大壩水工建筑物混凝土碳化因素及防空分析

李興祥

摘要：通過(guò)對(duì)高海拔地區(qū)水工建筑物混凝土碳化機(jī)理的分析來(lái)探討減少其碳化及凍融危害的防控措施。

關(guān)鍵詞：混凝土；機(jī)理；碳化；凍融；防控措施

水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)多處在氣候條件惡劣的環(huán)境中，而空氣、土壤或地下水中酸性物質(zhì)。而混凝土的破壞常以碳化、凍融破壞主，致使許多水工建筑物的運(yùn)行壽命大為縮短。如西藏滿(mǎn)拉水利樞紐管理局水庫(kù)大壩始建于1994年，至今右側(cè)溢流壩導(dǎo)墻水位消落區(qū)范圍及溢流堰側(cè)槽已發(fā)生了大面積的松動(dòng)破碎脫落現(xiàn)象，且鋼筋也發(fā)生了銹蝕裸露等現(xiàn)象。所以有必要進(jìn)一步探討地處高海拔地區(qū)（西藏日喀則地區(qū)江孜縣）水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機(jī)理及防治措施。

一、混凝土的碳化及凍融破壞機(jī)理

（一）混凝土的碳化破壞機(jī)理

空氣中酸性氣體（主要是CO2）沿著混凝土空隙（其內(nèi)部存在著大小不一的毛細(xì)管、孔隙、氣泡等）滲透到混凝土內(nèi)，在潮濕環(huán)境下與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，其碳化過(guò)程化學(xué)反應(yīng)如下：

CO2+H2O→H2CO2

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

水泥在水化過(guò)程中使混凝土充滿(mǎn)了飽和氫氧化鈣，屬于堿性介質(zhì)，對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4。經(jīng)過(guò)碳化的混凝土堿度降低，在碳化超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí)，在空氣和水存在的條件下，混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用就會(huì)失去，鋼筋開(kāi)始生銹?？梢?jiàn)，混凝土碳化作用一般不會(huì)直接引起其性能的劣化，對(duì)于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對(duì)于鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)，碳化會(huì)使混凝土的堿度降低，使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，出現(xiàn)鋼筋銹蝕露筋現(xiàn)象，降低了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

西藏滿(mǎn)拉水庫(kù)水質(zhì)經(jīng)檢測(cè)酸性物質(zhì)含量大，且溢流壩側(cè)槽在過(guò)水期間水汽彌漫，給其中的混凝土擋墻和導(dǎo)墻增加了碳化所需的因素，直接導(dǎo)致混凝土逐漸破壞脫落及鋼筋膨脹。

（二）混凝土的凍融破壞機(jī)理

1.當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周?chē)奈⒂^結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2.當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時(shí)，由凝膠孔中過(guò)冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在-78℃以下，因而由冰與過(guò)冷水的飽和蒸汽壓差和過(guò)冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。

3.凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，最后甚至完全喪失。

針對(duì)上述理論，通過(guò)對(duì)西藏滿(mǎn)拉水庫(kù)的各部分的混凝土水工建筑物的綜合比較中不難看出，處在干燥條件的混凝土（滿(mǎn)拉水庫(kù)大壩混凝土防浪墻及進(jìn)水塔消落區(qū)以上）顯然凍融破壞較小，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一；再通過(guò)對(duì)滿(mǎn)拉大壩的混凝土防浪墻與水塔內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)的比較，我們同樣不難看出，水塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土（室內(nèi)相對(duì)恒溫）的凍融破壞不明顯，所以外界氣溫正負(fù)變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)，是決定混凝土凍融破壞的主要因素。

二、混凝土碳化及凍融破壞影響因素

（一）混凝土碳化破壞影響因素

影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。

1.水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同。

2.周?chē)橘|(zhì)中CO2的濃度高低及濕度大小。

3.水中是否存在影響Ca（OH）2溶解度的物質(zhì)。

4.混凝土的滲透系數(shù)、透水量。

5.水泥用量越大，碳化速度越慢。

6.水灰比越低，碳化速度越慢。

7.施工質(zhì)量好壞。

8.光照直射加速碳化。

9.溫度越高，碳化反應(yīng)越快。

10.CO2濃度。

11.氯離子濃度。

12.混凝土結(jié)構(gòu)的不同應(yīng)力狀態(tài)。

綜上所述，西藏滿(mǎn)拉水庫(kù)由于地處高海拔地區(qū)，比同等結(jié)構(gòu)條件下的混凝土陽(yáng)光直射強(qiáng)烈，晝夜溫差大，且水流呈酸性，溢流壩周?chē)鷿穸容^大等因素都給其所處的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成了碳化破壞創(chuàng)造了條件。

（二）混凝土凍融破壞影響因素

1.主要材料的影響?；炷两M成材料的性質(zhì)如：

（1）水泥的品種、水泥中不同礦物成份對(duì)混凝土的耐久性影響較大。

（2）骨料的影響。

（3）骨料的滲透性和吸濕性對(duì)混凝土的抗凍性也有決定性的作用。

（4）骨料的化學(xué)性能對(duì)混凝土的耐久性也將產(chǎn)生一定的影響。

2.外加劑的影響。在混凝土施工過(guò)程中摻入引氣劑或減水劑對(duì)改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可起到緩沖凍脹的作用，大大降低凍脹應(yīng)力，提高混凝土的抗凍性。

3.施工質(zhì)量影響。混凝土施工質(zhì)量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質(zhì)量關(guān)，不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面，力求密實(shí)，表面光滑。

根據(jù)滿(mǎn)拉水庫(kù)的施工資料可以知道其施工質(zhì)量良好，施工工藝合理，混凝土用料合格，但是水庫(kù)受水位變化影響嚴(yán)重，在庫(kù)水位消落區(qū)間，所在混凝土的凍融現(xiàn)象嚴(yán)重，松散剝落情況明顯較同位置的混凝土嚴(yán)重，已發(fā)生大面積的漏筋和鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

三、混凝土碳化及凍融破壞的防治（針對(duì)已建滿(mǎn)拉水庫(kù)實(shí)際情況）

（一）在滿(mǎn)拉水庫(kù)歲修施工中應(yīng)根據(jù)建筑物所處的地理位置、周?chē)h(huán)境，選擇合適的水泥品種；對(duì)于水位變化區(qū)以及干濕交替作用的部位或較嚴(yán)寒地區(qū)選用抗硫酸鹽普通水泥；沖刷部位宜選高強(qiáng)度水泥。

（二）在水庫(kù)防浪墻、水塔及導(dǎo)墻較高位置、工作交通橋等破壞輕微的表層混凝土，適用于水泥砂漿修補(bǔ)。

（三）在維修完畢后及時(shí)的養(yǎng)護(hù)，保持濕潤(rùn)，注意保溫，減少滲流水量和其它有害物的侵蝕，以確?；炷恋拿軐?shí)性。

（四）對(duì)水庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)地下部分用溶化的瀝青涂抹設(shè)置保護(hù)層，確保地下部分免受凍融和碳化破壞。

（五）嚴(yán)格混凝土制作配合比，降低混凝土的水灰比。

總之我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)水工建筑物所處的環(huán)境、位置破壞的程度以及原混凝土構(gòu)件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補(bǔ)方法，才能獲得較好的效果。

四、結(jié)語(yǔ)

我們的原則應(yīng)該是防重于治，首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境，合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，加強(qiáng)工程運(yùn)行中科學(xué)管理，發(fā)現(xiàn)碳化，凍融破壞及時(shí)采取防范保護(hù)和修補(bǔ)措施，以達(dá)到或延長(zhǎng)工程的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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