水工混凝土工程耐久性設(shè)計(jì)研究

張 軍 朱文博 王 軍

（1 淄博市水利建筑安裝公司，山東 淄博 255000；2 山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

水工混凝土結(jié)構(gòu)主要包括混凝土大壩、水閘、堤防、隧道、渡槽等。這些水工混凝土能否長(zhǎng)期安全運(yùn)行，關(guān)系大江、大河、水庫的防洪渡汛等國(guó)計(jì)民生大事。因此水工混凝土耐久性問題一直是政府管理部門和科研機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。由于我國(guó)各地水文地質(zhì)環(huán)境差異大，一些地方的水工混凝土長(zhǎng)期受有害物質(zhì)的侵蝕，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程達(dá)不到設(shè)計(jì)使用期限的要求就無法繼續(xù)使用，嚴(yán)重的造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此，分析水工混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕機(jī)理，研究提高水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的途徑，使其滿足預(yù)定的使用功能和服務(wù)使用壽命，是目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的一個(gè)緊迫課題。

1 混凝土侵蝕機(jī)理研究

1.1 混凝土的組成分析

混凝土中的膠凝材料水泥，按照其成分和用途不同，可分為硅酸鹽水泥、摻合料硅酸鹽水泥（包括普通、礦渣、粉煤灰和火山灰等）、鋁酸鹽水泥、膨脹水泥等。但在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)中用量最多的是硅酸鹽水泥，又稱波特蘭水泥。 該水泥熟料（粉狀）的主要成分為：

硅酸三鈣 （3CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫為C3S），含量37%～60%；

硅酸二鈣 （2CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫為C2S），含量15%～37%；

鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫為C3A），含量7%～15%；

鐵鋁酸四鈣 （4CaO·Al2O3·得Fe2O3，簡(jiǎn)寫為C4AF），含量10%～18%。

上述4 種礦物中硅酸鈣（包括硅酸三鈣、硅酸二鈣）是主要的，占70%以上。 這些礦物是依靠水泥原料中提供的CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物在高溫下互相進(jìn)行化學(xué)作用而形成的。硅酸鹽水泥熟料與水發(fā)生反應(yīng)形成水化物并放出一定的熱量，反應(yīng)化學(xué)式如下：

從上述反應(yīng)式中可以看出，生成的水化產(chǎn)物主要有：水化硅酸三鈣3CaO·得2Si O2·得3H2O；氫氧化鈣Ca （OH）2；水化鋁酸三鈣3Ca·Al2O3·6H2O；水化鐵酸鈣CaO·Fe2O3·H2O。

因而，混凝土中的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成的水泥石，主要是由水化硅酸三鈣和水化鐵酸鈣兩種凝膠，以及氫氧化鈣等晶體固相組成，是一種復(fù)雜的混合物。 其中，氫氧化鈣約占總量的25%；此外，水泥中還含有K2O、Na2O 等堿金屬氧化物雜質(zhì)，這些氧化物水化生成KOH 和NaOH。所以，混凝土的基體本身就是一種高堿性的混合物[2]。

部分水中含有較多的可溶鹽類，最主要的有NaCl、Na2SO4、MgSO4。 這些鹽類的存在對(duì)混凝土產(chǎn)生兩種破壞作用：硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕和氯鹽對(duì)鋼筋的侵蝕。

1.2 硫酸鹽的腐蝕

Na2SO4、MgSO4等與混凝土中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO4，CaSO4又迅速與水泥石中的水化鋁酸鈣作用生成鈣礬石。 反應(yīng)過程如下（以MgSO4為例）。

生成鈣礬石后，固相體積是原來的1.5 倍以上，在混凝土內(nèi)形成膨脹應(yīng)力而引起混凝土結(jié)構(gòu)的開裂破壞。

1.3 氯鹽的腐蝕

水中的NaCl、MgCl2與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2作用，生成CaCl2、Mg(OH)2等物質(zhì)。

由于生成的CaCl2、Mg(OH)2都是無凝膠作用的物質(zhì)，嚴(yán)重破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；同時(shí)，反應(yīng)后生成大量游離氯離子，致使鋼筋發(fā)生銹蝕。

鋼筋銹蝕后體積膨脹，導(dǎo)致力學(xué)性能下降、與混凝土間的粘結(jié)力降低、混凝土開裂，嚴(yán)重降低工程結(jié)構(gòu)的可靠性。研究表明氯離子是造成水工混凝土破壞的最主要因素[3]。

此外，水位變動(dòng)區(qū)混凝土的凍融破壞、水對(duì)混凝土構(gòu)件的沖刷磨損也對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生破壞作用。

2 提高耐久性設(shè)計(jì)措施

2.1 劃分混凝土構(gòu)件環(huán)境區(qū)域

水工混凝土構(gòu)件在海域的部位不同，腐蝕程度也有較大差異。 根據(jù)多年對(duì)港口碼頭的調(diào)查，將混凝土構(gòu)件所處區(qū)域劃分為4個(gè)區(qū)，即大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)。 浪濺區(qū)鋼筋腐蝕最嚴(yán)重，其次是大氣區(qū)，水下區(qū)腐蝕最輕。 混凝土設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)不同區(qū)域，有針對(duì)性的采取不同的防腐蝕措施和方法。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水工混凝土的結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)造與普通混凝土不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到滿足以下要求：

（1）構(gòu)件截面幾何形狀力求簡(jiǎn)單、平順，有利于排水；限制導(dǎo)致表面積水的設(shè)計(jì)，盡量減少構(gòu)件受潮和濺濕的表面積。

構(gòu)件應(yīng)便于施工，易于成型。 對(duì)處于腐蝕嚴(yán)重部位的構(gòu)件，應(yīng)考慮其更換的可能。

（2）結(jié)構(gòu)形式要利于關(guān)鍵部位的檢測(cè)和維修，應(yīng)設(shè)置利于檢測(cè)維護(hù)的通道。

表1 水工鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度 （mm）

表2 水工混凝土水灰比最大允許值和最低水泥用量

（3）處理好構(gòu)件間的連接，采用的支座和節(jié)點(diǎn)要保證結(jié)構(gòu)的變形約束最小。

（4）構(gòu)件中受力的鋼筋和構(gòu)造鋼筋宜構(gòu)成閉口的鋼筋籠，以增加結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固和耐久。

混凝土保護(hù)層最小厚度應(yīng)符合表1的規(guī)定。

（2）集料

集料應(yīng)堅(jiān)硬、清潔、級(jí)配良好，優(yōu)先選用天然河砂、碎石或卵石。 粗集料中不能含活性SiO2，以防止堿與集料反應(yīng)。 細(xì)集料不能采用海砂。 粗集料的最大粒徑，在浪濺區(qū)不大于保護(hù)層厚度的2/3；其他區(qū)不大于保護(hù)層厚度的4/5。

（3）鋼筋

增加鋼筋本身抵抗銹蝕的能力，也是提高水工混凝土耐久性的有效措施。目前采用的耐腐蝕鋼筋包括耐腐蝕低合金鋼筋、包銅鋼筋、鍍鋅鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼筋等。 環(huán)氧涂層鋼筋是目前應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。它是在拋光凈化到接近鐵白程度并預(yù)熱到約230℃的鋼筋表面上，靜電噴涂的環(huán)氧粉末會(huì)立即熔化、流化并迅速固化，形成一層連續(xù)、堅(jiān)韌、不滲透的膜，能適當(dāng)彎曲、耐磨，具有極高的防腐蝕性能，即使氯離子大量侵入混凝土中，也能長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋免受腐蝕。環(huán)氧涂層鋼筋的運(yùn)輸、存放、加工、安裝和混凝土澆搗有嚴(yán)格要求，我國(guó)于1997年制訂了《環(huán)氧涂層鋼筋規(guī)范》，為環(huán)氧涂層鋼筋的應(yīng)用提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

（4）混凝土表層處理

為防止氯化物、二氧化碳等侵蝕性介質(zhì)滲入混凝土中，延緩鋼筋銹蝕，對(duì)新澆注的混凝土結(jié)構(gòu)表面涂層也是一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和有效的輔助性保護(hù)措施。涂層可以分為侵入型和隔離型兩類。侵入型涂料不會(huì)在混凝土表面形成膜，也不能充滿混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙，但能顯著降低混凝土的吸水性。而隔離型涂料可以使混凝土和侵蝕介質(zhì)隔離。

（5）采用高性能混凝土

高性能混凝土中摻有礦物摻合料，如粉煤灰、礦渣、硅粉等。 這些摻合料對(duì)混凝土的性能具有物理和化學(xué)改善作用，有效增加混凝土的密實(shí)度、增強(qiáng)抵抗侵蝕的能力。高性能混凝土已作為提高水工混凝土耐久性的有效措施被研究和開發(fā)。

3 結(jié)論

水工混凝土受到多種侵蝕破壞，其耐久性設(shè)計(jì)也必須考慮到多種方法。在設(shè)計(jì)中既要合理的選擇結(jié)構(gòu)形式、原材料和構(gòu)造要求；又要根據(jù)工程實(shí)際，充分利用高技術(shù)手段和產(chǎn)品，盡最大可能提高工程的耐久性和可靠性。

[1]李金玉，曹建國(guó)。 水工混凝土耐久性研究和應(yīng)用[M]。北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]金偉良，趙羽習(xí)。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M]。 北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]張譽(yù)，蔣利學(xué)，屈文俊。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M]。上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[4]王軍。 混凝土中鋼筋銹蝕原因與防銹蝕設(shè)計(jì)研究[J]?；炷?，2008（8）

[5]蘇達(dá)根。土木工程材料[M]。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006