西部高寒地區水工建筑材料劣化演變規律研究

梁 慧， 王 媛 怡， 蘇 振 華， 廖 靈 敏

(長江水利委員會長江科學院、國家大壩安全工程技術研究中心、水利部水工工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

1 概 述

基于自然地理等因素，西部地區特別是西藏地區具有與世界上任何地區不相同的氣候和環境特點，受高寒、干燥、缺氧及強紫外輻射等惡劣自然條件的制約，修建水利水電及樞紐工程具有很強的挑戰性，已建成的水利水電工程維護難度較大。針對西部高寒區域獨特的氣候和環境，已建成水利水電工程防劣化的施工關鍵技術及防護技術的規程規范和技術標準研究滯后，而西部高寒地區獨特的氣候和環境條件將對水工建筑物的“服役”壽命影響較大，工程結構及材料的劣化演變規律與低海拔地區水利水電工程結構的劣化特征存在差異，對應的修補防護措施需要有針對性的研究。因此，開展西部高寒地區環境條件下水工建筑材料劣化演變規律研究，對制定和完善特殊氣候環境下水利水電工程劣化防護措施，促進西部高寒地區水利水電工程建設，提高工程維護技術水平，確保西部高寒地區水利工程的安全運行都有重要意義。

2 凍融循環作用下的水工建筑材料劣化演變

在冬季極度寒冷的西部，凍融損害被認為是水工混凝土劣化的最重要因素。同時，在西部高寒地區部分工程中地下水、河流中存在較高的侵蝕性離子，尤其是Cl-、SO42-等，對地下結構部位混凝土的侵蝕破壞嚴重。從西藏地區的調研情況來看，混凝土凍融破壞多發生于過水面及水位變化區等干濕交替頻繁部位，混凝土表面出現疏松、點塊狀剝落。頻繁的干濕交替和凍融循環對水工建筑物施工及運行管理帶來很大困難，極易遭受侵蝕性離子作用而迅速劣化。

受凍融循環、侵蝕離子和干濕交替的共同作用，混凝土的工作環境極端嚴酷。通過研究干濕循環和凍融循環疊加作用對混凝土性能的影響，發現其會加速混凝土的劣化。若凍融循環起主導作用，混凝土強度較單因素作用時顯著下降，因為干濕循環促進了硫酸鹽結晶，加快水化產物和硫酸鹽反應，導致內部開始產生裂紋[1]。顯然，凍融循環和干濕循環的疊加作用對混凝土性能的影響會產生放大效應，兩者相互促進，相互影響。

混凝土在凍融循環下外觀發生明顯變化，可分為如下四個階段：

(1)混凝土表面完整無損傷；

(2)凍融循環開始后，水工混凝土表面逐漸出現小蝕坑；

(3)膠凝材料逐漸流失，坑蝕孔洞增大加深，混凝土表面細骨料外露并剝落；

(4)表面細骨料分層脫落后，導致混凝土粗骨料暴露[2]。凍融循環所導致的混凝土表面剝落與內部開裂，嚴重威脅水工建筑物的安全運行。

3 沖刷磨損作用下的水工建筑材料劣化演變

水工建筑物的沖刷磨損和空蝕破壞主要發生在泄流部位，如大壩溢流面、下游消能區、隧洞進口、深孔閘門及其后泄水段等。當水流流速較高并攜帶懸移質或推移質時，水工建筑材料遭受的沖磨和空蝕破壞就更為嚴重。泄水建筑物過流面受到了推移質顆粒的沖擊砸撞作用和磨損作用。水工混凝土建筑物受到沖刷破壞的總磨損量由以上兩種磨損方式總量的疊加而成，并與沙粒沖角有直接關系，可用J. H. Nelson和A. Gilchris給出的復合磨粒磨損公式來進行描述[3]。

沖磨剝蝕造成的混凝土破壞面積一般較大，并具有一定的連續性，有可能誘發空蝕破壞。其中懸移質沖磨破壞會造成混凝土均勻磨損，推移質沖磨破壞表現為沖溝或沖坑[4]。而空蝕破壞會在水工混凝土過流面局部位置出現空蝕剝蝕坑，但其他部位相對完好，蝕坑深度從幾厘米至幾米不等。雖然經過沖磨或空蝕破壞后剩余的混凝土強度可能下降不明顯，但在有凍融破壞的地區，沖磨和空蝕可能與凍融循環聯合作用，誘發大面積的水力沖刷破壞。

由于西部地區氣候干燥，混凝土會因失水收縮而形成裂縫。同時，西藏地區日溫差大，混凝土表面需經歷頻繁的熱脹冷縮。由于混凝土材料的熱擴散系數較小，混凝土內部和外部的體積變化不協調，也會造成在混凝土表面形成細微裂縫。這些裂縫在高速水流的作用下，混凝土的磨損破壞嚴重。另外，經過反復多次的凍融循環后，尤其在凍土地區，水工混凝土表面極易出現凍脹現象，水工混凝土力學性能和耐久性逐漸劣化。與此同時，若受到含砂水流的沖擊，極易剝離、脫落，進而使混凝土表面的凍融加劇，破壞不斷加大[5]。多重破壞反復發生，由表及里，最終導致水工混凝土破損，造成結構功能完全喪失。綜上所述，受西部高寒地區獨特氣候環境的影響，水工建筑材料的沖刷磨損較常規氣候條件下更為復雜，混凝土的泄流面易受凍融循環、裂縫、干濕交替等因素耦合作用而加劇劣化。

4 滲漏溶蝕作用下的水工建筑材料劣化演變

在現代水利水電工程中，許多水工大壩為碾壓混凝土大壩，由于碾壓混凝土壩的筑壩方式為分層碾壓鋪筑，作業面積大，存在著薄弱層面或局部缺陷集中現象。據調查了解，擋水混凝土建筑物表面大都覆蓋有白色的鈣質結晶，說明滲漏溶蝕現象普遍存在，而裂縫是產生滲漏的主要原因。滲漏水的深度與裂縫形狀、干濕循環和環境溫度等有關，水位低、水壓小時擋水建筑物的滲漏量相應也小。混凝土建筑物施工質量差、密實程度低，也是大壩出現滲漏的原因。因此，在水利水電工程的設計、施工和后期維護中應重點考慮混凝土材料的滲透特性以及可能產生的滲漏溶蝕問題。

在環境水壓力的驅動下，滲透介質通過混凝土的孔隙向壓力低的一側滲透，并將混凝土內部能溶于水的物質按溶解度大小先后溶解出來，產生溶蝕現象。滲漏溶蝕發生時，溶解附著于混凝土孔隙的固態Ca(OH)2最先被溶解。接著，混凝土孔隙周圍的游離Ca(OH)2開始溶解，并借助水化產物層向孔隙液擴散。若Ca(OH)2擴散系數小于滲透介質的滲透系數，則滲透介質中Ca(OH)2無法達到飽和濃度，致使水工混凝土孔隙內的水泥水化產物局部分解，孔徑變大，孔隙率提高，混凝土的滲透系數和Ca(OH)2的擴散系數進一步增加，滲漏溶蝕現象逐步加劇[6-7]。隨著滲透介質中Ca(OH)2含量降低，水化產物的分解逐漸由局部向周圍發展，混凝土強度和彈性模量大幅下降。另一方面，滲漏使得環境水向混凝土內部加速擴展，引起并加速其他病害破壞的深度和廣度，對水工混凝土的耐久性造成進一步損傷。

另外，通過研究混凝土滲漏溶蝕過程中Ca2+濃度分布歷時變化可知，隨著滲漏時間的延長，Ca2+濃度逐漸增大，滲漏溶蝕現象加劇。但Ca2+濃度的增長幅度越來越緩，且最終溶蝕深度小于6 mm。由此說明，滲漏主要對混凝土表面層產生溶蝕破壞，表面混凝土的抗滲性能對于整個混凝土大壩的抗滲漏溶蝕至關重要。

5 碳化作用下的水工建筑材料劣化演變

水工混凝土的碳化是一個復雜的物理化學過程，主要是指大氣中的CO2滲透到混凝土內部的孔隙中，并與溶解于毛細孔中的水分以及水泥水化過程中所產生的Ca(OH)2和水化硅酸鈣CaO·2SiO2·3H2O等水化產物相互作用，生成CaCO3等產物的過程。水工混凝土的堿度隨著碳化深度而降低，鋼筋逐漸失去混凝土的保護，易產生銹蝕現象。碳化還會引起混凝土收縮，使混凝土的表面產生細微的裂縫。

混凝土中的Ca(OH)2含量決定了混凝土中pH值下降到12.5以下所需的時間，是衡量混凝土抗碳化能力的一個關鍵參數。在單一碳化情況下，CO2氣體的擴散速度及CO2與混凝土成分的反應速度決定混凝土的碳化速度。在碳化反應初期，混凝土孔隙較多會使碳化速度加快。隨著碳化的繼續，混凝土內部生成的CaCO3較Ca(OH)2的體積膨脹約11.6%，這些碳化產物填充在混凝土的孔隙中，減緩了混凝土碳化的深入，導致碳化速度降低[8-9]。但當碳化加劇，混凝土內部溶解的Ca(OH)2不斷被溶解離析出來，同時，其他凝膠材料因碳化反應被吸收消耗，逐漸形成一個新的循環體系并伴隨著新孔隙的出現，有利于混凝土的碳化。因此，碳化速度呈現快速增長—增長放慢—稍微加快—趨于平緩的發展趨勢[10]。

研究結果還表明，環境溫度、濕度、氣候條件、混凝土水灰比等，對混凝土的碳化速度均具有顯著影響，其中，環境溫度對水工混凝土的影響程度最深。高溫環境下，CO2的擴散速度提升，而交替變化的高低溫條件下，CO2的擴散速率也會增加，從而使得碳化反應加速進行。同時，混凝土的碳化速度與環境相對濕度成反比，當相對濕度維持在50～70%之間時，碳化速率最高。另外，混凝土表面的裂縫使其滲透性增強，耐久性降低，加速碳化，而表面防護涂層可阻止CO2向混凝土擴散，對碳化起延緩作用。

除了低海拔地區發現的碳化現象不甚明顯，調研中發現西藏其他地區各電站均存在或多或少的碳化現象，在水工混凝土已發生凍融破壞的部位伴隨發生的碳化現象更為嚴重。這說明在西部高寒地區日照強烈，溫度驟升驟降，凍融循環引起水工建筑材料浸水部位或水位變化部位混凝土表面產生應力，易產生裂縫甚至剝離，致使碳化加速。

混凝土凍融與碳化劣化機理有差異，凍融劣化是物理反應，碳化則是含有CO2擴散和溶解的物理化學過程。凍融循環開始后，出現的內部微裂縫為CO2的侵入提供了更好的環境，促使碳化深度進一步發展。碳化產物逐漸填充在混凝土的孔隙中，在一定程度上降低了混凝土碳化的速度。與此同時，混凝土內部溶解的Ca(OH)2不斷溶解離析，其他凝膠材料繼續參與碳化反應而被吸收消耗，逐步形成一個新的循環體系，并且新孔隙的出現將短暫加快水工混凝土碳化。并且與常規氣候條件下碳化劣化過程不同，碳化速度不會最終趨于穩定，由于凍融循環的累加繼續，混凝土內部孔隙增大，結構疏松，進一步加速了混凝土碳化。

6 金屬銹蝕作用下的水工建筑材料劣化演變

溶蝕劣化破壞形式在西部高寒地區水利水電工程中也較為常見。西部高寒地區滲漏會加大混凝土含水量，在強烈的溫差作用下促進混凝土冰凍破壞，致使表面混凝土保護層脫落，鋼筋直接與空氣接觸，加速鋼筋的銹蝕。鋼筋銹蝕和凍融共同作用下鋼筋混凝土性能的損傷，并不是經歷鋼筋銹蝕劣化和凍融循環劣化的簡單疊加，而是存在著相互制約的耦合作用。在凍融循環—鋼筋銹蝕作用下，混凝土和鋼筋兩種材料的力學性能和直接黏結力下降，從而導致試件極限承載力大幅下降，塑性變差，撓度隨著凍融次數的增加而顯著增大。同時，鋼筋的銹蝕會使得混凝土表面出現順筋方向的裂縫，而裂縫的產生會直接導致混凝土在經受凍融時表面更易發生脫落，破壞水工混凝土的剛度和強度，降低水工混凝土與鋼筋的黏結強度，極大損傷鋼筋混凝土構件的承載力。

水工混凝土鋼筋銹蝕的劣化演變可分為以下幾個階段：

(1)腐蝕介質在混凝土中的擴散及其在混凝土與鋼筋界面不斷積累，侵蝕介質在混凝土與鋼筋界面達到臨界值，但鋼筋鈍化膜尚未被破壞；

(2)鋼筋表面的鈍化膜發生局部破壞至混凝土發生局部開裂，此階段中，腐蝕介質在局部區域超過臨界值而開始腐蝕，積累的腐蝕產物致使混凝土局部發生開裂；

(3)大面積鋼筋腐蝕，混凝土開裂使鋼筋接觸空氣，腐蝕加劇，鋼筋截面迅速減小，以致鋼筋混凝土結構安全性能大幅降低；

(4)構件無法安全使用，需維修加固[11]。

7 水工建筑物防護材料的劣化演變

在西部高寒地區，水工混凝土面臨頻繁的凍融循環、高日照輻射、晝夜溫差大等惡劣的運行環境，水工混凝土的防護與處理工程難度系數更高。除科學合理的混凝土配合比設計、優質的施工質量外，在工程建設初期對水工建筑物混凝土表面進行特殊防護(即“防患于未然”)十分必要，而對于已建工程的劣化問題更應該進行及時有效的修補。水利水電工程中水工建筑物修補防護材料多為有機高分子復合材料，這些高分子材料在西部高寒嚴酷環境下普遍存在快速老化的現象，平均壽命遠小于其他地區。西部典型環境的嚴酷性主要表現在高寒及晝夜溫差大、太陽紫外線輻射強、氣候異常干燥等方面，高分子涂層材料紫外老化快，易出現變色、粉化、龜裂等缺陷[12]。另外，高分子涂層受太陽輻照強烈，白天溫度很高，夜晚或陰雨天氣候出現驟降，溫度變幅相當大，薄層結構的涂層由于變形與基體不一致，易出現開裂剝落。

8 結 語

由于水利工程中不同結構建筑物的功能特征和服役環境不同，其劣化特征也存在差異。西部高寒地區水工混凝土擋水建筑物水下部位主要劣化形式有裂縫、滲漏、鹽類或生物侵蝕，水位變化區在西部高寒特征氣候下會出現凍融、滲漏、碳化、開裂等破壞，水上部位存在凍融破壞、開裂、碳化、剝蝕等。混凝土泄水建筑物部位主要的劣化形式有：沖磨空蝕破壞、凍融破壞、碳化、裂縫、溶蝕、滲漏等，其中沖磨空蝕破壞和凍融破壞是該結構的典型破壞。在輸水建筑物中，渠道結構混凝土發生破壞的現象較嚴重，其中凍融破壞、裂縫和滲漏是該結構的典型劣化形式。水工金屬結構的劣化主要是腐蝕破壞，鋼筋、閘門的主要劣化形式為金屬結構的銹蝕，由于局部環境濕度較大，外加防銹層在強日照條件下易老化破壞，銹蝕會比較嚴重，另外，閘門還可能出現變形、漏水等問題。

在西部高寒地區復雜氣候環境中，水工混凝土結構同時經受著多種環境因素的復合作用。因此，多種環境因素對混凝土結構的破壞作用并非單一因素的簡單疊加，而是交互耦合作用使實際“服役”中混凝土結構的破壞過程變得更為復雜和嚴重。在西部高寒地區，水工混凝土結構的凍融破壞往往是導致混凝土劣化的主要因素，混凝土凍融破壞多發生于過水面及水位變化區等干濕交替頻繁的部位。凍融破壞區域若受到含砂水流的沖擊，極易剝離脫落，進而使混凝土表面的凍融加劇，破壞程度不斷加大，凍融和沖磨反復發生，由表及里，最終導致混凝土的破壞，造成結構功能完全喪失。另外，水利工程中水工建筑物修補防護材料多為有機高分子復合材料，這些高分子材料在西部高寒地區嚴酷環境下普遍存在快速老化的現象，平均壽命遠小于其他地區。