碳化對不同地區混凝土水閘影響研究

陳 明

(安徽三洲水利建設有限公司,安徽 宿州 234000)

0 引 言

隨著我國水利建設的發展,混凝土水閘結構越來越多。混凝土碳化作為常見的病害之一,影響著混凝土水閘結構的安全性和耐久性,許多學者對此進行了相關研究[1-2]。徐飛等[3]進行了碳化試驗,并基于神經網絡算法,提出了混凝土碳化深度預測模型,結果表明預測效果比較理想。劉燕等[4]進行了不同軸向應力作用下的碳化試驗,并對軸向應力作用下的碳化混凝土微觀結構進行了研究。張君博等[5]考慮到海洋環境的影響,對沿海地區混凝土結構的碳化深度和耐久性進行了研究。

為研究沿海地區混凝土水閘結構與內地的差異以及混凝土碳化對水閘結構耐久性的影響,本文根據多個水閘碳化深度的實際調研情況,分析沿海水閘與內地水閘的差異,對比水閘不同部位的碳化情況。研究成果可為混凝土水閘的安全運營和維修提供參考與借鑒。

1 水閘的作用

水閘是修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調節水位的低水頭水工建筑物。關閉閘門,可以攔洪、擋潮或抬高上游水位,以滿足灌溉、發電、航運、水產、環保、工業和生活用水等需要;開啟閘門,可以宣泄洪水、澇水、棄水或廢水,也可對下游河道或渠道供水。在水利工程中,水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物,應用廣泛。

2 水閘運行風險因素

2.1 軟土地基

水閘通常修建于淤泥、松軟充填土等地質環境中。由于軟土的一些特性,導致水閘容易出現較大的不均勻沉降、開裂甚至失穩等病害。主要不利影響體現在3個方面:①強度和穩定性問題。軟土地基由于其較低的抗剪強度,難以承受水閘上部的荷載,因此可能出現局部或整體的剪切破壞,導致水閘失穩、傾覆。②由于軟土地基的高壓縮性,使得軟土地基上的水閘容易出現過大的沉降變形,對水閘的正常使用產生影響,嚴重時會引起上下游底板接縫錯動。③由于軟土靈敏度較高,容易受到外部荷載干擾,如車輛振動、地震等,導致軟土出現液化,進而使水閘失穩。

2.2 碳化作用

碳化是混凝土結構普遍存在的病害之一,主要包含3個階段:①化學反應階段。該階段反應較快,受CO2濃度和混凝土中可碳化物質的影響;②CO2在混凝土中擴散階段。該階段由混凝土水灰比和水泥水化程度控制;③Ca(OH)2擴散階段。其擴散速度受Ca(OH)2濃度和混凝土含水量控制。

圖1為碳化混凝土本構關系曲線。從圖1中可以看出,混凝土碳化越高,其峰值強度也越高。但會降低其延性,不利于混凝土結構的抗震,且碳化會影響到混凝土內部鋼筋的質量,對鋼筋混凝土結構的整體性能造成損害。

圖1 碳化混凝土本構關系曲線

3 碳化對水閘的影響

本文通過收集沿海18座水閘的檢測數據,分析碳化對沿海水閘的影響,同時與內地水閘碳化數據進行對比。主要研究的水閘部位為水閘閘墩和排架。

3.1 碳化時間

圖2為沿海和內地兩個地區閘墩和排架兩個部位碳化深度隨時間的變化情況。從圖2(a)和圖2(b)中可以看出,隨著時間的增加,內地水閘碳化深度呈現出緩慢減小的趨勢,與理論上的碳化規律恰好相反。年限較近時,碳化深度較高,接近25mm,后隨時間增加緩慢減小,年限超過50a后,基本碳化深度在10mm以下。圖2(c)中可以看出,沿海水閘閘墩碳化深度呈現出隨著時間增加碳化深度增長的趨勢。從圖2(d)中可以看出,隨著時間的增加,沿海水閘排架碳化深度基本保持穩定,未呈現出明顯的上升或下降趨勢。與內地水閘相比,沿海水閘一開始碳化深度較低,普遍在15mm以下;隨著時間的增加碳化深度不斷增長,在50a后,閘墩碳化深度達到23mm左右,排架碳化深度也在15mm左右,表現出明顯的差異。

圖2 不同地區碳化隨時間變化情況

出現這種現象可能是由于內地水閘目前大多采用商業混凝土的原因,含有大量的外加劑,導致新閘碳化較高。而沿海地區水閘碳化受海洋環境影響較大,加速了混凝土的碳化,雖然新閘碳化深度不高,但并未隨服役年限的增加而下降,反而緩慢上升。

3.2 水閘構件

圖3為收集的沿海和內地各18個水閘在閘墩和排架部位的碳化深度情況。從圖3(a)中可以看出,沿海地區水閘閘墩和排架部位相比,基本上是排架碳化值更大,最大值接近60mm,而閘墩碳化深度最大值約為41mm。從圖3(b)中可以看出,內地水閘同樣是排架部位碳化值較高,但沒有沿海地區變化幅度劇烈,且峰值較小,排架和閘墩峰值分別為24.2和23.8mm,表明海洋環境對混凝土水閘結構的影響較為嚴重。在水閘運行過程中,應注重水閘排架的保護,尤其是沿海地區,更應采取必要的防混凝土碳化措施。

圖3 水閘不同部位碳化深度對比

在水閘運行過程中,若出現碳化較為嚴重的構件,如混凝土裂縫過大、露筋、鋼筋銹蝕嚴重甚至出現斷裂等現象,應進行拆除重建。而碳化深度較小,且小于鋼筋保護層厚度的,應采取一定的措施應對,如通過優質涂料進行封閉或通過高強砂漿找補。

在進行混凝土澆筑時,應采取相應的防碳化措施,如對混凝土水灰比、鋼筋保護層厚度和氯化物含量進行嚴格控制,并通過機械進行振搗,保證混凝土密實性。澆筑完成后,可通過活性摻合料和減水劑等對混凝土表面進行涂覆。保證混凝土模板選取規范,混凝土強度達到預期后再進行拆模,防止過早拆模,并加強混凝土的養護。

4 結 論

本文根據多個水閘碳化深度的實際調研情況,對比了沿海水閘與內地水閘的差異,并對水閘不同部位的碳化差異進行了分析。結論如下:

1)由于目前大多采用商業混凝土的原因,含有大量的外加劑,導致新閘碳化較高,實際內地水閘碳化深度呈現出隨服役年限增加而緩慢減小的趨勢,與理論上的碳化規律恰好相反。沿海地區水閘碳化受海洋環境影響較大,加速了混凝土的碳化,隨著時間的增加碳化深度不斷增長。

2)無論是沿海還是內地,水閘排架碳化深度普遍高于閘墩。但由于海洋環境對混凝土水閘結構的影響,導致數值上沿海地區碳化深度更大。因此在實際工程中,應注重水閘排架的保護,尤其是沿海地區,更應采取必要的防混凝土碳化措施。