大壩水工建筑物混凝土碳化因素及防空分析

李興祥

摘要：通過對高海拔地區(qū)水工建筑物混凝土碳化機(jī)理的分析來探討減少其碳化及凍融危害的防控措施。

關(guān)鍵詞：混凝土；機(jī)理；碳化；凍融；防控措施

水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)多處在氣候條件惡劣的環(huán)境中，而空氣、土壤或地下水中酸性物質(zhì)。而混凝土的破壞常以碳化、凍融破壞主，致使許多水工建筑物的運行壽命大為縮短。如西藏滿拉水利樞紐管理局水庫大壩始建于1994年，至今右側(cè)溢流壩導(dǎo)墻水位消落區(qū)范圍及溢流堰側(cè)槽已發(fā)生了大面積的松動破碎脫落現(xiàn)象，且鋼筋也發(fā)生了銹蝕裸露等現(xiàn)象。所以有必要進(jìn)一步探討地處高海拔地區(qū)（西藏日喀則地區(qū)江孜縣）水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機(jī)理及防治措施。

一、混凝土的碳化及凍融破壞機(jī)理

（一）混凝土的碳化破壞機(jī)理

空氣中酸性氣體（主要是CO2）沿著混凝土空隙（其內(nèi)部存在著大小不一的毛細(xì)管、孔隙、氣泡等）滲透到混凝土內(nèi)，在潮濕環(huán)境下與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，其碳化過程化學(xué)反應(yīng)如下：

CO2+H2O→H2CO2

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

水泥在水化過程中使混凝土充滿了飽和氫氧化鈣，屬于堿性介質(zhì)，對鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4。經(jīng)過碳化的混凝土堿度降低，在碳化超過混凝土的保護(hù)層時，在空氣和水存在的條件下，混凝土對鋼筋的保護(hù)作用就會失去，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，使混凝土對鋼筋的保護(hù)作用減弱，出現(xiàn)鋼筋銹蝕露筋現(xiàn)象，降低了結(jié)構(gòu)強度和剛度。

西藏滿拉水庫水質(zhì)經(jīng)檢測酸性物質(zhì)含量大，且溢流壩側(cè)槽在過水期間水汽彌漫，給其中的混凝土擋墻和導(dǎo)墻增加了碳化所需的因素，直接導(dǎo)致混凝土逐漸破壞脫落及鋼筋膨脹。

（二）混凝土的凍融破壞機(jī)理

1.當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2.當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在-78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。

3.凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當(dāng)混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。

針對上述理論，通過對西藏滿拉水庫的各部分的混凝土水工建筑物的綜合比較中不難看出，處在干燥條件的混凝土（滿拉水庫大壩混凝土防浪墻及進(jìn)水塔消落區(qū)以上）顯然凍融破壞較小，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一；再通過對滿拉大壩的混凝土防浪墻與水塔內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)的比較，我們同樣不難看出，水塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土（室內(nèi)相對恒溫）的凍融破壞不明顯，所以外界氣溫正負(fù)變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)，是決定混凝土凍融破壞的主要因素。

二、混凝土碳化及凍融破壞影響因素

（一）混凝土碳化破壞影響因素

影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。

1.水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同。

2.周圍介質(zhì)中CO2的濃度高低及濕度大小。

3.水中是否存在影響Ca（OH）2溶解度的物質(zhì)。

4.混凝土的滲透系數(shù)、透水量。

5.水泥用量越大，碳化速度越慢。

6.水灰比越低，碳化速度越慢。

7.施工質(zhì)量好壞。

8.光照直射加速碳化。

9.溫度越高，碳化反應(yīng)越快。

10.CO2濃度。

11.氯離子濃度。

12.混凝土結(jié)構(gòu)的不同應(yīng)力狀態(tài)。

綜上所述，西藏滿拉水庫由于地處高海拔地區(qū)，比同等結(jié)構(gòu)條件下的混凝土陽光直射強烈，晝夜溫差大，且水流呈酸性，溢流壩周圍濕度較大等因素都給其所處的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成了碳化破壞創(chuàng)造了條件。

（二）混凝土凍融破壞影響因素

1.主要材料的影響?；炷两M成材料的性質(zhì)如：

（1）水泥的品種、水泥中不同礦物成份對混凝土的耐久性影響較大。

（2）骨料的影響。

（3）骨料的滲透性和吸濕性對混凝土的抗凍性也有決定性的作用。

（4）骨料的化學(xué)性能對混凝土的耐久性也將產(chǎn)生一定的影響。

2.外加劑的影響。在混凝土施工過程中摻入引氣劑或減水劑對改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可起到緩沖凍脹的作用，大大降低凍脹應(yīng)力，提高混凝土的抗凍性。

3.施工質(zhì)量影響?；炷潦┕べ|(zhì)量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質(zhì)量關(guān)，不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面，力求密實，表面光滑。

根據(jù)滿拉水庫的施工資料可以知道其施工質(zhì)量良好，施工工藝合理，混凝土用料合格，但是水庫受水位變化影響嚴(yán)重，在庫水位消落區(qū)間，所在混凝土的凍融現(xiàn)象嚴(yán)重，松散剝落情況明顯較同位置的混凝土嚴(yán)重，已發(fā)生大面積的漏筋和鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

三、混凝土碳化及凍融破壞的防治（針對已建滿拉水庫實際情況）

（一）在滿拉水庫歲修施工中應(yīng)根據(jù)建筑物所處的地理位置、周圍環(huán)境，選擇合適的水泥品種；對于水位變化區(qū)以及干濕交替作用的部位或較嚴(yán)寒地區(qū)選用抗硫酸鹽普通水泥；沖刷部位宜選高強度水泥。

（二）在水庫防浪墻、水塔及導(dǎo)墻較高位置、工作交通橋等破壞輕微的表層混凝土，適用于水泥砂漿修補。

（三）在維修完畢后及時的養(yǎng)護(hù)，保持濕潤，注意保溫，減少滲流水量和其它有害物的侵蝕，以確?；炷恋拿軐嵭?。

（四）對水庫混凝土結(jié)構(gòu)地下部分用溶化的瀝青涂抹設(shè)置保護(hù)層，確保地下部分免受凍融和碳化破壞。

（五）嚴(yán)格混凝土制作配合比，降低混凝土的水灰比。

總之我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)水工建筑物所處的環(huán)境、位置破壞的程度以及原混凝土構(gòu)件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補方法，才能獲得較好的效果。

四、結(jié)語

我們的原則應(yīng)該是防重于治，首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境，合理進(jìn)行配合比設(shè)計，其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，加強工程運行中科學(xué)管理，發(fā)現(xiàn)碳化，凍融破壞及時采取防范保護(hù)和修補措施，以達(dá)到或延長工程的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]李常升.水利水電工程質(zhì)量監(jiān)控與通病防治全書[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999.

[2]張承志.建筑混凝土[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.endprint