高寒高海拔地區(qū)混凝土病害分析及防治措施*

劉錦濤，程亮，姚軍，劉怡媛

（1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710048；3.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化步伐的加快，不僅帶動(dòng)了建筑工程行業(yè)的發(fā)展，而且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而作為建筑行業(yè)“基石”的混凝土，以其優(yōu)異的力學(xué)性能、較為簡(jiǎn)單的施工工藝和相對(duì)低廉的價(jià)格[1]，被廣泛應(yīng)用于工程中。我國(guó)國(guó)土面積十分遼闊，西部高寒高海拔地區(qū)晝夜溫差大、多雨多雪、紫外線(xiàn)強(qiáng)度大且照射時(shí)間長(zhǎng)，使混凝土結(jié)構(gòu)物極易發(fā)生裂縫、有害孔洞及酥碎掉渣等病害，嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)物的使用安全性。故對(duì)高寒高海拔地區(qū)混凝土病害分析與防治措施的研究已經(jīng)成為一個(gè)重要的課題。

本文分析了高寒高海拔地區(qū)混凝土典型病害產(chǎn)生的原因，并從施工過(guò)程、外加劑與摻合料的用量以及該區(qū)域特殊的氣候環(huán)境三個(gè)角度出發(fā)，對(duì)各種病害都提出相應(yīng)的防治措施。

1 高寒高海拔地區(qū)混凝土常見(jiàn)病害分析

1.1 裂縫

高寒高海拔地區(qū)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是凝結(jié)硬化過(guò)程中溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫，另一類(lèi)是由于施工過(guò)程中的措施不當(dāng)造成的。

混凝土的允許變形在萬(wàn)分之一左右，而混凝土實(shí)際的凝結(jié)收縮在 (4～8)×10-4左右[4]，說(shuō)明混凝土的實(shí)際收縮要大于混凝土的允許變形，故混凝土的收縮裂縫是不可避免的。這種裂縫分為表面裂縫和貫穿裂縫[5]。表面裂縫是混凝土硬化過(guò)程中溫度升高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生溫差，內(nèi)部高溫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部低溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)外部拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)表面裂縫，如圖1；而貫穿裂縫則是在溫度降低過(guò)程中，由于混凝土體積收縮，受到地基以及結(jié)構(gòu)邊界條件約束，在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度后出現(xiàn)的裂縫，如圖2。在高寒高海拔地區(qū)，氣候較為干燥，且晝夜溫差大、紫外線(xiàn)照射強(qiáng)度大，使混凝土更容易產(chǎn)生上述裂縫。

圖1 干縮裂縫

圖2 溫度裂縫

施工過(guò)程中措施不當(dāng)同樣會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫，主要原因有以下幾點(diǎn)[6]：（1）原材料質(zhì)量把控不嚴(yán)：如粗骨料的級(jí)配不均、細(xì)骨料的含泥量過(guò)高等，均會(huì)導(dǎo)致混凝土質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞，質(zhì)量不好的混凝土容易產(chǎn)生裂縫。（2）高寒高海拔地區(qū)交通條件較差，原料的運(yùn)輸受到交通的限制，往往出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)冷接縫，產(chǎn)生薄弱面，出現(xiàn)較長(zhǎng)的接茬裂縫。（3）混凝土振搗過(guò)程中出現(xiàn)的漏振或過(guò)振現(xiàn)象，漏振會(huì)使混凝土出現(xiàn)不規(guī)則的局部裂縫；而過(guò)振則會(huì)使石子下沉、砂漿上浮、泌水量加大，且由于砂漿的收縮程度約是混凝土的 3 倍，這就極易產(chǎn)生較長(zhǎng)的貫穿裂縫。

1.2 有害孔洞

混凝土由于骨料級(jí)配不均勻、施工過(guò)程中振搗不充分等原因，使混凝土中的水泥漿不能充分地填充孔隙，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部或者表面形成孔洞?？锥窗粗睆酱笮≈饕譃樗募?jí)：r＜20μm 為無(wú)害孔、r＝20～50μm 為少害孔、r＝50～200μm 為有害孔、r＞200μm 為多害孔[7]?？锥吹某霈F(xiàn)在很大程度上會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，在相同荷載的作用下，會(huì)比正?；炷粮绨l(fā)生脆性破壞。

高寒高海拔地區(qū)混凝土產(chǎn)生有害孔洞的主要原因有兩個(gè)：一是因?yàn)槭艿絻鋈谘h(huán)的影響，在此地區(qū)服役的混凝土前期內(nèi)部以無(wú)害孔和少害孔居多，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，孔洞也由最初的無(wú)害孔與少害孔變?yōu)橛泻缀投嗪?，從而?yán)重影響到混凝土的耐久性；同時(shí)，因?yàn)橛泻锥吹某霈F(xiàn)，在孔洞處水泥漿與骨料間形成微裂縫，而微裂縫又會(huì)為侵蝕介質(zhì)提供通道，使外部水分等進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土的凍融破壞加劇，如圖3[4]。二是受到外界環(huán)境因素的影響，為了提高混凝土的抗凍耐久性能往往需要摻入一定量的引氣劑，但是高寒高海拔地區(qū)氣壓較低，這將顯著削弱引氣劑的引氣能力；同時(shí)在低氣壓條件下，混凝土氣泡穩(wěn)定性變差[15]，氣泡破裂就更容易產(chǎn)生有害孔洞病害，從而影響混凝土的抗凍性能。

1.3 酥碎掉渣

高寒高海拔地區(qū)混凝土在凍融循環(huán)的作用下，還容易出現(xiàn)酥碎掉渣的病害。該病害產(chǎn)生的原因可以從三個(gè)方面進(jìn)行解釋?zhuān)旱谝?，通過(guò)靜水壓理論可得低溫環(huán)境中孔隙水的凍脹率約為 9%，這使混凝土的抗拉強(qiáng)度小于結(jié)冰孔隙壁產(chǎn)生的靜水壓力，進(jìn)而造成其內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致了混凝土酥碎掉渣[8]；第二，當(dāng)骨料處于吸水飽和的狀態(tài)下受凍時(shí)，其內(nèi)部骨料顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸破壞，產(chǎn)生的內(nèi)力會(huì)破壞骨料和水泥砂漿顆粒間的粘結(jié)性能，如果受到破壞的骨料接近混凝土保護(hù)層，同樣也會(huì)產(chǎn)生酥碎剝落；第三，在混凝土的制備過(guò)程中，由于原材料質(zhì)量參差不齊，振搗密實(shí)度難以保障，會(huì)導(dǎo)致骨料下沉，水泥砂漿上浮，在凍融環(huán)境作用下，混凝土就更容易發(fā)生酥碎掉渣的病害。

圖3 混凝土內(nèi)部微裂縫

1.4 腐蝕破壞

高寒高海拔地區(qū)，混凝土的腐蝕病害以氯離子侵蝕為主，在進(jìn)入冬季后，此區(qū)域會(huì)使用大量的除冰鹽進(jìn)行除冰，這為氯離子的侵蝕提供了條件。腐蝕病害又可分為混凝土腐蝕與鋼筋腐蝕，混凝土腐蝕表現(xiàn)為混凝土表層大面積剝落，使混凝土變得松散；而鋼筋腐蝕則表現(xiàn)為鋼筋銹蝕。分析造成此類(lèi)病害的原因，是由于在凍融環(huán)境下鹽分在混凝土中不斷地遷移，造成了混凝土在除冰鹽與凍融耦合作用下的侵蝕破壞[9]，當(dāng)混凝土由于凍融循環(huán)開(kāi)裂，氯離子就可以通過(guò)裂縫侵入混凝土內(nèi)部，使混凝土破壞加劇。

對(duì)不同強(qiáng)度的混凝土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并測(cè)定其氯離子擴(kuò)散系數(shù)，同樣可以說(shuō)明氯離子侵蝕與凍融影響之間的關(guān)系：試驗(yàn)表明 C30、C35、C40 混凝土，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá) 100 次時(shí)，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別增大約5 倍、2 倍和 1.5 倍，故可以得到隨水灰比減小，凍融對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響減小的結(jié)論[10]。

1.5 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指空氣中的二氧化碳或其他酸性氣體通過(guò)裂縫等途徑進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與內(nèi)部的堿性成分反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、碳酸鈣等物質(zhì)。碳化從根本上是混凝土內(nèi)部成分與外部環(huán)境共同作用的結(jié)果，與混凝土表面裂縫之間存在著緊密的聯(lián)系，在高寒高海拔地區(qū)，頻繁的凍融循環(huán)使混凝土產(chǎn)生了大量裂縫，故加劇混凝土的碳化。有學(xué)者就碳化深度與裂縫尺寸之間的關(guān)系做了試驗(yàn)分析，通過(guò)測(cè)出在裂縫深度為 1cm、2cm、3cm、4cm、5cm 處的碳化深度，得到在相同裂縫深度條件下，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，垂直裂縫方向上的碳化深度也在增長(zhǎng)，但碳化深度增長(zhǎng)的速率卻是減慢的，原因是因?yàn)殡S著碳化深度的增加，生成了越來(lái)越多的致密碳化物 CaCO3，阻礙了 CO2的進(jìn)入，從而減緩了碳化反應(yīng)進(jìn)一步的發(fā)生；同時(shí)，試驗(yàn)還得到沿裂縫深度方向 1cm 區(qū)域的碳化深度大于其他裂縫深度，分析原因是由于該位置處于沿表面碳化和沿深度碳化兩個(gè)方向上的疊加區(qū)域，故碳化情況更為顯著[11]。從混凝土自身?xiàng)l件來(lái)說(shuō)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配合比以及密實(shí)度都會(huì)影響混凝土的碳化反應(yīng)，同時(shí)施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土碳化都有影響[12]。

2 混凝土病害的防治

2.1 混凝土裂縫與有害孔洞的防治措施

此類(lèi)病害可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行防治：

（1）施工過(guò)程：① 混凝土完成澆筑后，前期養(yǎng)護(hù)溫度的控制和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的保證，對(duì)混凝土裂縫的影響較大，應(yīng)對(duì)混凝土前期的保溫保濕養(yǎng)護(hù)有充分的重視，同時(shí)，安排合適的施工組織設(shè)計(jì)，保證施工過(guò)程的連續(xù)性。② 可以采用“分層澆筑，一次到頂”的澆筑工藝[6]，且振搗時(shí)不得漏振或過(guò)振。

（2）外加劑與摻合料：① 采用合適的外加劑：如減水劑可以有效降低混凝土的拌合用水，對(duì)減少混凝土收縮裂縫十分有利；也可以使用引氣劑，摻入少量的引氣劑可以提高混凝土的抗凍耐久性，有利于防止混凝土收縮開(kāi)裂。② 需要對(duì)引氣劑的種類(lèi)及用量加以選擇：在高寒高海拔地區(qū)氣壓較低，選用摻皂甙類(lèi)的引氣劑效果較好，這類(lèi)引氣劑受低氣壓環(huán)境的影響相對(duì)較小[15]；雖然引氣劑對(duì)混凝土的抗凍耐久性有所提高，但同樣也會(huì)降低混凝土的抗壓性能，一般認(rèn)為含氣量＜5% 時(shí)，對(duì)混凝土力學(xué)性能影響不大，但含氣量＞5% 時(shí)，會(huì)明顯降低混凝土的力學(xué)性能[13]，故把握好引氣劑的用量就也可以在一定程度上防止有害孔洞的發(fā)生。③ 摻加粉煤灰：一般可按水泥用量的 10%～15% 摻用，粉煤灰的作用在于，可以提高拌合料的和易性，改善混凝土的工作性能，降低水化熱，從而減少裂縫的產(chǎn)生[6]。

（3）技術(shù)方法：若混凝土裂縫已經(jīng)威脅到結(jié)構(gòu)物的使用，可用混凝土換置法，此方法是先將嚴(yán)重?fù)p傷的混凝土剔除，再用新的混凝土或其他材料將其置換，常用材料有水泥砂漿、聚合物、改性聚合物混凝土等[4]。

2.2 混凝土酥碎掉渣及腐蝕病害的防治措施

這兩種病害的防治主要針對(duì)凍融循環(huán)破壞與氯離子侵蝕。（1）摻入引氣劑可以在混凝土中引入分布均勻的孔隙氣泡，從而有效提高混凝土的抗凍性能[8]。（2）可以在混凝土表層施加防腐蝕材料，有學(xué)者提出了一種多梯度的復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料層由聚合物涂料滲入纖維材料凝固成膜制成的，其高彈性的特點(diǎn)也可減少基層混凝土與聚合物涂料間因膨脹差而導(dǎo)致的脫落掉渣現(xiàn)象[1]。（3）粉煤灰能顯著改善混凝土結(jié)合氯離子的性能[14]，提高抗氯離子侵蝕的能力。（4）控制混凝土的水膠比，低水膠比有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能，但當(dāng)水膠比小于 0.3 時(shí)，對(duì)改善混凝土抗氯離子滲透性能并不明顯[9]。

2.3 混凝土碳化的防治措施

（1）選擇氣候條件適宜的時(shí)間段對(duì)施工要求較高的部位進(jìn)行施工，做到在惡劣的環(huán)境條件下不施工或者必須采用相應(yīng)的防護(hù)措施。（2）配合比、溫度與濕度對(duì)碳化深度影響較大，故在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)過(guò)程的溫濕度等。

3 小結(jié)

高寒高海拔地區(qū)由于其特殊的氣候條件，在此環(huán)境下服役的混凝土更容易遭受病害。故本文對(duì)高寒高海拔地區(qū)混凝土的病害分類(lèi)及產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）造成此區(qū)域混凝土破壞的病害原因往往不止一種，而是多種因素耦合作用下的結(jié)果，以酥碎掉渣為例，造成此病害的原因就有凍融循環(huán)、氯鹽侵蝕和環(huán)境氣候影響等。

（2）對(duì)凍融循環(huán)的研究，目前國(guó)內(nèi)外主要集中在混凝土的細(xì)觀(guān)或者微觀(guān)層面，如對(duì)內(nèi)部孔隙、氣泡的研究，但凍融循環(huán)對(duì)裂縫的生成和影響這一方面的研究還較少，所以還需對(duì)混凝土的抗凍耐久性能進(jìn)行更深入的研究。

（3）外加劑與摻合料的使用對(duì)高寒高海拔地區(qū)的混凝土的影響是巨大的，適量摻用減水劑和引氣劑都可以提升該區(qū)域混凝土的性能；摻入一定量的粉煤灰、硅灰同樣也可以提高抗凍性能。