浅析水工建筑物混凝土的碳化冻融破坏及防治

 

　　关键词：防治 混凝土碳化 冻融破坏 水工建筑物

 

　　水工建筑物多以混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境中，受泥沙、水流、物理、化学、气温等影响因素颇多。混凝土的破坏以碳化、冻融破坏为常见，致使许多水工建筑物的运行寿命大为缩短，造成极大浪费。如吉林省丰满水电站，大坝某处水平施工缝张口宽达1cm以上；又如唐海县双九河嘴东挡潮闸始建于1976年，到1986年许多混凝土构件已产生很多裂缝，钢筋裸露；还有我省宝鸡峡灌区混凝土渠道某些渠道某些区段也发生严重冻融破坏等等，所以有必要进一步探讨水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏机理及防治措施。

　　2.1混凝土的碳化

　　混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca（OH）2＋CO2＝CaCO3＋H2O.水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其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，称为纯化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，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，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。

　　2.2混凝土的冻融

　　混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，如浙江省的富春江水电站，湖南省的桃江水库等，都发生过不同程度的冻融破坏。所以对混凝土的冻融破坏的研究显得尤为重要。对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者T.C.Powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是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；其二是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。

　　另外凝胶不断增大，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。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

　　3.1混凝土碳化影响因素及防治　3.1.1混凝土碳化影响因素

　　影响混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影响较大的是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同；其次，影响混凝土碳化主要还与周围介质中CO2的浓度高低及湿度大小有关，在干燥和饱和水条件下，碳化反应几乎终止，所以这是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因；再次，在渗透水经过的混凝土时，石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ca（OH）2溶解度的物质，如水中含有Na2SO4及少量Mg2＋时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ca（HCO3）2的Mg（HCO3）2对抵抗溶出侵蚀则十分有利。因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层；另外，混凝土的渗透系数、透水量、混凝土的过度振捣、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系。

　　3.1.2混凝土碳化破坏的防治

　　对于混凝土的碳化破坏，我们在施工中总结出了一系列治理措施：一是，在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；二是，分析骨料的性质，如抗酸性骨料与水、水泥的作用对混凝土的碳化有一定的延缓作用；三是，要选好配合比，适量的外加剂，高质量的原材料，科学的搅拌和运输，及时的养护等各项严格的工艺手段，以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；另外，若建筑物地处环境恶劣的地区，宜采取环氧基液涂层保护效果较好，对建筑物地下部分在其周围设置保护层；用各种溶注液浸注混凝土，如：用溶化的沥青涂抹。还有，若建筑物一旦发生了混凝土碳化，最好采用环氧材料修补，若碳化深度较大，可凿除混凝土松散部分，洗净进入的有害物质，将混凝土衔接面凿毛，用环氧砂浆或细石混凝土填补，最后以环氧基液做涂基保护。

　　3.2混凝土冻融破坏影响因素及防治

　　3.2.1混凝土冻融破坏影响因素

　　混凝土冻融破坏的影响因素是多方面的。一是组成混凝土的主要材料性质的影响，如；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，又如骨料的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，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，由于湿度和强度的变化，会产生含针状物岩石体积的变化，这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面，同时骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响；二是外加剂的影响，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；三是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。此外混凝土的表面、边角和工作缝部位处于最不利的工作条件，所以混凝土模板种类、性质和表面加工情况以及工作缝的处理对混凝土的耐久性也有很大的影响；四是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止；五是严格控制施工质量，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。

　　3.2.2混凝土冻融破坏的防治

　　对于混凝土冻融破坏的防治，结合我们的施工实践，总结出了如下几点：

　　（1）预防措施。一是在混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成份和不同性能的水泥、骨料和外加剂，从材料方面确保混凝土的耐久性；二是严格混凝土制作配合比，一定要根据结构类型和所处的环境条件，试验确定关键参数，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分仅为其重量的25％左右，若水量增加，多余的水就游离析出，产出孔隙，饱和后易受冻胀破坏；另外掺入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性最有效的途径之一；三是人为地优化建筑物混凝土构件周围的环境条件，以减少或改善致使混凝土冻融的各种不利因素。（2）治理措施。①水泥砂浆修补，适用于轻微的表层破坏；②预缩砂浆修补，所谓预缩砂浆是指经拌和好之后再归堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂浆，此种方法适高速水流区混凝土表面的损坏；③喷浆修补，多用于混凝土冻融破坏化较严重的部位；喷混凝土修补，是指经施高压将混凝土拌料以高速运动注入被修补的部位，其密度及抗渗性较一般混凝土好，且具有快速，高效的特点；④环氧材料修补，一般有环氧基液、环氧砂浆和环氧混凝土等，这种材料具有较高的强度和抗蚀、抗渗能力，并与混凝土结合力较强，但价格较贵，施工工艺复杂，材料配比严格，此法可与其它修补方法配合使用，效果更佳；总之我们应当根据水工建筑物所处的环境、位置和冻融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。

　　本文简要概括了水工建筑物混凝土碳化、冻融破坏及其防治的主要措施，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（水泥品种的选择、W燉C的限制、外加剂的选用等等）；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。