西部高寒地區(qū)水工建筑材料劣化演變規(guī)律研究

梁 慧， 王 媛 怡， 蘇 振 華， 廖 靈 敏

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院、國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心、水利部水工工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

1 概 述

基于自然地理等因素，西部地區(qū)特別是西藏地區(qū)具有與世界上任何地區(qū)不相同的氣候和環(huán)境特點(diǎn)，受高寒、干燥、缺氧及強(qiáng)紫外輻射等惡劣自然條件的制約，修建水利水電及樞紐工程具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性，已建成的水利水電工程維護(hù)難度較大。針對(duì)西部高寒區(qū)域獨(dú)特的氣候和環(huán)境，已建成水利水電工程防劣化的施工關(guān)鍵技術(shù)及防護(hù)技術(shù)的規(guī)程規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究滯后，而西部高寒地區(qū)獨(dú)特的氣候和環(huán)境條件將對(duì)水工建筑物的“服役”壽命影響較大，工程結(jié)構(gòu)及材料的劣化演變規(guī)律與低海拔地區(qū)水利水電工程結(jié)構(gòu)的劣化特征存在差異，對(duì)應(yīng)的修補(bǔ)防護(hù)措施需要有針對(duì)性的研究。因此，開(kāi)展西部高寒地區(qū)環(huán)境條件下水工建筑材料劣化演變規(guī)律研究，對(duì)制定和完善特殊氣候環(huán)境下水利水電工程劣化防護(hù)措施，促進(jìn)西部高寒地區(qū)水利水電工程建設(shè)，提高工程維護(hù)技術(shù)水平，確保西部高寒地區(qū)水利工程的安全運(yùn)行都有重要意義。

2 凍融循環(huán)作用下的水工建筑材料劣化演變

在冬季極度寒冷的西部，凍融損害被認(rèn)為是水工混凝土劣化的最重要因素。同時(shí)，在西部高寒地區(qū)部分工程中地下水、河流中存在較高的侵蝕性離子，尤其是Cl-、SO42-等，對(duì)地下結(jié)構(gòu)部位混凝土的侵蝕破壞嚴(yán)重。從西藏地區(qū)的調(diào)研情況來(lái)看，混凝土凍融破壞多發(fā)生于過(guò)水面及水位變化區(qū)等干濕交替頻繁部位，混凝土表面出現(xiàn)疏松、點(diǎn)塊狀剝落。頻繁的干濕交替和凍融循環(huán)對(duì)水工建筑物施工及運(yùn)行管理帶來(lái)很大困難，極易遭受侵蝕性離子作用而迅速劣化。

受凍融循環(huán)、侵蝕離子和干濕交替的共同作用，混凝土的工作環(huán)境極端嚴(yán)酷。通過(guò)研究干濕循環(huán)和凍融循環(huán)疊加作用對(duì)混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)其會(huì)加速混凝土的劣化。若凍融循環(huán)起主導(dǎo)作用，混凝土強(qiáng)度較單因素作用時(shí)顯著下降，因?yàn)楦蓾裱h(huán)促進(jìn)了硫酸鹽結(jié)晶，加快水化產(chǎn)物和硫酸鹽反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生裂紋[1]。顯然，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)的疊加作用對(duì)混凝土性能的影響會(huì)產(chǎn)生放大效應(yīng)，兩者相互促進(jìn)，相互影響。

混凝土在凍融循環(huán)下外觀發(fā)生明顯變化，可分為如下四個(gè)階段：

(1)混凝土表面完整無(wú)損傷；

(2)凍融循環(huán)開(kāi)始后，水工混凝土表面逐漸出現(xiàn)小蝕坑；

(3)膠凝材料逐漸流失，坑蝕孔洞增大加深，混凝土表面細(xì)骨料外露并剝落；

(4)表面細(xì)骨料分層脫落后，導(dǎo)致混凝土粗骨料暴露[2]。凍融循環(huán)所導(dǎo)致的混凝土表面剝落與內(nèi)部開(kāi)裂，嚴(yán)重威脅水工建筑物的安全運(yùn)行。

3 沖刷磨損作用下的水工建筑材料劣化演變

水工建筑物的沖刷磨損和空蝕破壞主要發(fā)生在泄流部位，如大壩溢流面、下游消能區(qū)、隧洞進(jìn)口、深孔閘門及其后泄水段等。當(dāng)水流流速較高并攜帶懸移質(zhì)或推移質(zhì)時(shí)，水工建筑材料遭受的沖磨和空蝕破壞就更為嚴(yán)重。泄水建筑物過(guò)流面受到了推移質(zhì)顆粒的沖擊砸撞作用和磨損作用。水工混凝土建筑物受到?jīng)_刷破壞的總磨損量由以上兩種磨損方式總量的疊加而成，并與沙粒沖角有直接關(guān)系，可用J. H. Nelson和A. Gilchris給出的復(fù)合磨粒磨損公式來(lái)進(jìn)行描述[3]。

沖磨剝蝕造成的混凝土破壞面積一般較大，并具有一定的連續(xù)性，有可能誘發(fā)空蝕破壞。其中懸移質(zhì)沖磨破壞會(huì)造成混凝土均勻磨損，推移質(zhì)沖磨破壞表現(xiàn)為沖溝或沖坑[4]。而空蝕破壞會(huì)在水工混凝土過(guò)流面局部位置出現(xiàn)空蝕剝蝕坑，但其他部位相對(duì)完好，蝕坑深度從幾厘米至幾米不等。雖然經(jīng)過(guò)沖磨或空蝕破壞后剩余的混凝土強(qiáng)度可能下降不明顯，但在有凍融破壞的地區(qū)，沖磨和空蝕可能與凍融循環(huán)聯(lián)合作用，誘發(fā)大面積的水力沖刷破壞。

由于西部地區(qū)氣候干燥，混凝土?xí)蚴湛s而形成裂縫。同時(shí)，西藏地區(qū)日溫差大，混凝土表面需經(jīng)歷頻繁的熱脹冷縮。由于混凝土材料的熱擴(kuò)散系數(shù)較小，混凝土內(nèi)部和外部的體積變化不協(xié)調(diào)，也會(huì)造成在混凝土表面形成細(xì)微裂縫。這些裂縫在高速水流的作用下，混凝土的磨損破壞嚴(yán)重。另外，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的凍融循環(huán)后，尤其在凍土地區(qū)，水工混凝土表面極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，水工混凝土力學(xué)性能和耐久性逐漸劣化。與此同時(shí)，若受到含砂水流的沖擊，極易剝離、脫落，進(jìn)而使混凝土表面的凍融加劇，破壞不斷加大[5]。多重破壞反復(fù)發(fā)生，由表及里，最終導(dǎo)致水工混凝土破損，造成結(jié)構(gòu)功能完全喪失。綜上所述，受西部高寒地區(qū)獨(dú)特氣候環(huán)境的影響，水工建筑材料的沖刷磨損較常規(guī)氣候條件下更為復(fù)雜，混凝土的泄流面易受凍融循環(huán)、裂縫、干濕交替等因素耦合作用而加劇劣化。

4 滲漏溶蝕作用下的水工建筑材料劣化演變

在現(xiàn)代水利水電工程中，許多水工大壩為碾壓混凝土大壩，由于碾壓混凝土壩的筑壩方式為分層碾壓鋪筑，作業(yè)面積大，存在著薄弱層面或局部缺陷集中現(xiàn)象。據(jù)調(diào)查了解，擋水混凝土建筑物表面大都覆蓋有白色的鈣質(zhì)結(jié)晶，說(shuō)明滲漏溶蝕現(xiàn)象普遍存在，而裂縫是產(chǎn)生滲漏的主要原因。滲漏水的深度與裂縫形狀、干濕循環(huán)和環(huán)境溫度等有關(guān)，水位低、水壓小時(shí)擋水建筑物的滲漏量相應(yīng)也小?；炷两ㄖ锸┕べ|(zhì)量差、密實(shí)程度低，也是大壩出現(xiàn)滲漏的原因。因此，在水利水電工程的設(shè)計(jì)、施工和后期維護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)考慮混凝土材料的滲透特性以及可能產(chǎn)生的滲漏溶蝕問(wèn)題。

在環(huán)境水壓力的驅(qū)動(dòng)下，滲透介質(zhì)通過(guò)混凝土的孔隙向壓力低的一側(cè)滲透，并將混凝土內(nèi)部能溶于水的物質(zhì)按溶解度大小先后溶解出來(lái)，產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象。滲漏溶蝕發(fā)生時(shí)，溶解附著于混凝土孔隙的固態(tài)Ca(OH)2最先被溶解。接著，混凝土孔隙周圍的游離Ca(OH)2開(kāi)始溶解，并借助水化產(chǎn)物層向孔隙液擴(kuò)散。若Ca(OH)2擴(kuò)散系數(shù)小于滲透介質(zhì)的滲透系數(shù)，則滲透介質(zhì)中Ca(OH)2無(wú)法達(dá)到飽和濃度，致使水工混凝土孔隙內(nèi)的水泥水化產(chǎn)物局部分解，孔徑變大，孔隙率提高，混凝土的滲透系數(shù)和Ca(OH)2的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)一步增加，滲漏溶蝕現(xiàn)象逐步加劇[6-7]。隨著滲透介質(zhì)中Ca(OH)2含量降低，水化產(chǎn)物的分解逐漸由局部向周圍發(fā)展，混凝土強(qiáng)度和彈性模量大幅下降。另一方面，滲漏使得環(huán)境水向混凝土內(nèi)部加速擴(kuò)展，引起并加速其他病害破壞的深度和廣度，對(duì)水工混凝土的耐久性造成進(jìn)一步損傷。

另外，通過(guò)研究混凝土滲漏溶蝕過(guò)程中Ca2+濃度分布?xì)v時(shí)變化可知，隨著滲漏時(shí)間的延長(zhǎng)，Ca2+濃度逐漸增大，滲漏溶蝕現(xiàn)象加劇。但Ca2+濃度的增長(zhǎng)幅度越來(lái)越緩，且最終溶蝕深度小于6 mm。由此說(shuō)明，滲漏主要對(duì)混凝土表面層產(chǎn)生溶蝕破壞，表面混凝土的抗?jié)B性能對(duì)于整個(gè)混凝土大壩的抗?jié)B漏溶蝕至關(guān)重要。

5 碳化作用下的水工建筑材料劣化演變

水工混凝土的碳化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，主要是指大氣中的CO2滲透到混凝土內(nèi)部的孔隙中，并與溶解于毛細(xì)孔中的水分以及水泥水化過(guò)程中所產(chǎn)生的Ca(OH)2和水化硅酸鈣CaO·2SiO2·3H2O等水化產(chǎn)物相互作用，生成CaCO3等產(chǎn)物的過(guò)程。水工混凝土的堿度隨著碳化深度而降低，鋼筋逐漸失去混凝土的保護(hù)，易產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。碳化還會(huì)引起混凝土收縮，使混凝土的表面產(chǎn)生細(xì)微的裂縫。

混凝土中的Ca(OH)2含量決定了混凝土中pH值下降到12.5以下所需的時(shí)間，是衡量混凝土抗碳化能力的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在單一碳化情況下，CO2氣體的擴(kuò)散速度及CO2與混凝土成分的反應(yīng)速度決定混凝土的碳化速度。在碳化反應(yīng)初期，混凝土孔隙較多會(huì)使碳化速度加快。隨著碳化的繼續(xù)，混凝土內(nèi)部生成的CaCO3較Ca(OH)2的體積膨脹約11.6%，這些碳化產(chǎn)物填充在混凝土的孔隙中，減緩了混凝土碳化的深入，導(dǎo)致碳化速度降低[8-9]。但當(dāng)碳化加劇，混凝土內(nèi)部溶解的Ca(OH)2不斷被溶解離析出來(lái)，同時(shí)，其他凝膠材料因碳化反應(yīng)被吸收消耗，逐漸形成一個(gè)新的循環(huán)體系并伴隨著新孔隙的出現(xiàn)，有利于混凝土的碳化。因此，碳化速度呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)—增長(zhǎng)放慢—稍微加快—趨于平緩的發(fā)展趨勢(shì)[10]。

研究結(jié)果還表明，環(huán)境溫度、濕度、氣候條件、混凝土水灰比等，對(duì)混凝土的碳化速度均具有顯著影響，其中，環(huán)境溫度對(duì)水工混凝土的影響程度最深。高溫環(huán)境下，CO2的擴(kuò)散速度提升，而交替變化的高低溫條件下，CO2的擴(kuò)散速率也會(huì)增加，從而使得碳化反應(yīng)加速進(jìn)行。同時(shí)，混凝土的碳化速度與環(huán)境相對(duì)濕度成反比，當(dāng)相對(duì)濕度維持在50～70%之間時(shí)，碳化速率最高。另外，混凝土表面的裂縫使其滲透性增強(qiáng)，耐久性降低，加速碳化，而表面防護(hù)涂層可阻止CO2向混凝土擴(kuò)散，對(duì)碳化起延緩作用。

除了低海拔地區(qū)發(fā)現(xiàn)的碳化現(xiàn)象不甚明顯，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)西藏其他地區(qū)各電站均存在或多或少的碳化現(xiàn)象，在水工混凝土已發(fā)生凍融破壞的部位伴隨發(fā)生的碳化現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這說(shuō)明在西部高寒地區(qū)日照強(qiáng)烈，溫度驟升驟降，凍融循環(huán)引起水工建筑材料浸水部位或水位變化部位混凝土表面產(chǎn)生應(yīng)力，易產(chǎn)生裂縫甚至剝離，致使碳化加速。

混凝土凍融與碳化劣化機(jī)理有差異，凍融劣化是物理反應(yīng)，碳化則是含有CO2擴(kuò)散和溶解的物理化學(xué)過(guò)程。凍融循環(huán)開(kāi)始后，出現(xiàn)的內(nèi)部微裂縫為CO2的侵入提供了更好的環(huán)境，促使碳化深度進(jìn)一步發(fā)展。碳化產(chǎn)物逐漸填充在混凝土的孔隙中，在一定程度上降低了混凝土碳化的速度。與此同時(shí)，混凝土內(nèi)部溶解的Ca(OH)2不斷溶解離析，其他凝膠材料繼續(xù)參與碳化反應(yīng)而被吸收消耗，逐步形成一個(gè)新的循環(huán)體系，并且新孔隙的出現(xiàn)將短暫加快水工混凝土碳化。并且與常規(guī)氣候條件下碳化劣化過(guò)程不同，碳化速度不會(huì)最終趨于穩(wěn)定，由于凍融循環(huán)的累加繼續(xù)，混凝土內(nèi)部孔隙增大，結(jié)構(gòu)疏松，進(jìn)一步加速了混凝土碳化。

6 金屬銹蝕作用下的水工建筑材料劣化演變

溶蝕劣化破壞形式在西部高寒地區(qū)水利水電工程中也較為常見(jiàn)。西部高寒地區(qū)滲漏會(huì)加大混凝土含水量，在強(qiáng)烈的溫差作用下促進(jìn)混凝土冰凍破壞，致使表面混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋直接與空氣接觸，加速鋼筋的銹蝕。鋼筋銹蝕和凍融共同作用下鋼筋混凝土性能的損傷，并不是經(jīng)歷鋼筋銹蝕劣化和凍融循環(huán)劣化的簡(jiǎn)單疊加，而是存在著相互制約的耦合作用。在凍融循環(huán)—鋼筋銹蝕作用下，混凝土和鋼筋兩種材料的力學(xué)性能和直接黏結(jié)力下降，從而導(dǎo)致試件極限承載力大幅下降，塑性變差，撓度隨著凍融次數(shù)的增加而顯著增大。同時(shí)，鋼筋的銹蝕會(huì)使得混凝土表面出現(xiàn)順筋方向的裂縫，而裂縫的產(chǎn)生會(huì)直接導(dǎo)致混凝土在經(jīng)受凍融時(shí)表面更易發(fā)生脫落，破壞水工混凝土的剛度和強(qiáng)度，降低水工混凝土與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度，極大損傷鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力。

水工混凝土鋼筋銹蝕的劣化演變可分為以下幾個(gè)階段：

(1)腐蝕介質(zhì)在混凝土中的擴(kuò)散及其在混凝土與鋼筋界面不斷積累，侵蝕介質(zhì)在混凝土與鋼筋界面達(dá)到臨界值，但鋼筋鈍化膜尚未被破壞；

(2)鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生局部破壞至混凝土發(fā)生局部開(kāi)裂，此階段中，腐蝕介質(zhì)在局部區(qū)域超過(guò)臨界值而開(kāi)始腐蝕，積累的腐蝕產(chǎn)物致使混凝土局部發(fā)生開(kāi)裂；

(3)大面積鋼筋腐蝕，混凝土開(kāi)裂使鋼筋接觸空氣，腐蝕加劇，鋼筋截面迅速減小，以致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性能大幅降低；

(4)構(gòu)件無(wú)法安全使用，需維修加固[11]。

7 水工建筑物防護(hù)材料的劣化演變

在西部高寒地區(qū)，水工混凝土面臨頻繁的凍融循環(huán)、高日照輻射、晝夜溫差大等惡劣的運(yùn)行環(huán)境，水工混凝土的防護(hù)與處理工程難度系數(shù)更高。除科學(xué)合理的混凝土配合比設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)的施工質(zhì)量外，在工程建設(shè)初期對(duì)水工建筑物混凝土表面進(jìn)行特殊防護(hù)(即“防患于未然”)十分必要，而對(duì)于已建工程的劣化問(wèn)題更應(yīng)該進(jìn)行及時(shí)有效的修補(bǔ)。水利水電工程中水工建筑物修補(bǔ)防護(hù)材料多為有機(jī)高分子復(fù)合材料，這些高分子材料在西部高寒嚴(yán)酷環(huán)境下普遍存在快速老化的現(xiàn)象，平均壽命遠(yuǎn)小于其他地區(qū)。西部典型環(huán)境的嚴(yán)酷性主要表現(xiàn)在高寒及晝夜溫差大、太陽(yáng)紫外線輻射強(qiáng)、氣候異常干燥等方面，高分子涂層材料紫外老化快，易出現(xiàn)變色、粉化、龜裂等缺陷[12]。另外，高分子涂層受太陽(yáng)輻照強(qiáng)烈，白天溫度很高，夜晚或陰雨天氣候出現(xiàn)驟降，溫度變幅相當(dāng)大，薄層結(jié)構(gòu)的涂層由于變形與基體不一致，易出現(xiàn)開(kāi)裂剝落。

8 結(jié) 語(yǔ)

由于水利工程中不同結(jié)構(gòu)建筑物的功能特征和服役環(huán)境不同，其劣化特征也存在差異。西部高寒地區(qū)水工混凝土擋水建筑物水下部位主要劣化形式有裂縫、滲漏、鹽類或生物侵蝕，水位變化區(qū)在西部高寒特征氣候下會(huì)出現(xiàn)凍融、滲漏、碳化、開(kāi)裂等破壞，水上部位存在凍融破壞、開(kāi)裂、碳化、剝蝕等?；炷列顾ㄖ锊课恢饕牧踊问接校簺_磨空蝕破壞、凍融破壞、碳化、裂縫、溶蝕、滲漏等，其中沖磨空蝕破壞和凍融破壞是該結(jié)構(gòu)的典型破壞。在輸水建筑物中，渠道結(jié)構(gòu)混凝土發(fā)生破壞的現(xiàn)象較嚴(yán)重，其中凍融破壞、裂縫和滲漏是該結(jié)構(gòu)的典型劣化形式。水工金屬結(jié)構(gòu)的劣化主要是腐蝕破壞，鋼筋、閘門的主要劣化形式為金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕，由于局部環(huán)境濕度較大，外加防銹層在強(qiáng)日照條件下易老化破壞，銹蝕會(huì)比較嚴(yán)重，另外，閘門還可能出現(xiàn)變形、漏水等問(wèn)題。

在西部高寒地區(qū)復(fù)雜氣候環(huán)境中，水工混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)經(jīng)受著多種環(huán)境因素的復(fù)合作用。因此，多種環(huán)境因素對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用并非單一因素的簡(jiǎn)單疊加，而是交互耦合作用使實(shí)際“服役”中混凝土結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程變得更為復(fù)雜和嚴(yán)重。在西部高寒地區(qū)，水工混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞往往是導(dǎo)致混凝土劣化的主要因素，混凝土凍融破壞多發(fā)生于過(guò)水面及水位變化區(qū)等干濕交替頻繁的部位。凍融破壞區(qū)域若受到含砂水流的沖擊，極易剝離脫落，進(jìn)而使混凝土表面的凍融加劇，破壞程度不斷加大，凍融和沖磨反復(fù)發(fā)生，由表及里，最終導(dǎo)致混凝土的破壞，造成結(jié)構(gòu)功能完全喪失。另外，水利工程中水工建筑物修補(bǔ)防護(hù)材料多為有機(jī)高分子復(fù)合材料，這些高分子材料在西部高寒地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下普遍存在快速老化的現(xiàn)象，平均壽命遠(yuǎn)小于其他地區(qū)。