高寒高海拔地區混凝土病害分析及防治措施*

劉錦濤，程亮，姚軍，劉怡媛

（1.西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 710021；2.陜西省現代建筑設計研究院，陜西 西安 710048；3.陜西省交通規劃設計研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

我國經濟的快速發展和城鎮化步伐的加快，不僅帶動了建筑工程行業的發展，而且帶來了巨大的經濟效益。而作為建筑行業“基石”的混凝土，以其優異的力學性能、較為簡單的施工工藝和相對低廉的價格[1]，被廣泛應用于工程中。我國國土面積十分遼闊，西部高寒高海拔地區晝夜溫差大、多雨多雪、紫外線強度大且照射時間長，使混凝土結構物極易發生裂縫、有害孔洞及酥碎掉渣等病害，嚴重影響到結構物的使用安全性。故對高寒高海拔地區混凝土病害分析與防治措施的研究已經成為一個重要的課題。

本文分析了高寒高海拔地區混凝土典型病害產生的原因，并從施工過程、外加劑與摻合料的用量以及該區域特殊的氣候環境三個角度出發，對各種病害都提出相應的防治措施。

1 高寒高海拔地區混凝土常見病害分析

1.1 裂縫

高寒高海拔地區混凝土裂縫產生的原因主要分為兩類：一類是凝結硬化過程中溫度應力作用下產生的裂縫，另一類是由于施工過程中的措施不當造成的。

混凝土的允許變形在萬分之一左右，而混凝土實際的凝結收縮在 (4～8)×10-4左右[4]，說明混凝土的實際收縮要大于混凝土的允許變形，故混凝土的收縮裂縫是不可避免的。這種裂縫分為表面裂縫和貫穿裂縫[5]。表面裂縫是混凝土硬化過程中溫度升高，導致結構內外產生溫差，內部高溫區產生壓應力，外部低溫區產生拉應力，當外部拉應力超過混凝土的抗拉強度就會出現表面裂縫，如圖1；而貫穿裂縫則是在溫度降低過程中，由于混凝土體積收縮，受到地基以及結構邊界條件約束，在內部會產生收縮應力，當收縮應力大于混凝土的抗拉強度后出現的裂縫，如圖2。在高寒高海拔地區，氣候較為干燥，且晝夜溫差大、紫外線照射強度大，使混凝土更容易產生上述裂縫。

圖1 干縮裂縫

圖2 溫度裂縫

施工過程中措施不當同樣會使混凝土產生裂縫，主要原因有以下幾點[6]：（1）原材料質量把控不嚴：如粗骨料的級配不均、細骨料的含泥量過高等，均會導致混凝土質量時好時壞，質量不好的混凝土容易產生裂縫。（2）高寒高海拔地區交通條件較差，原料的運輸受到交通的限制，往往出現供不應求的現象，會導致混凝土出現冷接縫，產生薄弱面，出現較長的接茬裂縫。（3）混凝土振搗過程中出現的漏振或過振現象，漏振會使混凝土出現不規則的局部裂縫；而過振則會使石子下沉、砂漿上浮、泌水量加大，且由于砂漿的收縮程度約是混凝土的 3 倍，這就極易產生較長的貫穿裂縫。

1.2 有害孔洞

混凝土由于骨料級配不均勻、施工過程中振搗不充分等原因，使混凝土中的水泥漿不能充分地填充孔隙，導致混凝土內部或者表面形成孔洞。孔洞按直徑大小主要分為四級：r＜20μm 為無害孔、r＝20～50μm 為少害孔、r＝50～200μm 為有害孔、r＞200μm 為多害孔[7]。孔洞的出現在很大程度上會降低混凝土的抗壓強度，在相同荷載的作用下，會比正常混凝土更早發生脆性破壞。

高寒高海拔地區混凝土產生有害孔洞的主要原因有兩個：一是因為受到凍融循環的影響，在此地區服役的混凝土前期內部以無害孔和少害孔居多，隨著凍融循環次數的增多，混凝土內部結構出現損傷，孔洞也由最初的無害孔與少害孔變為有害孔和多害孔，從而嚴重影響到混凝土的耐久性；同時，因為有害孔洞的出現，在孔洞處水泥漿與骨料間形成微裂縫，而微裂縫又會為侵蝕介質提供通道，使外部水分等進入混凝土內部，導致混凝土的凍融破壞加劇，如圖3[4]。二是受到外界環境因素的影響，為了提高混凝土的抗凍耐久性能往往需要摻入一定量的引氣劑，但是高寒高海拔地區氣壓較低，這將顯著削弱引氣劑的引氣能力；同時在低氣壓條件下，混凝土氣泡穩定性變差[15]，氣泡破裂就更容易產生有害孔洞病害，從而影響混凝土的抗凍性能。

1.3 酥碎掉渣

高寒高海拔地區混凝土在凍融循環的作用下，還容易出現酥碎掉渣的病害。該病害產生的原因可以從三個方面進行解釋：第一，通過靜水壓理論可得低溫環境中孔隙水的凍脹率約為 9%，這使混凝土的抗拉強度小于結冰孔隙壁產生的靜水壓力，進而造成其內部微觀結構的破壞，導致了混凝土酥碎掉渣[8]；第二，當骨料處于吸水飽和的狀態下受凍時，其內部骨料顆粒結構會逐漸破壞，產生的內力會破壞骨料和水泥砂漿顆粒間的粘結性能，如果受到破壞的骨料接近混凝土保護層，同樣也會產生酥碎剝落；第三，在混凝土的制備過程中，由于原材料質量參差不齊，振搗密實度難以保障，會導致骨料下沉，水泥砂漿上浮，在凍融環境作用下，混凝土就更容易發生酥碎掉渣的病害。

圖3 混凝土內部微裂縫

1.4 腐蝕破壞

高寒高海拔地區，混凝土的腐蝕病害以氯離子侵蝕為主，在進入冬季后，此區域會使用大量的除冰鹽進行除冰，這為氯離子的侵蝕提供了條件。腐蝕病害又可分為混凝土腐蝕與鋼筋腐蝕，混凝土腐蝕表現為混凝土表層大面積剝落，使混凝土變得松散；而鋼筋腐蝕則表現為鋼筋銹蝕。分析造成此類病害的原因，是由于在凍融環境下鹽分在混凝土中不斷地遷移，造成了混凝土在除冰鹽與凍融耦合作用下的侵蝕破壞[9]，當混凝土由于凍融循環開裂，氯離子就可以通過裂縫侵入混凝土內部，使混凝土破壞加劇。

對不同強度的混凝土試件進行凍融循環試驗，并測定其氯離子擴散系數，同樣可以說明氯離子侵蝕與凍融影響之間的關系：試驗表明 C30、C35、C40 混凝土，當凍融循環達 100 次時，其氯離子擴散系數分別增大約5 倍、2 倍和 1.5 倍，故可以得到隨水灰比減小，凍融對氯離子擴散系數影響減小的結論[10]。

1.5 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指空氣中的二氧化碳或其他酸性氣體通過裂縫等途徑進入混凝土內部，與內部的堿性成分反應，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、碳酸鈣等物質。碳化從根本上是混凝土內部成分與外部環境共同作用的結果，與混凝土表面裂縫之間存在著緊密的聯系，在高寒高海拔地區，頻繁的凍融循環使混凝土產生了大量裂縫，故加劇混凝土的碳化。有學者就碳化深度與裂縫尺寸之間的關系做了試驗分析，通過測出在裂縫深度為 1cm、2cm、3cm、4cm、5cm 處的碳化深度，得到在相同裂縫深度條件下，隨著混凝土齡期的增長，垂直裂縫方向上的碳化深度也在增長，但碳化深度增長的速率卻是減慢的，原因是因為隨著碳化深度的增加，生成了越來越多的致密碳化物 CaCO3，阻礙了 CO2的進入，從而減緩了碳化反應進一步的發生；同時，試驗還得到沿裂縫深度方向 1cm 區域的碳化深度大于其他裂縫深度，分析原因是由于該位置處于沿表面碳化和沿深度碳化兩個方向上的疊加區域，故碳化情況更為顯著[11]。從混凝土自身條件來說，混凝土強度等級、配合比以及密實度都會影響混凝土的碳化反應，同時施工質量和養護條件對混凝土碳化都有影響[12]。

2 混凝土病害的防治

2.1 混凝土裂縫與有害孔洞的防治措施

此類病害可以從以下三個方面進行防治：

（1）施工過程：① 混凝土完成澆筑后，前期養護溫度的控制和養護時間的保證，對混凝土裂縫的影響較大，應對混凝土前期的保溫保濕養護有充分的重視，同時，安排合適的施工組織設計，保證施工過程的連續性。② 可以采用“分層澆筑，一次到頂”的澆筑工藝[6]，且振搗時不得漏振或過振。

（2）外加劑與摻合料：① 采用合適的外加劑：如減水劑可以有效降低混凝土的拌合用水，對減少混凝土收縮裂縫十分有利；也可以使用引氣劑，摻入少量的引氣劑可以提高混凝土的抗凍耐久性，有利于防止混凝土收縮開裂。② 需要對引氣劑的種類及用量加以選擇：在高寒高海拔地區氣壓較低，選用摻皂甙類的引氣劑效果較好，這類引氣劑受低氣壓環境的影響相對較小[15]；雖然引氣劑對混凝土的抗凍耐久性有所提高，但同樣也會降低混凝土的抗壓性能，一般認為含氣量＜5% 時，對混凝土力學性能影響不大，但含氣量＞5% 時，會明顯降低混凝土的力學性能[13]，故把握好引氣劑的用量就也可以在一定程度上防止有害孔洞的發生。③ 摻加粉煤灰：一般可按水泥用量的 10%～15% 摻用，粉煤灰的作用在于，可以提高拌合料的和易性，改善混凝土的工作性能，降低水化熱，從而減少裂縫的產生[6]。

（3）技術方法：若混凝土裂縫已經威脅到結構物的使用，可用混凝土換置法，此方法是先將嚴重損傷的混凝土剔除，再用新的混凝土或其他材料將其置換，常用材料有水泥砂漿、聚合物、改性聚合物混凝土等[4]。

2.2 混凝土酥碎掉渣及腐蝕病害的防治措施

這兩種病害的防治主要針對凍融循環破壞與氯離子侵蝕。（1）摻入引氣劑可以在混凝土中引入分布均勻的孔隙氣泡，從而有效提高混凝土的抗凍性能[8]。（2）可以在混凝土表層施加防腐蝕材料，有學者提出了一種多梯度的復合材料修復結構，復合材料層由聚合物涂料滲入纖維材料凝固成膜制成的，其高彈性的特點也可減少基層混凝土與聚合物涂料間因膨脹差而導致的脫落掉渣現象[1]。（3）粉煤灰能顯著改善混凝土結合氯離子的性能[14]，提高抗氯離子侵蝕的能力。（4）控制混凝土的水膠比，低水膠比有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能，但當水膠比小于 0.3 時，對改善混凝土抗氯離子滲透性能并不明顯[9]。

2.3 混凝土碳化的防治措施

（1）選擇氣候條件適宜的時間段對施工要求較高的部位進行施工，做到在惡劣的環境條件下不施工或者必須采用相應的防護措施。（2）配合比、溫度與濕度對碳化深度影響較大，故在施工過程中要嚴格控制原材料的質量、養護過程的溫濕度等。

3 小結

高寒高海拔地區由于其特殊的氣候條件，在此環境下服役的混凝土更容易遭受病害。故本文對高寒高海拔地區混凝土的病害分類及產生原因進行了分析，得到如下結論：

（1）造成此區域混凝土破壞的病害原因往往不止一種，而是多種因素耦合作用下的結果，以酥碎掉渣為例，造成此病害的原因就有凍融循環、氯鹽侵蝕和環境氣候影響等。

（2）對凍融循環的研究，目前國內外主要集中在混凝土的細觀或者微觀層面，如對內部孔隙、氣泡的研究，但凍融循環對裂縫的生成和影響這一方面的研究還較少，所以還需對混凝土的抗凍耐久性能進行更深入的研究。

（3）外加劑與摻合料的使用對高寒高海拔地區的混凝土的影響是巨大的，適量摻用減水劑和引氣劑都可以提升該區域混凝土的性能；摻入一定量的粉煤灰、硅灰同樣也可以提高抗凍性能。