子扩散系数整体较大，但由于该工程所处环境中并没有氯离子侵蚀，因此，氯离子扩散系数较大并不会直接影响其耐久性。但对照混凝土砂浆孔结构测试结果，说明混凝土的密实度一般，孔结构不利于抵御外界腐蚀性介质。

分析该地区的冻融循环情况，宿迁地区冬季最冷月份为1 月，平均气温-0.7℃，按《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T50476-2019），低于微冻区的标准，按朱红光等[12]观点，属于少冻区，年当量冻融循环次数仅2～6次，甚至更低[13]。美国学者T C Powers 在20 世纪50 年代提出，用气泡间距系数衡量混凝土的抗冻性[14]，GB/T50476-2019 中对引气混凝土的气泡间距系数要求，对于高度饱水的混凝土，平均气泡间距系数不大于0.25mm，胡江等[15]研究结果也认为，混凝土要获得较好的抗冻耐久性，气泡间距系数不大于0.3mm，本工程混凝土样均能满足，因此，冻融循环破坏不是本工程的主要耐久性问题。

根据样品检测结果（表3），本工程混凝土的碳化问题较为严重，最严重的是闸墩水上部位，这主要是由于碳化反应速度在相对湿度40%～70%时最快，而闸墩的水上部位恰好满足这一条件，同时水上部位温度也较高；其次是闸墩水位变动区，由于经历干湿循环，湿度较大，CO2较易进入，其严重程度与工作桥相当。在《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T50476-2019）及《水工混凝土结构耐久性评定规范》（SL 775-2018）中，水上部位可认为是与冷凝水、露水、蒸汽频繁接触的结构或与水接触的大气区，其环境条件与水位变动区同属I-C 作用等级。闸墩水位变动区的碳化低于闸墩水上部位，但明显高于闸墩水下和底板部位，而这两个部位属于长期浸没水中环境，几乎不发生碳化，属于I-A 作用等级。水位变动区的碳化深度并没有想象的高，可能一方面与取样的离散性有关，另一方面，水位变动区的水位变化频度如果不大和水下时间较长，也会使得碳化反应程度不深。

另一方面，从混凝土抗压强度看，混凝土强度受碳化影响不大，并未像某些工程那样出现混凝土强度退化[16]。

3.3 耐久性评价

本研究采用的评价方法是依据《水工混凝土结构耐久性评定规范》（SL775-2018），该规范的耐久性评定方法是将各种环境进行分类和分级，按照结构重要程度先针对单一环境进行单独评级，然后结合合理使用年限进行综合评价。

根据前述分析，影响该工程混凝土耐久性的最大因素是碳化，按SL775-2018，碳化环境下，钢筋开始锈蚀时间按式⑴计算：

tc——钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂的时间，a；

ts——特定条件下（各项影响系数为1.0 时）构件自钢筋开始锈蚀到保护层锈胀开裂的时间，a，对室外杆件取ts=1.9，室外墙、板取ts=3.9；对室内杆件取ts=3.8，室内墙、板取ts=11.0；

Hc——保护层厚度对保护层锈胀开裂时间的影响系数；

Hf——混凝土强度对保护层锈胀开裂时间的影响系数；

Hd——钢筋直径对保护层锈胀开裂时间的影响系数；

HT——环境温度对保护层锈胀开裂时间的影响系数；

HRH——环境湿度对保护层锈胀开裂时间的影响系数；

Hm——局部环境对保护层锈胀开裂时间的影响系数。

该水闸闸墩水上部位的碳化深度平均值最大，因此，选用该部位进行耐久性寿命计算，该闸墩水上环境为：年平均温度14℃，环境平均湿度60%；保护层厚度33mm，平均碳化深度19.3mm，钢筋直径为16mm，建成时间为45 年，通过查表得到式⑴和⑵的相关参数见表8。计算得出该闸墩水上部位的钢筋开始锈蚀时间为33.1年，从开始锈蚀到保护层开裂时间为41.8 年，因此保护层锈胀开裂时间为74.9 年（33.1+41.8=74.9）。