水工混凝土耐久性改善措施研究

孙玉玲

(朝阳市喀左县六官营子镇水利服务站，辽宁 朝阳 122300)

由于具有适应性好、易浇筑成型、原料简单、能耗低等特点，混凝土被广泛应用于水利工程领域，并逐渐成为一种用途最广的建筑材料，其产生的经济和社会效益巨大。混凝土应用初期因缺少足够的认识，被人们认为具有很强的耐久性。随着工程建设中混凝土的大量使用逐渐发现一系列问题，如特殊环境下出现过早破坏或达不到设计使用年限，加之运行维护困难而提前拆除重建，从而造成极大资源浪费甚至威胁防洪安全[1-3]。调查显示，恶劣环境下早期建设的水利工程投入运行15-20a就开始出现侵蚀性或冻胀性破坏，为保证工程的安全运行需投入大量的物力与财力维修，尤其是受海水侵蚀破坏的一些港口码头，一般在10a就发生了钢筋锈蚀、表层脱落等现象，需大修才能保持正常运行。考虑到特殊复杂的环境条件，水利工程具有更高的耐久性要求，因此水利工程可持续发展的关键是减少后期维护费用、延长工程使用寿命以及提高混凝土耐久性[4]。

1 水工混凝土耐久性影响因素

混凝土耐久性是指受外界环境、自然条件和内部因素等作用，未超过设计目标要求的使用期就不需要花费巨大资金加固整治，保证其外观质量、使用功能和安全运行的能力。这是一个包含抗碱集料反应、抗腐蚀性、抗冻性、抗渗性、抗碳化性等性能的综合性指标，也是维护工程结构基本功能的重要环节，与水利工程服役年限密切相关[5]。

1.1 碳化作用

混凝土碳化是指内部的氢氧化钙与空气、水中的CO2发生化学反应，自然环境下生成碳酸盐，内部碱度下降，故也称为中性反应，反应方程为Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。碳化作用降低了内部的碱度，使钢筋表面与碱性介质氢氧化钙生成的钝化膜发生破坏，逐渐降低保护钢筋的作用，碳化深度>保护层厚时就失去了原有的防护功能，即在不利情况下引起钢筋的锈蚀破坏。此外，碳化加剧了混凝土收缩致使结构出现裂缝，破坏工程结构的整体性。

1.2 冻融破坏

混凝土冻融破坏必须具备外界气温正负变化和饱水状态两个条件，满足以上条件时内部孔隙水才能形成反复冻融循环。冻融循环时混凝土将受到两种应力作用：①负温条件下内部毛细水产生水转变成冰的物态变化，体积增大近10%，但受毛细孔壁约束作用而出现膨胀应力(即拉应力)，主要分布于孔附近的微观结构内；②凝胶孔中过冷水以及毛细孔水结冰情况下，受表面张力、微观结构重分布和迁移变化产生的渗管压力作用，随孔径减小毛细孔隙水的冰点逐渐下降，产生冰核时凝胶孔水温度低于-78℃，因而盐分浓度差及饱和蒸汽压差将加速水的迁移，从而产生渗透压；③凝胶逐渐增多产生的膨胀压力开始增大，受冻时混凝土因以上压力作用而产生损伤，经多次反复冻融循环破坏范围不断积累扩大，并进一步发展成连通的裂缝，逐渐降低混凝土强度直至完全失去。

1.3 化学侵蚀

特殊复杂的环境条件致使水利工程往往受到各种介质的侵蚀作用，并引起一系列的物理与化学反应，逐步侵蚀混凝土结构，降低水泥石强度甚至发生破坏，工程中比较普遍的化学腐蚀有镁盐、硫酸盐、碳酸盐和软水等[6]。镁盐腐蚀是指水泥石中的Ca(OH)2与地下水中的Mg2+反应生成无胶结力的氢氧化镁，混凝土密度和强度明显降低；硫酸盐腐蚀是指水泥石中的固态水化铝酸钙与地下水中或建筑物基础地层中的SO42-反应生成体积膨胀的水化硫铝酸钙，破坏结构强度；碳酸盐腐蚀是指在压力水流作用下混凝土与环境水中含量较高的CO2以及含碳酸的水反应生成CaCO3、Ca(HCO3)2，不断溶解流失发生碳酸腐蚀，破坏工程结构；软水侵蚀是指在压力水流作用下和软水环境中，混凝土内的Ca(OH)2逐渐被溶解流失，增加混凝土空隙，降低其密实度和强度。

1.4 碱骨料反应

碱骨料反应是指在有水条件下骨料内的活性矿物质和混凝土空隙中的碱溶液发生反应，并引起体积膨胀甚至混凝土的开裂破坏，一般很难根治这种危害作用。水泥熟料是碱性物质的主要来源，碳酸盐、硅酸盐、活性SiO2等为主要活性矿物质[7]。

一般地，混凝土碱骨料反应有碱-碳酸盐、碱-硅酸盐、碱-硅三种型式。其中，碱-硅反应最为常见，当使用含有活性SiO2的粗骨料和含有较高碱性物质的水泥熟料时，骨料中的活性SiO2与碱性物质水化生成的氢氧化钾、氢氧化钠反应并形成附着于骨料表面的碱-硅酸凝胶体，在潮湿环境中该凝胶体吸水产生膨胀，最终引起混凝土膨胀、开裂甚至破坏。

1.5 钢筋锈蚀

钢筋混凝土耐久性与钢筋锈蚀程度直接相关，其中混凝土开裂和碳化深超过保护层厚度是引起钢筋锈蚀的主要原因。钢筋失去碱性环境以及钝化膜的保护作用而转变成活化状态，在氯离子、氧气和水作用下裂缝处最先出现坑蚀，钢筋产生环向锈蚀并沿纵向发展形成片状锈蚀，与原金属相比铁锈(氢氧化铁)的体积膨胀2-4倍，沿钢筋布置方向片状锈蚀体积膨胀产生裂缝，并且钢筋有效截面面积因钢筋锈蚀明显减小，混凝土使用功能和结构承载力受到严重影响，并进一步破坏结构强度。

2 水工混凝土耐久性改善措施

混凝土是经搅拌、浇筑、硬化而形成的一种由水、骨料、水泥组成的水硬性材料，为了保证水泥石硬化过程中的工作性能，一般设计水灰比及拌和水用量偏大，结构空隙所占比例较高(25%-40%)，并以毛细孔为主，侵蚀介质、水分和其它有害介质通过这些空隙进入混凝土内部，从而引起耐久性下降；其次，由于水泥含碱量较高并且水化物稳定性较差，生成的游离石灰强度极低，在侵蚀介质作用下极易破坏水泥石。因此，可从施工技术、工程设计和原材料选择等角度采取有效措施提高混凝土耐久性。

2.1 合理选用原材料

水泥特性及其物质组成在很大程度上影响着混凝土耐久性，应考虑使用部位和水工结构所处环境选择水泥品种，优先选用抗腐蚀、抗冻抗渗性能好以及水化热低、含碱量小的水泥。一般地，干燥环境和有抗冻要求的混凝土不宜选用火山灰水泥，有抗渗要求时不宜选用矿渣水泥，大体积混凝土应优先使用矿渣、粉煤灰等低热水泥，以控制因水化热过高而引起的混凝土空隙增加以及裂缝的形成；混凝土受有害介质侵蚀时，应考虑介质浓度、类型等因素选择特种水泥，如选用抗硫酸盐水泥防止SO4-2离子侵蚀。

为达到设计强度要求必须选用强度高、质地致密的骨料，特别是粗骨料要严格控制有害物质含量。充分考虑骨料碱活用合理选择骨料品种，从而控制混凝土受碱骨料反应破坏。为改善混凝土抗冻性、抗渗性应优先选用级配合理、吸水性能差、抗蚀性能好的骨料，改善和易性和密实度。混凝土强度直接受水灰比及拌和用水量的影响，通过水质化验合理控制拌和用水水质，检测水中的氯离子、镁离子、硫酸根离子含量，有效防止钢筋和水泥石受以上有害物质的侵蚀。

2.2 掺入适量外加剂

水泥水化生成絮状物，并形成一种包含部分拌和水的凝聚结构。掺入表面活性剂——减水剂，能够在水泥颗粒表面定向吸附表面活物质，静电排斥力加大并致使水泥颗粒相互分散，凝聚结构受到破坏内部所包裹的游离水被释放出来，混合物流动性明显增加。因此，掺入适量的减水剂可以减少内部空隙数、用水量和水灰比，提高混凝土密实度、强度、抗冻性和抗渗性。实践表明，相同水泥用量时掺减水剂能降低10%-15%拌和水量以及提高15%-20%混凝土强度[8]。

掺入憎水性表面活性剂——引气剂，拌和物能够形成更多的微小气泡，这些气泡既阻断了内部空隙通道又提高了混凝土的和易性、抗冻性和抗渗性。实践表明，保持水泥用量不变的条件下掺引气剂可大幅提高抗冻性，节约8%拌和水量。此外，微小气泡的存在一定程度上降低了有效断面面积和混凝土强度。目前，采用引气性高效减水剂既能减少拌和用水量，又能提高混凝土抗冻性、抗渗性和强度[9]。

2.3 配制高性能混凝土

水泥石中水化物稳定性差是影响混凝土耐久性的关键因素[10]，将高效活性矿物料(硅粉、矿粉、粉煤灰)掺入普通混凝土中可改善水泥石胶凝材料组成。水泥水化过程中产生的水化硅酸钙、游离石灰能与高效活性矿物料中含有的活性AL2O3、SiO2二次反应，生成的水化硅酸钙稳定性、强度更优。此外，由于水泥颗粒的平均粒径较大，超细矿粉颗粒能够填充水泥石空隙，堵塞内部渗漏通道，提高水泥石密实度。所以，配制高性能混凝土可以改善耐久性。

2.4 设计与施工保护

混凝土保护层厚度应考虑实际环境条件合理设计，以此延长侵蚀介质渗入内部的时间，达到保护钢筋的目的。对于易破坏的位置应按照规范要求适当加大保护层厚度，混凝土结构要尽量少留施工缝，实行整体浇筑，必须预留施工缝时要选择合适的位置和结构型式，不得对混凝土耐久性造成影响；此外，混凝土结构设计应严格控制裂缝宽度，以防裂缝过宽引起钢筋锈蚀，降低整体质量[11]。

施工过程中常用的混凝土保护措施有：混凝土拌制方法主要有裹砂法、两次搅拌法等，从而确保拌和物均匀性；结合现场施工环境实时调整配合比，减少拌和用水量及改善拌和物和易性与强度；为防止漏振、过振可能造成的问题应严格执行混凝土振捣制度。一般从表面开始破坏，终凝前必须用原浆压光抹面减少渗透性，提高结构密实度[12]。

2.5 钢筋防腐预处理

实际工程中，多采取以下措施预处理水工钢筋混凝土：①通过涂抹保护隔离层封闭混凝土内部的渗漏通道，以防外界侵蚀性介质渗透混凝土内部造成钢筋锈蚀，一般利用乳化沥青涂层、环氧基液涂层等；②采用环氧涂层保护钢筋，通过静电喷涂形成一定厚度的保护层，以此阻断侵蚀性介质对钢筋的腐蚀；③尝试利用各种钢筋阻锈剂、耐锈剂等新产品。

3 结 论

混凝土耐久性涉及施工、设计、材料、环境等诸多因素，改善其耐久性属于一项综合性系统问题。因此，只有合理利用材料、科学设计工程结构、实行必要的维护与管理以及严格控制施工质量才能保证混凝土耐久性。