劉老澗新閘服役45 年后混凝土耐久性檢測與評價

周元斌 蔣 濤 黃 毅 呂曉波 王 珩

（1 江蘇省駱運水利工程管理處；2 南京水利科學(xué)研究院）

水利工程的耐久性檢測與評估，是耐久性評價體系的重要環(huán)節(jié)，同類工程的耐久性資料的收集，有助于對混凝土耐久性做出更全面、準(zhǔn)確的評價[1]。在耐久性評價中，一般使用經(jīng)驗法、類比法、加速試驗法、數(shù)學(xué)模型法和概率分析法進行預(yù)測，如針對單一環(huán)境的壽命預(yù)測[2]和失效概率計算[3]，也有多種環(huán)境下的綜合評價，主要為模糊評價[4]，但評價指標(biāo)賦值和權(quán)重數(shù)的確定存在多種方法，數(shù)學(xué)原理較為復(fù)雜[5][6]，不便于實際工程采用。2019 年，由南京水利科學(xué)研究院主編的《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》（SL 775-2019）頒布實施，為水利行業(yè)內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評價提供了有力參考。本文結(jié)合實際工程，在宏觀細(xì)觀檢測的基礎(chǔ)上，分析耐久性失效的原因，并采用規(guī)范中推薦的經(jīng)驗和數(shù)學(xué)模型結(jié)合的方法，進行耐久性評定。

劉老澗新閘位于宿遷市宿豫縣仰化鄉(xiāng)境內(nèi)的京杭運河中運河段上，建于1976 年，屬于劉老澗樞紐的組成部分，是劉老澗樞紐排泄沂、泗洪水的控制建筑物。主要作用是與京杭運河宿遷、泗陽控制樞紐相配，保證中運河800～1000m3/s 洪水及時順利下泄，確保駱馬湖安全，并保證劉老澗至宿城段運河航運交通和兩岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水。劉老澗新閘共5 孔，每孔凈寬5.0m，設(shè)計行洪流量400m3/s。閘室底板為150#混凝土反拱底板，內(nèi)填漿砌石結(jié)構(gòu)，中墩門槽段為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余為預(yù)制混凝土墩殼內(nèi)填塊石混凝土結(jié)構(gòu)；閘室邊墩及上、下游翼墻均為漿砌石重力式結(jié)構(gòu)；閘上設(shè)5m寬交通橋，工作橋采用250#預(yù)制混凝土板式結(jié)構(gòu)。

劉老澗新閘經(jīng)多年運行存在閘室結(jié)構(gòu)整體性差，混凝土設(shè)計強度低，工作橋排架配筋不足，交通橋老化，檢修便橋老化、露筋，閘門漏水嚴(yán)重，電氣設(shè)備老化等問題，影響工程安全運行。2015 年7 月，江蘇省水利廳組織對劉老澗新閘進行安全鑒定，評定該閘為三類閘，部分運用指標(biāo)達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程質(zhì)量等級安全性分級為C 級，且按流域防洪規(guī)劃要求，該閘行洪規(guī)模不滿足要求。2020 年底，該閘進行了除險加固，借此機會，對劉老澗新閘各主要部位混凝土耐久性進行了一系列檢測與評價工作，通過試驗，得到現(xiàn)場混凝土材料長期服役后的各項性能，并評價其混凝土長期服役后的耐久性，不但可以復(fù)核建設(shè)時的設(shè)計指標(biāo)合理性，還可為今后在同一地區(qū)類似條件下的水利工程的混凝土設(shè)計提供技術(shù)參考，也是對該規(guī)范的有效性和可用性進行了一次實踐檢驗。

1 取樣及試驗方法

在新閘混凝土結(jié)構(gòu)重要部位取樣并取芯，進行抗壓強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度、氯離子擴散系數(shù)、氣泡參數(shù)和砂漿孔結(jié)構(gòu)分析。混凝土取樣部位及編號見表1，其中抗壓強度和氯離子擴散系數(shù)試樣數(shù)量分別3 個。

表1 混凝土取樣部位及編號

碳化深度測試方法按《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》（SL775-2018）進行。具體為在混凝土樣品表面打3 個孔，并呈“品”字形排列，且孔距大于2 倍孔徑，用毛刷和皮球?qū)⒖變?nèi)清理干凈，噴灑1%濃度的酚酞溶液，孔內(nèi)周邊面上未變色部分即為碳化部分，結(jié)果取3 個測值的平均值。鋼筋保護層厚度按《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》（SL713-2015）進行，采用電磁感應(yīng)法結(jié)合微破損法，結(jié)果取3 個測值的平均值?？箟簭姸?、氯離子擴散系數(shù)、氣泡參數(shù)測試試件由取芯后切割得到，芯樣直徑為100mm。砂漿孔結(jié)構(gòu)試件為碳化深度以下隨機敲下的帶有自然斷面的不含粗骨料的砂漿顆粒。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 芯樣抗壓強度

芯樣抗壓強度按《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL/T 352-2020）進行，各部位的抗壓強度結(jié)果和當(dāng)時的設(shè)計指標(biāo)見表2。其中，250# 混凝土的強度控制值約為24.5MPa，150#混凝土的強度控制值約為14.7MPa。

表2 混凝土各部位芯樣抗壓強度

從混凝土抗壓強度檢測結(jié)果看，混凝土強度高于設(shè)計強度，尤其工作橋和閘墩水下及底板部位，經(jīng)過數(shù)十年的服役，強度發(fā)展較多，甚至有2～3 倍的增長。即使考慮到混凝土抽樣的隨機性和代表性，混凝土強度完全滿足設(shè)計要求。

2.2 碳化深度及保護層厚度

保護層厚度及碳化深度平均值見表3，內(nèi)部有鋼筋的是工作橋和閘墩部位，經(jīng)過檢測，工作橋的鋼筋保護層厚度在20～32mm 范圍內(nèi)，平均為28mm，閘墩外殼混凝土的鋼筋保護層厚度在28～7mm 之間；碳化深度因測點不同而不同，范圍在0～31.5mm 之間，離散性較大。其中閘墩水上部位，個別碳化深度達到31.5mm，達到了鋼筋保護層最小厚度。

表3 混凝土鋼筋保護層厚度及碳化深度

2.3 氯離子擴散系數(shù)

氯離子擴散系數(shù)是衡量混凝土滲透性的重要指標(biāo)，與透水性存在一定的正相關(guān)性，因此，也可以用來表征其抗?jié)B性能。各部位芯樣進行飽水后，按照SL/T 352-2020 進行RCM 法氯離子擴散系數(shù)試驗，結(jié)果見表4?？梢婇l墩水上部位和水位變動區(qū)部位的混凝土由于強度較低，其氯離子擴散系數(shù)也較大，不利于抵御外界侵蝕性物質(zhì)的滲透。

表4 混凝土氯離子擴散系數(shù)

2.4 砂漿孔結(jié)構(gòu)分析

砂漿孔徑分布測試結(jié)果見圖1 及表5。圖1 中橫坐標(biāo)為孔徑（nm），縱坐標(biāo)為壓入汞的體積對孔徑的微分，表示單位孔徑下的孔體積，孔徑分布圖采用對數(shù)坐標(biāo)。

圖1 各部位混凝土砂漿孔徑分布

表5 混凝土砂漿孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

從各部位砂漿孔結(jié)構(gòu)分布來看，閘墩水上和閘墩水位變動區(qū)的總孔隙率較大，平均孔徑和中位孔徑也較大，工作橋部位總孔隙率較小，但平均孔徑和中位孔徑大，均不利于耐久性的提高。

總孔隙率乘以有害孔或大孔比例得到有害孔和大孔孔隙率，將不同孔隙率與抗壓強度進行相關(guān)性對比（見圖2），不同孔隙率的相關(guān)性由高到低為：總孔隙率＞大孔孔隙率＞有害孔孔隙率。其中總孔隙率和大于5000nm 大孔孔隙率與抗壓強度線性相關(guān)性較高，大于0.8，即總孔及大孔的多少較小孔更顯著影響著混凝土的強度。

圖2 不同孔隙率與抗壓強度的相關(guān)性

將不同孔徑的孔隙率與氯離子擴散系數(shù)進行相關(guān)性對比（見圖3），不同孔隙率的相關(guān)性由高到低分別為：大于50nm 有害孔＞總孔隙率＞大于5000nm 大孔孔隙率，其中有害孔孔隙率與氯離子擴散系數(shù)的相關(guān)性大于0.72，總孔隙率和大孔孔隙率的相關(guān)性僅為0.57 和0.24。

圖3 不同孔隙率與氯離子擴散系數(shù)的相關(guān)性

由于碳化深度的影響因素較多，不僅與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與溫濕度等碳化條件、所處環(huán)境及碳化時間相關(guān)，因此無法找到孔結(jié)構(gòu)與碳化深度的直接對應(yīng)關(guān)系，在此不做探討。

2.5 氣泡參數(shù)分析

氣泡參數(shù)是衡量混凝土抗凍性能的指標(biāo)之一，測試結(jié)果見圖4 及表6。圖中橫坐標(biāo)為氣泡切割弦長，縱坐標(biāo)為各弦長氣泡的占比及分計含氣量。

表6 混凝土氣泡參數(shù)

圖4 各部位混凝土氣泡弦長和含氣量分布

從氣泡參數(shù)分析結(jié)果看，混凝土含氣量高低不一，但氣泡間距系數(shù)均較小，滿足抗凍混凝土的要求。

3 耐久性分析及評價

工程上常見的耐久性因素有：碳化、氯離子、硫酸鹽等化學(xué)侵蝕及凍融等。耐久性評價需要結(jié)合構(gòu)件材料的屬性及外在環(huán)境條件，并考慮到設(shè)計年限來綜合判斷。

混凝土碳化是混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題之一，碳化不僅降低混凝土堿度，破壞鋼筋鈍化膜，同時還可能加劇混凝土的收縮。碳化速率的影響因素較多，主要是孔結(jié)構(gòu)與溫濕度，而孔結(jié)構(gòu)與滲透性等其他性能又有不可分割的關(guān)系[7]。混凝土的滲透性是耐久性的重要指標(biāo)[8]，滲透性決定了環(huán)境有害物質(zhì)侵入的難易程度，一般氯離子擴散系數(shù)與混凝土的滲透性能正相關(guān)[9]，因此有人提出采用氯離子滲透性能來評定混凝土耐久性[10]。但就具體工程結(jié)構(gòu)來說，氯離子滲透性是其材料的本質(zhì)屬性[11]，其耐久性評定還要結(jié)合具體的環(huán)境條件來判斷。凍融耐久性同樣要結(jié)合材料本身的抗凍性和環(huán)境的凍融循環(huán)次數(shù)來綜合判斷。

3.1 工程所處環(huán)境

本區(qū)屬于暖溫帶半濕潤的季風(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的季風(fēng)環(huán)流特征，四季分明，春季干燥多風(fēng)，雨量集中在炎熱的夏季，秋季晴爽，冬季寒冷干燥。冬季自11 月中旬至3 月下旬，旬平均氣溫在10℃以下，1 月份天氣最冷，平均氣溫為-0.7℃，極端最低氣溫為-21.9℃；夏季最熱月是7 月，月平均氣溫27.3℃，極端最高氣溫39.9℃；年平均氣溫14.1℃，日平均氣溫≤5℃的日數(shù)為96 天。最熱天月平均相對濕度84%。年平均總降水量922mm。其夏季5～9 月平均降水量為500mm，最大日降水量199mm，最大三日雨量260mm，全年雷暴雨日數(shù)35 天。全年積雪日數(shù)12 天，最大積雪深度24㎝，冰雹總次數(shù)16 次（1953 年～1973 年）。年平均風(fēng)速3.3m/s，30年一遇最大風(fēng)速23.7m/s，全年大風(fēng)（≥8 級）日數(shù)12天。多年平均蒸發(fā)量1050mm。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果（表7），并分別參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）中環(huán)境水的腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)，及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50476-2019）中關(guān)于水中氯離子濃度、硫酸鹽濃度、鎂離子濃度、二氧化碳濃度、酸堿度的劃分，判定閘站環(huán)境水對混凝土和鋼筋為無化學(xué)腐蝕。

表7 環(huán)境水分析結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)耐久性因素分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件分析影響其耐久性的主要因素。

根據(jù)前述試驗結(jié)果，各部位的氯離子擴散系數(shù)整體較大，但由于該工程所處環(huán)境中并沒有氯離子侵蝕，因此，氯離子擴散系數(shù)較大并不會直接影響其耐久性。但對照混凝土砂漿孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，說明混凝土的密實度一般，孔結(jié)構(gòu)不利于抵御外界腐蝕性介質(zhì)。

分析該地區(qū)的凍融循環(huán)情況，宿遷地區(qū)冬季最冷月份為1 月，平均氣溫-0.7℃，按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50476-2019），低于微凍區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，按朱紅光等[12]觀點，屬于少凍區(qū)，年當(dāng)量凍融循環(huán)次數(shù)僅2～6次，甚至更低[13]。美國學(xué)者T C Powers 在20 世紀(jì)50 年代提出，用氣泡間距系數(shù)衡量混凝土的抗凍性[14]，GB/T50476-2019 中對引氣混凝土的氣泡間距系數(shù)要求，對于高度飽水的混凝土，平均氣泡間距系數(shù)不大于0.25mm，胡江等[15]研究結(jié)果也認(rèn)為，混凝土要獲得較好的抗凍耐久性，氣泡間距系數(shù)不大于0.3mm，本工程混凝土樣均能滿足，因此，凍融循環(huán)破壞不是本工程的主要耐久性問題。

根據(jù)樣品檢測結(jié)果（表3），本工程混凝土的碳化問題較為嚴(yán)重，最嚴(yán)重的是閘墩水上部位，這主要是由于碳化反應(yīng)速度在相對濕度40%～70%時最快，而閘墩的水上部位恰好滿足這一條件，同時水上部位溫度也較高；其次是閘墩水位變動區(qū)，由于經(jīng)歷干濕循環(huán)，濕度較大，CO2較易進入，其嚴(yán)重程度與工作橋相當(dāng)。在《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50476-2019）及《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》（SL 775-2018）中，水上部位可認(rèn)為是與冷凝水、露水、蒸汽頻繁接觸的結(jié)構(gòu)或與水接觸的大氣區(qū)，其環(huán)境條件與水位變動區(qū)同屬I-C 作用等級。閘墩水位變動區(qū)的碳化低于閘墩水上部位，但明顯高于閘墩水下和底板部位，而這兩個部位屬于長期浸沒水中環(huán)境，幾乎不發(fā)生碳化，屬于I-A 作用等級。水位變動區(qū)的碳化深度并沒有想象的高，可能一方面與取樣的離散性有關(guān)，另一方面，水位變動區(qū)的水位變化頻度如果不大和水下時間較長，也會使得碳化反應(yīng)程度不深。

另一方面，從混凝土抗壓強度看，混凝土強度受碳化影響不大，并未像某些工程那樣出現(xiàn)混凝土強度退化[16]。

3.3 耐久性評價

本研究采用的評價方法是依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》（SL775-2018），該規(guī)范的耐久性評定方法是將各種環(huán)境進行分類和分級，按照結(jié)構(gòu)重要程度先針對單一環(huán)境進行單獨評級，然后結(jié)合合理使用年限進行綜合評價。

根據(jù)前述分析，影響該工程混凝土耐久性的最大因素是碳化，按SL775-2018，碳化環(huán)境下，鋼筋開始銹蝕時間按式⑴計算：

tc——鋼筋開始銹蝕至保護層銹脹開裂的時間，a；

ts——特定條件下（各項影響系數(shù)為1.0 時）構(gòu)件自鋼筋開始銹蝕到保護層銹脹開裂的時間，a，對室外桿件取ts=1.9，室外墻、板取ts=3.9；對室內(nèi)桿件取ts=3.8，室內(nèi)墻、板取ts=11.0；

Hc——保護層厚度對保護層銹脹開裂時間的影響系數(shù)；

Hf——混凝土強度對保護層銹脹開裂時間的影響系數(shù)；

Hd——鋼筋直徑對保護層銹脹開裂時間的影響系數(shù)；

HT——環(huán)境溫度對保護層銹脹開裂時間的影響系數(shù)；

HRH——環(huán)境濕度對保護層銹脹開裂時間的影響系數(shù)；

Hm——局部環(huán)境對保護層銹脹開裂時間的影響系數(shù)。

該水閘閘墩水上部位的碳化深度平均值最大，因此，選用該部位進行耐久性壽命計算，該閘墩水上環(huán)境為：年平均溫度14℃，環(huán)境平均濕度60%；保護層厚度33mm，平均碳化深度19.3mm，鋼筋直徑為16mm，建成時間為45 年，通過查表得到式⑴和⑵的相關(guān)參數(shù)見表8。計算得出該閘墩水上部位的鋼筋開始銹蝕時間為33.1年，從開始銹蝕到保護層開裂時間為41.8 年，因此保護層銹脹開裂時間為74.9 年（33.1+41.8=74.9）。

表8 耐久性評價計算用的系數(shù)

一般水閘的合理使用年限為50 年，該水閘已服役45 年，其閘墩部分結(jié)構(gòu)在服役了33 年時已經(jīng)出現(xiàn)了鋼筋銹蝕，因此，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性可評為C 級，這與前期的安全鑒定C 級相吻合。目前，該水閘一方面無法滿足防洪需求及使用要求，另一方面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)安全問題，拆除是合理的。

4 結(jié)論

通過對劉老澗新閘主體部位混凝土的取樣和檢測，得出混凝土的抗壓強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度、氯離子擴散系數(shù)、氣泡參數(shù)和砂漿孔結(jié)構(gòu)性能。

⑴總孔孔隙率和大孔孔隙率與混凝土的強度高度相關(guān)，有害孔孔隙率與氯離子擴散系數(shù)高度相關(guān)。

⑵閘墩水上和閘墩水位變動區(qū)兩部位抗壓強度較低，碳化深度較大，氯離子擴散系數(shù)較高，總孔隙率較大，不利于混凝土抵御環(huán)境侵蝕能力。經(jīng)計算，閘墩水上部位的鋼筋開始銹蝕時間為33.1 年，而實際已運行了45 年，因此耐久性評級為C 級。

⑶由于該地區(qū)主要耐久性因素是碳化，因此，在提高混凝土密實性之外，應(yīng)適當(dāng)增加易碳化部位的保護層厚度，提高混凝土抗銹蝕能力和延緩銹蝕速度。應(yīng)重點關(guān)注提升閘墩水上部位和水位變動區(qū)混凝土的耐久性。