塔里木灌區(qū)混凝土碳化問題的思考

傅曉松 崔兆充 邱紅霞

(新疆兵團農(nóng)一師勘測設計院 新疆阿克蘇 843000)

1 前言

塔里木河流域近期綜合治理項目的實施,給農(nóng)一師水利事業(yè)帶來了很好的機遇。“十五”、“十一五”期間,各墾區(qū)完成了數(shù)量較多的防滲渠道和渠道水工建筑物,為節(jié)水灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展提供了良好的條件。

但是,隨著大批水工建筑物的相繼建成和投入運用,也逐漸地暴露出一些值得關(guān)注的問題。其中以 “混凝土碳化”問題最為突出。

2 水工建筑物的水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化破壞現(xiàn)狀

(1)五團總干渠 1+270新老干渠分水閘(2000年建),鋼筋混凝土閘門頂梁碳化裂縫嚴重(裂縫寬 2～3mm),從外觀看已近于 “散架”。啟閉梁碳化深度 24mm。

(2)塔北一干渠 (1998年建),17+190閘,節(jié)制閘工作橋各個排架柱四面均出現(xiàn)大小不等的豎向裂縫,最大裂縫寬超過 2mm。

塔北二干渠幾乎所有的鋼筋混凝土閘門主梁,均出現(xiàn)不同程度的水平裂縫。

(3)塔北總干渠 15km閘 (2006年建),該閘建成僅兩年,實測工作橋混凝土的最大碳化深度17mm。

混凝土的碳化破壞,主要集中發(fā)生在水工建筑物的水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上。如交通橋、工作橋、檢修橋、排架柱、鋼筋混凝土閘門及欄桿等。使用10年以上的水工建筑物,上述部位由于混凝土碳化、鋼筋銹蝕,出現(xiàn)的裂縫隨處可見。混凝土保護層剝落的情況也屢見不鮮。

3 混凝土的碳化機理及其影響因素

3.1 混凝土碳化作用及其與鋼筋銹蝕的關(guān)系

混凝土的碳化是指空氣中的 CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中的 Ca(OH)2(液相)作用,生成CaCO3和 H2O的中性化過程。

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,由于鋼筋在高堿性環(huán)境中,鋼筋表面產(chǎn)生鈍化膜使鋼筋免遭銹蝕?；炷林兴嗨饔蒙傻?Ca(OH)2含量大小決定混凝土 p H值高低。Ca(OH)2一方面是混凝土高堿度的提供者,但它卻又是混凝土中最不穩(wěn)定的成分之一,很容易與環(huán)境中的酸性介質(zhì)發(fā)生中和反應,使混凝土碳化?；炷撂蓟院?pH值降低,鋼筋表面鈍化作用消失,鋼筋便開始銹蝕。

在理想情況下,混凝土中的 p H值可以達到12.5～13,此時鋼筋處于鈍化狀態(tài),不會銹蝕。當混凝土的 pH值大于 11.5時,鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)。當混凝土的 pH值在 9.88～11.5之間,鋼筋表面的鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài),鋼筋表面有可能發(fā)生銹蝕。當混凝土的 p H值小于 9.88時,鋼筋的鈍化作用完全消失,鋼筋便發(fā)生銹蝕。

混凝土的碳化問題主要發(fā)生在水上部位,長期處于水位以下的混凝土,一般不直接同空氣接觸,不存在碳化問題。

3.2 影響混凝土碳化的因素

影響混凝土碳化的主要因素是混凝土本身的密實性和堿性物質(zhì)儲備的大小,即混凝土的滲透性和Ca(OH)2含量的大小?；炷恋目障堵试叫?滲透性越低,密實性越高,Ca(OH)2含量越大,則混凝土的抗碳化性能越好。反之,則越差。

影響混凝土的密實性及其堿性儲備的因素比較復雜,具體說有材料、環(huán)境和施工三大因素。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品種及其用量、混凝土強度等級、骨料級配、外加劑等。環(huán)境因素包括環(huán)境相對濕度、溫度、壓力以及 CO2氣體濃度等。施工因素包括混凝土攪拌、振搗質(zhì)量和養(yǎng)護條件等。

3.2.1 水灰比的影響

由于混凝土水化作用所消耗的水量僅占混凝土拌和用水量的 25%～30%左右,因此混凝土硬化后,多余的水分蒸發(fā)或殘留在混凝土中。所以混凝土實際上是一種多孔性的混合材料,其內(nèi)部往往存在著大小不同的毛細管、孔隙、氣泡等缺陷。具有一定的透氣性。

因此,水灰比增大,會增加混凝土內(nèi)部的孔隙和毛細孔的含量,使混凝土的透氣性提高,CO2氣體在混凝土毛細孔的擴散速度加快,加速混凝土的碳化過程。

3.2.2 水泥用量的影響

水泥用量較大時,一方面混凝土的密實性比較高;另一方面混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2含量較大,混凝土抗碳化性能較好。水泥用量較小時,混凝土密實性則相對較差,同時混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2含量也相對減少。

3.2.3 水泥品種的影響

試驗資料表明,礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥拌制的混凝土,其碳化速度要比硅酸鹽水泥配制的混凝土碳化速度快。這是因為硅酸鹽水泥中CaO含量高,能生成較多的 Ca(OH)2,混凝土的堿性高。同時 CO2氣體在硅酸鹽混凝土中的滲透速度相對較慢。因此,采用硅酸鹽水泥拌制的混凝土,具有較好的抗碳化性能。

3.2.4 空氣相對濕度的影響

混凝土的碳化與環(huán)境的相對濕度有重要關(guān)系。因為混凝土在碳化過程中與 CO2發(fā)生反應生成的水分要向外擴散,以保持混凝土內(nèi)部與大氣之間的濕度平衡。在相對濕度接近 100%時,混凝土中的空隙被冷凝水所充滿,使 CO2氣體向混凝土內(nèi)滲透速度受阻,混凝土的碳化作用將停止。當相對濕度小于 25%時,雖然 CO2氣體向混凝土內(nèi)的擴散滲透速度加快,但混凝土空隙中,沒有足夠的水,空氣中 CO2無法溶解于混凝土的毛細管水中,或者其溶解量很小,不能與堿性溶液發(fā)生反應,因此混凝土內(nèi)部的碳化反應也無法進行。有資料表明,在相對濕度 50%～70%的條件下,最有利于促使混凝土碳化。這就是為何我國內(nèi)陸相對于沿海潮濕地區(qū)混凝土碳化作用明顯的原因所在。

3.2.5 空氣中 CO2濃度的影響

空氣中 CO2氣體的濃度越高,混凝土的碳化速度越快,碳化深度越大。

3.2.6 混凝土強度等級的影響

一般混凝土強度等級越高,混凝土就越密實,CO2氣體在混凝土表層的擴散滲入速度越慢,混凝土的碳化速度降低,抗碳化性能提高。有人認為水灰比很小而且很密實的混凝土 (C50以上的混凝土),因碳化所引起的鋼筋銹蝕問題可以忽略不計。

3.2.7 混凝土施工時振搗、養(yǎng)護的影響

混凝土在施工操作過程中振搗充分、養(yǎng)護良好,則混凝土硬化后密實度較高,混凝土的碳化速度就慢。若混凝土在施工過程中,振搗不充分,混凝土在硬化初期養(yǎng)護不良,混凝土中的水分蒸發(fā)過快,混凝土面層滲透性 (透氣性)增大,則混凝土的碳化加快。

3.2.8 混凝土中氯化鈉含量的影響

混凝土中含有氯化鈉,碳化速度會明顯加快,氯化鈉的含量越高,混凝土的碳化速度就越快。因此,在施工過程中,使用氯化物超標的水拌制混凝土或者在混凝土中滲入含有氯化物的外加劑,都會加速混凝土的碳化。

3.3 混凝土碳化導致的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞

房屋建筑工程一般要進行抹灰裝修,抹灰裝修層在鋼筋混凝土外圍形成保護層,對延緩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度有很好的作用。水利工程、橋梁工程就不同了,混凝土及鋼筋混凝土工程都不允許抹面,混凝土表面直接同水體或大氣接觸,因此,混凝土的碳化問題比較突出。

混凝土碳化后,pH值降低,鈍化作用消失,鋼筋便開始銹蝕。鐵銹體積膨脹 (一般增長 2～4倍),使混凝土保護層脹裂甚至脫落,鋼筋外露。

鐵銹的生成既削減了受力鋼筋的截面,同時又破壞了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié),使鋼筋與混凝土協(xié)同受力的能力降低,最終會造成結(jié)構(gòu)性破壞。

阿克蘇河新開嶺老大橋混凝土 T梁的老化破壞就是一個明顯的例證。

4 該區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化破壞的主要影響因素

4.1 環(huán)境的相對濕度有利于混凝土碳化

農(nóng)一師各墾區(qū)位于塔克拉瑪干大沙漠北緣,屬于暖溫帶極端干旱的氣候類型,空氣相對濕度較低,基本不超過 50%。

例如:塔里木灌區(qū)年均相對濕度 40%左右,而水工建筑物在河道、渠系等水環(huán)境影響下,周圍空氣的相對濕度多在 50%～75%之間,在這樣的空氣濕度下混凝土碳化作用非?；钴S。

4.2 混凝土密實度較低

農(nóng)一師水利工程混凝土密實度偏低的原因,有設計、施工等多方面的因素。

(1)混凝土配合比方面。目前,通常都是在確定混凝土粗、細骨料場和水泥品種后,委托有資質(zhì)的單位通過試驗提供施工使用的混凝土配合比?；炷僚浜媳仍囼炛饕獫M足設計單位提供的混凝土強度、抗?jié)B、抗凍融三大指標,但對如何提高混凝土的密實度和抗碳化性能,怎樣延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命等問題,則考慮甚少。

因此,除了高標號混凝土 (例如 C40、C50以上)以外,一般混凝土的水泥用量都不大,這是混凝土密實度不足的主要原因之一。同時水泥用量不大,又會使混凝土中的 Ca(OH)2含量相對較小,混凝土的堿性儲備不足,混凝土抗碳化性能也較差。

(2)混凝土水灰比偏大。在施工過程中,拌制混凝土時加水量控制不嚴。實際水灰比往往大于設計配合比。特別是為了搶工期,有些施工單位,往往通過增加混凝土的拌和水量,來加大混凝土坍落度,來達到加快施工速度的目的,結(jié)果使混凝土的密實度降低。

(3)混凝土配料不準確。目前農(nóng)一師在中、小水利工程施工時,多數(shù)仍采用人工過秤配料。特別是混凝土防滲渠道施工,由于點多、線長,施工監(jiān)督不易全面到位,工人配料不認真,砂子、石子配入量有時高于規(guī)定配合比,也使混凝土的密實度下降。

(4)混凝土施工振搗不夠密實,使混凝土內(nèi)部氣孔增多。

(5)模板漏漿,混凝土施工振搗過程中部分灰漿流失,使表層 (特別是鋼筋保護層)混凝土的水泥含量減少,混凝土密實度下降,滲透性(透氣性)增大。其結(jié)果會大大加快混凝土保護層的碳化速度,帶來很大的危害性。

4.3 混凝土施工初期養(yǎng)護差

從目前水利工程施工現(xiàn)場情況來看,混凝土養(yǎng)護時間短,養(yǎng)護質(zhì)量差,具有普遍性。

該區(qū)氣候十分干旱,混凝土面層的水分蒸發(fā)很快,混凝土養(yǎng)護不良,便導致混凝土表層滲透性增大,會加速鋼筋保護層的碳化。

根據(jù)以上論述,由于混凝土的水泥用量偏低,在施工過程中,水灰比偏大、配料不準確、混凝土振搗不夠密實、模板漏漿、養(yǎng)護質(zhì)量差等多方面的原因造成混凝土密實度差,品質(zhì)不良。特別是表層混凝土氣孔多、密實度更低,使鋼筋保護層混凝土的抗碳化性能十分脆弱。鋼筋很快開始銹蝕。使水上部位的鋼筋混凝土構(gòu)件的使用壽命大大縮短。根據(jù)近期水閘安全鑒定調(diào)查,近幾年修建的水工建筑物,混凝土碳化速度有加快的趨勢,這可能同施工質(zhì)量有關(guān)。

4.4 關(guān)于引氣劑的使用

塔北總干渠15km閘 (即多浪水庫進庫分水閘)2006年建成,當年冬灌投入運行,經(jīng) 2008年 10月檢測,工作橋混凝土的最大碳化深度已經(jīng)達到17mm,比已運用 37年的塔里木攔河閘實測混凝土的最大碳化深度 (18mm)只差 1mm。該閘水上部位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),均用引氣型減水劑。設計抗凍標號 F200,混凝土的含氣量一般在 4.5%～6%。

因混凝土是一種多孔性的混合材料,內(nèi)部存在許多大小不同的毛細管、空隙、氣泡等缺陷,所以混凝土本身具有一定的透氣性。塔北總干渠 15km閘的水上部位鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度加快的主要原因,初步判斷很有可能是在該區(qū)極端干旱的氣候條件下,混凝土摻入引氣劑以后,由引氣劑所產(chǎn)生的許多微小氣孔,反過來導致混凝土內(nèi)部的毛細管、空隙、氣泡等缺陷擴大化,使混凝土的透氣性 (滲透性)增大,碳化速度更快。

根據(jù)上游水庫放水閘 (1961年建),勝利渠一級電站 (1963年建),塔里木攔河閘 (1972年建)幾座年代較久的水工建筑物運行情況來看,該區(qū)混凝土凍融破壞現(xiàn)象很少見。

例如:塔里木攔河閘上下游護坡的漿砌混凝土六棱塊為 C15細砂混凝土,迄今已運行 37年,尚未發(fā)現(xiàn)凍融破壞跡象。攔河閘閘墩 C15混凝土,冬季水位變動部位基本完好?？梢娀炷恋膬鋈谄茐?并不是影響該區(qū)水工建筑物混凝土耐久性的主要問題。因此,盲目提高混凝土的抗凍標號,對該區(qū)來說,沒有多大的實際作用,甚至是有害的。

5 幾點措施

要延緩鋼筋混凝土的碳化速度,首先要提高混凝土的密度,降低混凝土的滲透性。根據(jù)農(nóng)一師現(xiàn)有條件,提出下列建議性措施。

(1)水工建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),一律不允許摻用引氣劑。

(2)對水上部位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),加大水泥用量,提高混凝土密實度和抗碳化性能。

1)交通橋、工作橋、排架柱、檢修橋、人行橋及混凝土欄桿等,每方混凝土最小水泥用量不得少于 350kg。

2)鋼筋混凝土閘門,每方混凝土的最小水泥用量不得少于 400kg。

(3)減少混凝土水灰比,水位以上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物 (含鋼筋混凝土閘門)的水灰比,不得大于 0.45。在施工過程中要嚴格控制混凝土的水灰比。建議在上述部位的鋼筋混凝土中摻用高效減水劑,以便在充分降低水灰比的情況下,使混凝土仍保持較好的施工坍落度以及和易性。

(4)嚴格控制施工質(zhì)量,在施工過程中,抓好:①混凝土配料準確;②拌和均勻;③振搗密實;④防止模板漏漿;⑤防止鋼筋骨架偏移,保證鋼筋保護層厚度等主要環(huán)節(jié)。

(5)加強養(yǎng)護。對水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),強制性加強養(yǎng)護?？梢圆扇〔徊鹉ｐB(yǎng)護或地膜包扎、微噴、混凝土表面噴養(yǎng)護劑等辦法,來確保混凝土養(yǎng)護質(zhì)量。養(yǎng)護時間不得少于 21d。

(6)適當加大鋼筋混凝土保護層設計厚度。

(7)可以嘗試在水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面涂刷聚合物。例如,在鋼筋混凝土閘門表面刷一層環(huán)氧基液,對延緩混凝土碳化都會有很好的效果。

6 結(jié)語

在農(nóng)一師已有水工建筑物中的水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土碳化破壞現(xiàn)象十分普遍。不僅使工程安全使用年限縮短,同時也加大了工程維修費用和管理單位經(jīng)濟負擔。農(nóng)一師各墾區(qū)大、中、小水工建筑物數(shù)量繁多,長此下去,不堪重負。因此,加強對水工建筑物耐久性的研究是擺在水利工作者面前的一個重要課題。

1 龔洛書,等.混凝土的耐久性及其防護修補 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

2 魏艷芳,王天穩(wěn) .裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響[M].建筑技術(shù)開發(fā),2004,(6).

3 王博.混凝土碳化機理及其影響因素 [M].水利水電技術(shù),1995,(11).