水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

趙瑞麗 杜申元

葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司 湖北 宜昌 443000

水工混凝土應(yīng)用價(jià)值較高，其正成為建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)。由于水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性直接關(guān)系到工程質(zhì)量，對于建筑工程安全產(chǎn)生了直接影響，所以研究其耐久性非常重要，通過研究有助于發(fā)現(xiàn)水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而將其結(jié)構(gòu)缺陷改進(jìn)，保障建筑工程質(zhì)量[1]。因此有必要深入探析水工混凝土結(jié)構(gòu)問題，進(jìn)而使其結(jié)構(gòu)耐久性提升。

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性缺陷的影響因素

不論是何種混凝土都有特定的耐久性，耐久性主要反映了混凝土在遇到溫度變化、環(huán)境變化、外部沖擊以及磨損腐蝕時(shí)的抗性等級(jí)，同時(shí)也是衡量建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的一項(xiàng)指標(biāo)[2]。而水工混凝土長期處于水環(huán)境下，水體的流動(dòng)、水中物體撞擊、水中物質(zhì)腐蝕等都在時(shí)刻影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提升水工混凝土耐久性，能夠延長建筑結(jié)構(gòu)壽命。而研究水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性缺陷的影響因素有助于優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提升其耐久性。

1.1 結(jié)構(gòu)裂縫

相對而言，水工混凝土擁有更大的體積結(jié)構(gòu)，初期在接觸到水后會(huì)釋放出大量熱量，這些熱量是導(dǎo)致混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素，由于混凝土凝結(jié)初期抗拉能力弱，所以在溫度應(yīng)力作用下混凝土容易出現(xiàn)不同程度的裂縫，在水體繼續(xù)沖擊下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性持續(xù)降低[3]；此外，在混凝土收縮階段也容易出現(xiàn)縮裂縫，如果裂縫程度較大則可能出現(xiàn)水侵蝕、溶蝕、銹蝕等結(jié)構(gòu)問題，在水體長期作用下，這些結(jié)構(gòu)問題將會(huì)演變?yōu)楦鼑?yán)重的結(jié)構(gòu)問題，進(jìn)而導(dǎo)致建筑耐久性降低，增加了建筑安全隱患。

1.2 熱脹冷縮

由于混凝土長期處于浸水飽和環(huán)境下，特別是在溫差較大的區(qū)域，可能出現(xiàn)溫度變化較大的問題，溫度的變化使得混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙出現(xiàn)水凍結(jié)膨脹問題以及融解收縮問題，在熱脹冷縮的作用下，混凝土呈現(xiàn)出由外向里削蝕，導(dǎo)致其耐久性降低[4]。在我國很多中小型水工建筑都遇到過這類問題，特別是溫差較大的區(qū)域，這類問題出現(xiàn)的頻次更高，這類問題在施工初期不常見，一般出現(xiàn)在應(yīng)用一段時(shí)間后才會(huì)出現(xiàn)，特別是地區(qū)出現(xiàn)極端天氣頻次增加，非常容易出現(xiàn)這類問題。熱脹冷縮是影響建筑混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素，特別是一些溫度變化十分明顯的區(qū)域，溫度的急劇變化導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)變化變得十分不穩(wěn)定，因此導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，混凝土在遇熱后內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)膨脹，遇冷后發(fā)生收縮，如果膨脹與收縮的程度超過了特定范圍，那么混凝土可能出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而降低了混凝土的承載能力，容易發(fā)生安全事故。

1.3 碳化銹蝕

由于空氣廣布著大量的CO2，而水體中存在著的酸性成分，這些成分與水泥發(fā)生緩慢的水化反應(yīng)，最終導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)碳化現(xiàn)象，從而引發(fā)裂縫問題，而空氣中的CO2能夠自由進(jìn)入裂縫，在裂縫中繼續(xù)與相關(guān)成分進(jìn)行碳化反映，碳化的結(jié)果是混凝土結(jié)構(gòu)不斷改變，這個(gè)過程會(huì)使得鋼筋保護(hù)膜脫落，而保護(hù)膜脫落后的鋼筋會(huì)與水和空氣發(fā)生銹蝕反應(yīng)，造成鋼筋強(qiáng)度降低，建筑的承載力下降，在受到過大外力作用下出現(xiàn)倒塌，進(jìn)而影響人們安全[5]。碳化銹蝕帶來的影響相對較大，而且這種不良影響很難被控制，空氣中二氧化碳的含量是影響碳化程度的主要因素，加之混凝土結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)不同程度的裂紋，這些裂紋的程度越大，二氧化碳進(jìn)入到裂紋中的數(shù)量就越多，對于混凝土結(jié)構(gòu)的影響就越大，所以混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不穩(wěn)定性大大提升，在這樣的背景下建筑的安全性降低。

2 水工混凝土碳化及抗凍性

通常情況下，水工混凝土碳化問題是導(dǎo)致其耐久性變低的主要因素，只要深入探析碳化的具體成因以及過程，才有助于人們解決碳化問題，或者降低碳化帶來的不良影響。而水工混凝土抗凍性的研究能夠幫助人們解決溫差過大帶來的結(jié)構(gòu)耐久性降低問題，進(jìn)而將水工混凝土應(yīng)用范圍拓展，使其作用得到更好的發(fā)揮。

2.1 水工混凝土碳化

實(shí)際上，碳化現(xiàn)象屬于一種化學(xué)反應(yīng)，是混凝土結(jié)構(gòu)缺陷中常見的現(xiàn)象。由于混凝土所處環(huán)境中CO2能夠與混凝土中的相關(guān)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，特別是與堿性物質(zhì)反應(yīng)后能夠形成碳酸鹽，這個(gè)反應(yīng)過程導(dǎo)致混凝土堿度下降，所以其結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)生了變化，該過程也被稱為混凝土中性化。水泥成分中存在著能夠與水反應(yīng)的物質(zhì)，在接觸到水后形成氫氧化鈣物質(zhì)，這些物質(zhì)屬于堿性物質(zhì)，在混凝土內(nèi)部以飽和溶液的形式存在，而這些物質(zhì)能夠?yàn)殇摻钐峁氨Ｗo(hù)層反應(yīng)”，在堿性環(huán)境下鋼筋表面形成FeO和Fe203，能夠?qū)⑵渌镔|(zhì)隔絕在保護(hù)層外部，進(jìn)而保護(hù)鋼筋結(jié)構(gòu)[6]。但是在發(fā)生碳化反應(yīng)后，混凝土結(jié)構(gòu)中的堿度下降，隨著碳化反應(yīng)進(jìn)行，這些保護(hù)層可能被暴露在空氣中，并繼續(xù)發(fā)生碳化反應(yīng)，所以鋼筋保護(hù)膜在反應(yīng)過程中消失，反應(yīng)的繼續(xù)導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)銹蝕，鋼筋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

2.2 水工混凝土抗凍性

抗凍性屬于混凝土結(jié)構(gòu)物理性能方面的內(nèi)容，抗凍性主要反映了混凝土在較低溫度環(huán)境下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在研究混凝土抗凍性時(shí)，應(yīng)該正確認(rèn)識(shí)到衡量混凝土抵抗凍融能力的指標(biāo)，除了要滿足嚴(yán)寒地區(qū)低溫凍融帶來的影響，同時(shí)也要考慮到溫?zé)岬貐^(qū)溫度變化大、溫差變化大的影響，而溫度與溫差的變化是導(dǎo)致混凝土耐久性變低的重要因素，這種變化會(huì)使得混凝土結(jié)構(gòu)變得十分疏松，進(jìn)而逐漸出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。一般而言，混凝土無法在干燥環(huán)境下出現(xiàn)凍融現(xiàn)象，而飽水環(huán)境則非常容易出現(xiàn)混凝土凍融問題，溫度降低導(dǎo)致水體出現(xiàn)凝結(jié)，而混凝土孔隙中存在很多毛細(xì)水，這些水體在凝結(jié)時(shí)體積增大，進(jìn)而對混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土抗應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)后，將引發(fā)混凝土裂縫，然后出現(xiàn)一系列不良的結(jié)構(gòu)缺陷。

3 提升水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的策略

不同于其他類型的混凝土結(jié)構(gòu)，水工混凝土結(jié)構(gòu)處于十分復(fù)雜的環(huán)境，環(huán)境的變化非常容易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)耐久性降低，特別是水環(huán)境的不穩(wěn)定性，容易加劇結(jié)構(gòu)問題，導(dǎo)致更多結(jié)構(gòu)問題出現(xiàn)[7]。所以在設(shè)計(jì)水工混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，需要結(jié)合建筑所處水環(huán)境特點(diǎn)以及氣候變化特點(diǎn)，進(jìn)而降低環(huán)境與氣候變化帶來的不良影響，提升其結(jié)構(gòu)耐久性。

3.1 分析混凝土所處環(huán)境

在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮到建筑所處的水環(huán)境，分析水環(huán)境的特點(diǎn)。只有詳細(xì)了解建筑環(huán)境條件，才能有針對性地去設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)。首先，需要對當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件進(jìn)行監(jiān)測，調(diào)取最近十幾年的氣候數(shù)據(jù)，分析極端氣候產(chǎn)生的頻次，確定混凝土耐久性的上限；其次，分析建筑的水環(huán)境，分析水體的成分，結(jié)合水體成分設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)，減少水體流動(dòng)、沖擊、腐蝕帶來的影響；第三，掌握環(huán)境的干濕度，濕度也是影響混凝土耐久性的主要因素，長期暴露在高濕度環(huán)境下，混凝土的壽命會(huì)減少，這也是其耐久性降低的一個(gè)因素。只有分析混凝土所處環(huán)境特點(diǎn)，才能保住施工單位更好地設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升混凝土耐久性。

3.2 科學(xué)控制施工原材料

想要提升水工混凝土耐久性，處理要控制好外部因素影響，也要從混凝土結(jié)構(gòu)入手。施工企業(yè)在掌握混凝土結(jié)構(gòu)耐久性標(biāo)準(zhǔn)后，需要選擇符合其耐久性要求的原材料，保障原材料質(zhì)量才能確?；炷聊途眯赃_(dá)到設(shè)計(jì)要求。在選擇材料時(shí)，如果建筑所處環(huán)境需要長時(shí)間承受較大受外力作用，那么需要考慮到混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)其強(qiáng)度能夠提升其耐久性；如果建筑所處區(qū)域溫差較大，并且低溫天氣時(shí)間較差，則需要選擇抗凍性高的混凝土，可以將引氣劑加入到混凝土之中，能夠有限地增強(qiáng)混凝土抗凍性。此外，混凝土的耐久性也受到其密實(shí)性影響，因此在施工時(shí)，要保障施工的合理性，進(jìn)而提升其密實(shí)性，增強(qiáng)其耐久性。

3.3 合理設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)

采用合理的結(jié)構(gòu)能夠降低不利條件對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成的不良影響。在選擇混凝土結(jié)構(gòu)類型時(shí)應(yīng)該結(jié)合建筑具體環(huán)境進(jìn)行科學(xué)地制定，如果建筑環(huán)境為三、四類環(huán)境類型，應(yīng)該避免采用多棱角結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)會(huì)使得碳化反應(yīng)面積增加，混凝土碳化速度高于其他類型的結(jié)構(gòu)，混凝土耐壽命將會(huì)大大所見，與此同時(shí)，也應(yīng)該避免使用薄腹型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生同樣的問題。一般而言，想要提升混凝土耐久性，可以改變配筋，這也是常見的一種方法，但是只能用于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如果建筑類型為橫向受力，有著一定的優(yōu)勢，但是在構(gòu)造鋼筋較多的環(huán)境下，采用該構(gòu)造無法獲得預(yù)期效果，會(huì)造成混凝土澆筑不夠密實(shí)的缺陷，這必將會(huì)降低水工混凝土的耐久性。因此科學(xué)地設(shè)計(jì)配筋形式能夠使得水工混凝土耐久性提升。

4 結(jié)束語

總而言之，水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的影響因素較多，所以施工企業(yè)需要結(jié)合具體影響因素優(yōu)化水工混凝土設(shè)計(jì)方式，在發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化水工混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步保障其耐久性的穩(wěn)定。