水工混凝土的抗?jié)B性評價與改善對策研究

孫玉玲

(朝陽市喀左縣六官營子鎮(zhèn)水利服務站，遼寧 朝陽 122300)

近年來，隨著水利事業(yè)的迅速發(fā)展，水工混凝土耐久性問題逐漸引起人們的廣泛關注?；炷聊途眯允侵甘芡饨绛h(huán)境、自然條件和自身成分等因素作用，未超過設計目標要求的使用期就不需要花費巨大的資金加固整治，從而保證混凝土外觀質(zhì)量、使用功能和安全運行的能力。從內(nèi)在機理上，通過混凝土微裂縫和孔隙溶解于水的有害介質(zhì)、氣體等遷移至內(nèi)部，并與內(nèi)部組分發(fā)生一系列復雜的物理化學反應，致使鋼筋銹蝕劣化和結(jié)構(gòu)剛度、承載力下降，混凝土開裂損壞外觀甚至減少結(jié)構(gòu)的服役年限[1]。實際上，氣、水和離子的輸移過程在很大程度上決定了混凝土的破壞，發(fā)生破壞的部位必須有氣、水和離子的侵蝕。

混凝土抗?jié)B性反映了有害離子或其他分子以及水、氣等侵入混凝土內(nèi)部的難易程度，故又稱為侵入性。針對不同介質(zhì)的輸移特征和傳輸機理，一般以吸收率、擴散系數(shù)、滲透系數(shù)等指標綜合度量混凝土耐久性[2]?；炷潦墙?jīng)攪拌、澆筑、硬化而形成的一種由水、骨料、水泥等組成的多孔材料，混凝土符合多孔介質(zhì)輸移原理，如毛細吸附、Darcy定理、Poiseuille公式、非穩(wěn)定和穩(wěn)定擴散下的FIck第一及第二定律等，不同環(huán)境和介質(zhì)下的輸移原理存在一定差異，故滲透性評價方法也有較大區(qū)別。鑒于此，文章探討了滲透性評價方法及其適用范圍，并結(jié)合工程實踐提出改善混凝土滲透性的對策。

1 水工混凝土滲透評價指標

1.1 液態(tài)水

水是與混凝土最容易接觸而又最常見的介質(zhì)，水既是其它輸移其它介質(zhì)的載體又是引起滲漏、滲透等破壞的關鍵。一般地，工程設計人員重點關注水工建筑物的抗水滲透性，規(guī)程推薦的評價如下[3-5]。①抗?jié)B等級法，該試驗從0.1MPa按每隔8h逐級增大0.1MPa水壓，以壓力水穿透3個原臺形試件作為試驗終止條件，并準確紀錄壓力值；然后利用試驗停止時的水壓力值和簡單的線性換算關系，計算確定抗?jié)B等級。②滲透深度法：采用一次加壓法測試壓力液體穿透深度，即恒壓24h后劈開混凝土試件測量其滲水高度，結(jié)合測試數(shù)據(jù)確定滲透系數(shù)。③滲透系數(shù)法：采用石蠟密封各側(cè)面，從上端施加壓力水并測量特定時間內(nèi)的滲水量，利用達西定律計算特定厚度混凝土的滲透系數(shù)。

抗?jié)B等級法具有直觀、簡單的明顯優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)設計時應考慮水質(zhì)條件、排水情況、水力梯度、滲水危害和結(jié)構(gòu)承受水頭等因素，合理確定水工結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級，設計技術要求與該試驗方法可以直接建立聯(lián)系，使用范圍可以覆蓋大多數(shù)混凝土類型并且經(jīng)驗較豐富，對混凝土抗?jié)B性尤其是工程上的評價具有較好適用性。然而，該方法受最大水壓限制不適用于低滲透性混凝土，并且試驗效率低、周期長。滲透深度法能夠測定反映不同混凝土抗?jié)B性的相對滲透系數(shù)，對于較高滲透性能的混凝土比較適用，對較低滲透性的混凝土存在量測誤差大、滲水高度小的問題[6]。采用滲透系數(shù)法測定，該方法操作較復雜，但抗?jié)B等級物理概念清晰有利于比較分析現(xiàn)場和室內(nèi)試驗。一般地，在心墻、面板等水工建筑物中主要使用瀝青混凝土，施工質(zhì)量評定依據(jù)和設計技術指標多選用滲透系數(shù)，而滲透系數(shù)法與此相適應，即滲透性較小或較大時利用變水頭和常水頭試驗，該方法兩側(cè)指標準確、設計相對合理，并逐漸成為混凝土滲透性測試廣泛使用的方法[7]。

1.2 大氣環(huán)境

氧氣和二氧化氮的擴散性能在一定程度上影響著水工混凝土的耐久性，如何確定其擴散速度對于抑制鋼筋腐蝕和評價混凝土耐久性等意義重大，規(guī)范推薦的透氣性和碳化試驗方法如下：①透氣性試驗，其基本原理是測定固定壓降段(預先給試樣上、下斷面施加1個氣壓)的透氣時間，以測算的氣體擴散系數(shù)反映混凝土透氣性。②碳化試驗，通過測定混凝土試件受二氧化碳侵入的碳化深度評定其抗碳化能力。

透氣性試驗具有不受低滲透混凝土限制、時間短、試驗設備和操作簡單等特點，但存在測試精度低、試樣密封不密室、以及實際工作狀態(tài)與試驗干燥狀態(tài)相差較大等問題。為加速混凝土碳化速度一般利用(20±2)%的高濃度二氧化碳，該方法試驗周期較自然碳化法段，測試結(jié)果能夠直觀反映混凝土抗碳化能力，但人工模擬試驗與大氣環(huán)境的自然碳化過程存在一定偏差。

1.3 侵蝕離子

硫酸根離子和氯離子是影響水工結(jié)構(gòu)耐久性的關鍵因素，氯離子加速鋼筋銹蝕和鈍化膜破壞，這也是導致鋼筋銹蝕的重要原因，尤其是氯鹽環(huán)境中氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕甚至混凝土破壞更為嚴重[8]。水泥中鋁酸三鈣與硫酸鹽發(fā)生反應生成鈣礬石，硫酸鹽侵蝕導致體積膨脹和結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部產(chǎn)生應力混凝土失去強度并導致開裂破壞，結(jié)構(gòu)服役年限和安全使用受到嚴重影響，規(guī)范推薦的試驗方法如下：

1)抗氯離子滲透快速試驗，該方法主要是以直流電壓加速氯離子向正極移動，通過測量電荷量反映氯離子透過混凝土的程度，電流與混凝土離子電導呈正比，測電荷量與測混凝土試件電導相同都能評定抗氯離子滲透性。針對混凝土抗氯離子滲透性《水工混凝土試驗規(guī)程》以通電量來衡量，該方法與測定的氯離子擴散系數(shù)高度相關，具有速度快、操作簡便等優(yōu)點。然而，在試驗過程中要注意以下事項：電壓超過60V時會影響試驗數(shù)據(jù)，升高溶液溫度；摻亞硝酸鈣等摻合料時會降低測試精度，該條件下不適用此方法；摻硅粉、粉煤灰等摻合料時會明顯改變混凝土孔溶液的離子濃度及其組成，大大降低通電量測試數(shù)據(jù)，并導致測試結(jié)果偏高。對于相對氯離子擴散系數(shù)試驗規(guī)程以電導值來衡量，與測電荷量相比該方法更加快速、簡便，電荷量與電導的線性關系更好，并且不受通電發(fā)熱的影響。然而，混凝土粗骨料含量較大或水灰比超過0.6時會影響試驗精度，故所用混凝土水灰比不超過0.6。

2)RCM氯離子擴散系數(shù)法，試件外部的氯離子在外加電場作用下加速遷移至內(nèi)部，經(jīng)一定時間沿軸向劈裂，用硝酸銀滴定，氯離子與硝酸銀反應生成白色沉淀，通過測量沉淀深度反映氯離子的滲透性，并計算確定擴散系數(shù)。該方法以電遷移非穩(wěn)態(tài)偏微分方程為理論基礎，具有試驗周期短、精準度高等優(yōu)勢，能夠快速準確地計算出氯離子擴散系數(shù)，但對已碳化或受氯鹽侵蝕的試件無法測量。對于接觸氯化物的3、4、5類環(huán)境《水工混凝土耐久性技術規(guī)范》明確提出抗氯離子擴散系數(shù)DRCM標準，以RCM法反映抗氯離子性能。

3)抗硫酸鹽侵蝕試驗，對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能水利水電行業(yè)試驗規(guī)范尚未給出試驗方法，對干濕循環(huán)環(huán)境和強度等級較高的混凝土可以利用國標規(guī)定的試驗方法，以抗硫酸鹽等級作為評價指標。然而，該方法還存在一些不足之處：全浸泡條件下混凝土的硫酸鹽侵蝕速度、破壞機理不同，全浸泡試驗結(jié)果無法用干濕交替試驗來測定。

2 水工混凝土滲透性改善對策

離子、氣和水的輸移在一定程度上決定了混凝土耐久性，所以阻斷物質(zhì)傳播途徑及改善混凝土滲透性是保護混凝土不被破壞的出發(fā)點[9]。因此，必須綜合考慮施工控制、材料選用和工程設計等防控措施。

2.1 改善孔隙結(jié)構(gòu)

混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)直接決定了非均質(zhì)多孔材料的滲透性，孔結(jié)構(gòu)主要包括集料與漿體界面間的孔隙、集料和各種水泥漿體中的孔隙等。吳中偉等通過試驗研究劃分了四個孔徑等級，即<10nm、10-100nm、100-1000nm、>1000nm，研究發(fā)現(xiàn)水透過更細小的凝膠孔流動比透過毛細孔更難，并且滲透性還受連通情況、孔分布、孔隙率等因素影響，滲透路徑越曲折、連通性越差和孔隙率越較則抗?jié)B透性越好[10]。

通過優(yōu)化混凝土配合比可以有效改善其抗?jié)B性，摻入高效減水劑能夠減少單方用水量，在很大程度上降低混凝土及其內(nèi)部毛細管的孔隙率；此外，摻入引氣劑可以發(fā)揮減水作用，雖然增大了孔隙率但引入的密閉微小氣泡阻斷了毛細管通道，附著于水泥顆粒表面的憎水膜大大減少了毛細孔抽吸作用，顯著提高了抗?jié)B性能；摻入硅灰、磨細礦渣和粉煤灰等摻合料能夠充分填充內(nèi)部孔隙，大大提高混凝土密實度；摻入火山灰性的優(yōu)質(zhì)摻合料還會與硬化后的氫氧化鈣反應生成一定的凝膠組分，隨著齡期的延長逐漸發(fā)揮火山灰效應，大大改善漿體的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙曲折度，使得孔徑更加細化，孔隙連通明顯減少，混凝土抗?jié)B性得到進一步改善[11-14]。

2.2 強化施工控制

1)拌和、澆筑控制。實際工程中因混凝土拌和、澆筑控制不嚴影響施工質(zhì)量的情況經(jīng)常出現(xiàn)，如表面多孔與泛漿、拆模時掉腳脫棱、孔洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量問題，大大降低混凝土的密實度、強度和抗?jié)B性能。因此，施工過程中必須嚴格執(zhí)行設定的攪拌時間、投料順序和配合比，預埋件、模板邊腳振搗適用以及混凝土入模、攪拌均勻，嚴禁隨意加水以及過振、漏振，從根本上保證澆筑密實。

2)養(yǎng)護控制?；炷量?jié)B性能受養(yǎng)護條件影響顯著，尤其是早期成熟階段養(yǎng)護不到位，水分快速蒸發(fā)引起混凝土嚴重收縮，并發(fā)展形成許多裂縫或連通孔，對抗?jié)B性能明顯降低；針對即時水養(yǎng)護或標準養(yǎng)護的混凝土，水泥充分水化和摻合料、水化產(chǎn)物的二次水化物填充混凝土內(nèi)部孔隙，減小了混凝孔徑、孔隙率和毛細孔貫通程度，混凝土密實性和抗?jié)B透能力明顯提升。

澆筑完成后，《水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定應及時灑水保護保持表面濕潤，混凝土養(yǎng)護前期要防止暴曬，塑性混凝土和低塑性混凝土澆筑后要立即灑水養(yǎng)護、噴霧及早灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護期內(nèi)要連續(xù)養(yǎng)護保持表面濕潤；對于有特殊要求的部位應適當增大養(yǎng)護時間，安排專人復雜養(yǎng)護并做好紀錄；根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和類別，規(guī)范要求施工養(yǎng)護應符合混凝土耐久性有關規(guī)定。

2.3 附加防滲措施

水工混凝土耐久性附加防滲措施有別于常規(guī)的增加保護層厚度、優(yōu)化混凝土的配合比等手段，主要探討鋼筋阻銹劑、防水材料等措施。

1)鋼筋阻銹劑。工程中，可以利用阻銹劑抑制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕，該化學物質(zhì)能夠有效控制電化學腐蝕，一般有滲透型和摻入型兩大類型，多用于已有工程的修復和新建工程。阻銹劑保護鋼筋的基本原理是抑制鋼筋與混凝土界面孔溶液中的電化學腐蝕反應，可直接參與界面化學反應促使形成吸附于鋼筋表面的阻礙層或氧化鐵的鈍化膜。阻銹劑抑制了鋼筋鈍化膜受氯離子的破壞，降低了鋼筋的活化性能和氯離子的臨界濃度、擴散系數(shù)，一定程度上增強了抗氯離子滲透性。對于極端(F級)和非常(E級)嚴重的腐蝕環(huán)境，設計規(guī)范提出可以摻入鋼筋阻銹劑和優(yōu)質(zhì)耐久的混凝土，阻銹劑的防護效能隨混凝土密實度的的增大而增強；對于無法利用涂層防護的預應力鋼索和鋼筋摻入阻銹劑發(fā)揮保護作用，鋼筋阻銹劑還可與混凝土外涂層、陰極保護、環(huán)氧涂層鋼筋、密實耐久混凝土等搭配、聯(lián)合使用，以此發(fā)揮復合防護作用[15]。

2)防水材料。目前，滲透結(jié)晶型水泥基防水材料已廣泛應用于民用建筑、地下、水稻、水工等防水工程。該材料以水為載體滲透混凝土內(nèi)部，水泥水化產(chǎn)物與材料含有的活性化學物質(zhì)生成針狀結(jié)晶體，微細裂縫和毛細孔道被填塞，以此發(fā)揮增強混凝土防水和密實性的作用。該材料既可干撒壓入未完全凝固的混凝土表面也可與水拌和調(diào)配成漿液噴涂或涂刷在混凝土表面，還可直接摻入使用，具有與混凝土黏結(jié)能力出色、施工簡單、長久自我修復、雙重防水、早強、快凝、耐久等特點。水電工程中主要用于頂面、地面、墻面等廠房重要部位以及大壩上游面，配合主體防滲結(jié)構(gòu)以及形成無接縫防水層等。

3 結(jié) 論

文章全面分析了水工混凝土中離子、氣、水等介質(zhì)的滲透原理，從不同角度探討了規(guī)范推薦的滲透性評價方法，并闡述了各方法的局限性和適用范圍。實際工程中應考慮具體工程，選擇合適的方法滿足混凝土施工和設計要求，并針對主要矛盾突出一系列有效改善混凝土滲透性的對策，旨在為工程結(jié)構(gòu)方案設計及水工混凝土施工提供技術支持。