塔里木灌区混凝土碳化问题的思考.pdf

科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 0年第 3期 塔里木灌区混凝土碳化问题的思考 傅晓松崔兆充邱红霞 ( 新疆兵团农一师勘测设计院 新疆阿克苏8 4 3 0 0 0 ) 【 摘要】 通过对塔里木灌区混凝土的碳化破坏机理及影响因素分析，指出要延缓钢筋混凝土的碳化速度，首 先要提高混凝土的密度，降低混凝土的渗透性。提出了水工建筑物混凝土碳化破坏的防治措施。 【 关键词】 混凝土碳化耐久性 【 D OI 编码】 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 0 0 3 0 1 8 【 中图分类号】T V 3 3 2 【 文献标识码】 C 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 0 )0 3 0 0 5 7 0 3 1 前 言 塔里木河流域近期综合治理项 目的实施 ，给农 一 师水利事业带来 了很好 的机遇。“ 十五” 、“ 十一 五”期间 ，各垦 区完成 了数量较多 的防渗渠道 和 渠道水工建筑物 ，为节水灌溉和农业生产发展提供 了良好的条件 。 但是 ，随着大批水工建筑物的相继建成 和投入 运用 ，也逐渐地暴露出一些值得关注的问题 。其中 以 “ 混凝土碳化” 问题最为突出。 2 水工建筑物的水上钢筋混凝土结构碳化 破坏现状 ( 1 )五 团总 干 渠 1+2 7 0新 老 干 渠 分 水 闸 ( 2 0 0 0年建 ) ，钢筋混凝土闸门顶梁碳 化裂缝严重 ( 裂缝宽 23 mm) ，从 外观看 已近于 “ 散架” 。启 闭梁碳化深度 2 4 mm。 ( 2 )塔北一 干渠 ( 1 9 9 8年建 ) ，1 7+1 9 0闸 ， 节制闸工作桥各个排架柱四面均出现大小不等的竖 向裂缝 ，最大裂缝宽超过 2 m m。 塔北二干渠几乎所有的钢筋混凝土闸门主梁 ， 均出现不同程度 的水平裂缝。 ( 3 )塔北总干渠 1 5 k m闸 ( 2 0 0 6年建 ) ，该闸 建成仅两年，实测工作桥混凝土的最大碳化深 度 1 7 mm。 混凝土的碳化破坏 ，主要集中发生在水工建筑 物的水上钢筋混凝土结构上 。如 交通桥 、工作桥 、 检修桥 、排架柱 、钢筋混凝土闸门及栏杆等。使用 1 0年 以上 的水工建筑物 ，上述部位 由于混凝 土碳 化 、钢筋锈蚀 ， 出现的裂缝随处可见 。混凝土保护 层剥落的情况也屡见不鲜。 3 混凝 土的碳化机理及 其影响因素 3 1 混凝土碳化作用及其与钢筋锈蚀 的关 系 混凝土的碳化是指空气中的 C O 、S O 等酸性 气体与混凝土 中的 C a ( O i l ) ( 液相 )作用 ，生成 C a C O 和 H 0的中性化过程 。 CO2+H2 0 H2 CO3 C a ( O H) 2 +C O 2 C a C O 3 +2 H 2 0 在钢筋混凝土结构中，由于钢筋在高碱性环境 中，钢筋表面产生钝化膜使钢筋免遭锈蚀 。混凝土 中水泥水化作用生成的 C a ( O H) ：含量大小决定混 凝土 p H值高低。C a ( O H) ： 一方面是混凝土高碱度 的提供者 ，但它却又是混凝土中最不稳定的成分之 一 ，很容易与环境 中的酸性介质发生中和反应 ，使 混凝土碳化。混凝土碳化 以后 p H值 降低 ，钢筋表 面钝化作用消失，钢筋便开始锈蚀。 在理想情 况下 ，混凝 土 中 的 p H值 可 以达到 l 2 51 3，此时钢筋处于钝化状态 ，不会锈蚀。当 混凝土的 p H值大于 1 1 5时，钢筋才能完全处于 作者简介 ：傅晓松( 1 9 7 6年一) ，男 ，工程 师。 57 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 0年第 3期 钝化状态。当混凝土的 p H值在 9 8 81 1 5之间， 钢筋表面的钝化膜呈不稳定状态 ，钢筋表面有可能 发生锈蚀。当混凝 土的 p H值小于 9 8 8时 ，钢筋 的钝化作用完全消失 ，钢筋便发生锈蚀。 混凝土的碳化 问题 主要发生在水上部位 ，长期 处于水位 以下 的混凝土 ，一般不直接同空气接触 ， 不存在碳化问题。 3 2 影响混凝土碳化的因素 影响混凝土碳化的主要 因素是混凝土本身的密 实性和碱性物质储备的大小 ，即混凝土的渗透性和 C a ( O H) 含量 的大小。混凝土 的空隙率越小 ，渗 透性越低 ，密实性越 高，C a ( O H) ： 含量越 大 ，则 混凝土的抗碳化性能越好。反之 ，则越差 。 影响混凝土的密实性及其碱性储备的因素比较 复杂 ，具体说有材料 、环境和施工三大因素。材料 因素包括混凝土水灰 比大小 、水 泥品种及其用量 、 混凝土强度等级、骨料级配 、外加剂等 。环境因素 包括环境相对湿度 、温度、压力 以及 C O ： 气体 浓 度等。施工因素包括混凝土搅拌、振捣质量和养护 条件等 。 3 2 1水灰 比的影响 由于混凝土水化作用所消耗的水量仅 占混凝土 拌和用水 量的 2 5 3 0 左右 ，因此混凝土硬化 后 ，多余 的水分蒸发或残 留在混凝土中。所 以混凝 土实际上是一种多孔性的混合材料 ，其 内部往往存 在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷。具有 一 定的透气性。 因此 ，水灰 比增大 ，会增加混凝土 内部的孔隙 和毛细孔的含量 ，使混凝土的透气性提高 ，C O 气 体在混凝土毛细孔的扩散速度加快，加速混凝土的 碳化过程。 3 2 2水泥 用量 的影 响 水泥用量较大时，一方面混凝土的密实性比较 高 ；另一方面混凝 土 内部 的 c a ( O H) 含量较大 ， 混凝土抗碳化性能较好。水泥用量较小时 ，混凝土 密实性则 相对 较差 ，同时混凝土 内部的 c a ( O H) ： 含量也相对减少 。 3 2 3水泥 品种 的影 响 试验资料表明，矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤 灰水泥拌制的混凝土 ，其碳化速度要比硅酸盐水泥 配制的混凝土碳化速度快。这是因为硅酸盐水泥中 C a O含量高 ，能生成较多 的 c a ( O H) ，混凝 土的 碱性高。同时 C O ：气体在硅酸盐混凝土 中的渗 透 速度相对较慢。因此 ，采用硅酸盐水泥拌制的混凝 5 8 土 ，具有较好 的抗碳化性能。 3 2 4 空气相对湿度的影响 混凝土的碳化与环境的相对湿度有重要关系。 因为混凝土在碳化过程 中与 C O ：发生反应生成的 水分要向外扩散 ，以保持混凝土内部与大气之间的 湿度平衡。在相对湿度接近 1 0 0 时，混凝土 中的 空隙被冷凝水所充满 ，使 C O ： 气体 向混凝土内渗透 速度受阻，混凝土的碳化作用将停止。当相对湿度 小于2 5 时，虽然 C O 气体向混凝土内的扩散渗 透速度加快 ，但混凝土空隙中，没有足够的水 ，空 气 中 C O ：无法溶解 于混凝 土的毛细管水 中，或者 其溶解量很小 ，不能与碱性溶液发生反应 ，因此混 凝土内部的碳化反应也无法进行 。有资料表明，在 相对湿度 5 0 一 7 0 的条件下 ，最有利于促使混 凝土碳化。这就是为何我国内陆相对于沿海潮湿地 区混凝土碳化作用明显的原因所在。 3 2 5 空气中 C O 浓度的影响 空气中 C O 气体 的浓 度越高 ，混凝 土的碳化 速度越快 ，碳化深度越大。 3 2 6 混凝土强度等级的影响 一 般混凝土强度等级越 高，混凝土就越密实 ， C O 气体在混凝土表层 的扩散渗入速度越慢 ，混凝 土的碳化速度降低 ，抗碳化性能提高。有人认为水 灰 比很小而且很 密实 的混凝 土 ( C 5 0以上 的混凝 土) ，因碳 化 所 引 起 的钢 筋 锈 蚀 问 题 可 以忽 略 不计 。 3 2 7 混凝土施工时振捣、养护的影响 混凝土在施 工操 作过程 中振 捣充分 、养 护 良 好 ，则混凝土硬化后密实度较高，混凝土的碳化速 度就慢。若混凝土在施工过程中，振捣不充分，混 凝土在硬化初期养护不良，混凝土中的水分蒸发过 快 ，混凝土面层渗透性 ( 透气性 )增 大，则混凝 土的碳化加快 。 3 2 8混凝 土 中氯化钠 含量 的影 响 混凝土中含有氯化钠 ，碳化速 度会 明显加快 ， 氯化钠的含量越高，混凝土的碳化速度就越快。因 此，在施工过程中，使用氯化物超标的水拌制混凝 土或者在混凝土中渗入含有氯化物的外加剂，都会 加速混凝土的碳化 。 3 3 混凝土碳化导致的钢筋混凝土结构破坏 房屋建筑工程一般要进行抹灰装修，抹灰装修 层在钢筋混凝土外围形成保护层，对延缓钢筋混凝 土结构的碳化速度有很好的作用 。水利工程、桥梁 工程就不同了 ，混凝土及钢筋混凝土工程都不允许 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 0年第 3期 抹面 ，混凝土表面直接同水体或大气接触 ，因此 ， 混凝土的碳化问题 比较突出。 混凝土碳化 后 ，p H值 降低 ，钝 化作用 消失 ， 钢筋便开始锈蚀。铁锈体积膨胀 ( 一般增长 2 4 倍 ) ，使混凝土保护层胀裂甚至脱落 ，钢筋外露。 铁锈的生成既削减了受力钢筋的截面，同时又 破坏了钢筋与混凝土之间的黏结，使钢筋与混凝土 协同受力的能力降低 ，最终会造成结构性破坏。 阿克苏河新 开岭老大桥混凝 土 T梁 的老化破 坏就是一个明显的例证 。 4 该 区钢 筋 混凝 土 结构 碳化 破 坏 的 主要 影 响因素 4 1 环境的相对湿度有利于混凝土碳化 农一师各垦区位于塔克拉玛干大沙漠北缘 ，属 于暖温带极端 干旱 的气 候类 型 ，空气相对湿 度较 低 ，基本不超过 5 0 。 例如 ：塔 里木 灌 区年均 相对 湿度 4 0 左右 ， 而水工建筑物在河道、渠系等水环境影响下 ，周围 空气 的相对湿度多在 5 0 7 5 之 间，在这样 的 空气湿度下混凝土碳化作用非常活跃 。 4 2混凝土密实度较低 农一师水利工程混凝土密实度偏低的原因，有 设计、施工等多方面的因素。 ( 1 )混凝 土配合 比方 面。目前 ，通 常都是在 确定混凝土粗、细骨料场和水泥品种后 ，委托有资 质的单位通过试验提供施 工使用 的混凝土配合 比。 混凝土配合比试验主要满足设计单位提供的混凝土 强度 、抗渗、抗冻融三大指标 ，但对如何提高混凝 土的密实度和抗碳化性能 ，怎样延长混凝土结构 的 使用寿命等问题 ，则考虑甚少。 因此 ，除 了高标号混凝土( 例如 C 4 0 、C 5 0以 上 )以外 ，一般混凝土 的水 泥用量都 不大 ，这 是 混凝土密实度不足的主要原因之一。同时水泥用量 不大 ，又会使混凝土 中的 C a ( O H) ： 含量相对较小 ， 混凝 土 的碱 性储 备 不 足 ，混凝 土 抗 碳 化 性 能也 较 差 。 ( 2 )混凝土 水灰 比偏大。在施工过程 中 ，拌 制混凝土时加水量控制不严 。实际水灰 比往往大于 设计配合 比。特别是为 了抢工期 ，有些施工单 位 ， 往往通过增加混凝土的拌和水量 ，来加大混凝土坍 落度，来达到加快施工速度的目的，结果使混凝土 的密实度降低。 ( 3 )混 凝土 配料 不准 确。 目前 农一 师 在 中、 小水利工程施工时，多数仍采用人工过秤配料。特 别是混凝土防渗渠道施工 ，由于点多、线长 ，施工 监督不易全面到位 ，工人配料不认真 ，砂子 、石子 配人量有时高于规定配合比，也使混凝土的密实度 下降。 ( 4 )混凝土施工振 捣不够 密实 ，使混凝 土 内 部气孔增多。 ( 5 )模板漏浆 ，混 凝土施工 振捣过程 中部分 灰浆流失 ，使表层( 特别是钢筋保 护层 )混凝 土 的水 泥含 量 减 少 ，混凝 土 密 实 度 下 降 ，渗 透 性 ( 透气性 )增大。其结果会大大加快混凝土保护层 的碳化速度 ，带来很大的危害性 。 4 3混凝土施工初期养护差 从 目前水利工程施工现场情况来看 ，混凝土养 护时间短 ，养护质量差 ，具有普遍性 。 该区气候十分干旱 ，混凝土面层的水分蒸发很 快 ，混凝土养护不良，便导致混凝土表层渗透性增 大，会加速钢筋保护层 的碳化 。 根据以上论述 ，由于混凝土 的水泥用量偏低 ， 在施工过程中，水灰 比偏大、配料不准确、混凝土 振捣不够密实 、模板漏浆 、养护质量差等多方面的 原 因造成混凝土密实度差 ，品质不 良。特别是表层 混凝土气孔多 、密实度更低 ，使钢筋保护层混凝土 的抗碳化性能十分脆弱。钢筋很快开始锈蚀 。使水 上部位的钢筋混凝土构件的使用寿命大大缩短。根 据近期水闸安全鉴定调查 ，近几年修建的水工建筑 物 ，混凝土碳化速度有加快的趋势 ，这可能同施工 质量有关 。 4 4关于引气剂的使用 塔北总干渠 1 5 k m闸 ( 即多浪水库进库分水闸) 2 0 0 6年建成 ，当年冬灌投入运行 ，经 2 0 0 8年 1 0月 检测 ，工作 桥 混 凝 土 的最 大 碳 化 深 度 已 经达 到 1 7 m m，比已运用 3 7年的塔里木拦河 闸实测混凝土 的最大碳化 深度 ( 1 8 mm)只差 l m m。该 闸水上部 位的钢筋混凝土结构 ，均用引气型减水剂。设计抗 冻标号 o 0 ， 混凝土的含气量一般在4 5 6 。 因混凝土是一种多孔性的混合材料 ，内部存在 许多大小不同的毛细管 、空隙、气泡等缺陷，所以 混凝土本身具有一定的透气性。塔北总干渠 1 5 k in 闸的水上部位钢筋混凝土结构 的碳化速度加快 的主 要原 因，初步判断很有可能是在该 区极端干旱 的气 候条件下，混凝土掺人引气剂以后 ，由引气剂所产 生 的许多微小气孔 ，反过来导致混凝土内部的毛细 管、空隙、气泡等缺陷扩大化， 使 ( 下转第 6 8 页) 5 9 科研与管理 水利规划与设 汁 2 0 1 0年第 3期 ( 上接第5 9页)混凝土的透气性 ( 渗透性)增大， 碳化速度更快。 根据上游水库放水闸 ( 1 9 6 1年建) ，胜利渠一 级电站 ( 1 9 6 3年建) ，塔里木拦河闸 ( 1 9 7 2年建) 几座年代较久的水工建筑物运行情况来看 ，该区混 凝土冻融破坏现象很少见 。 例如 ：塔里木拦 河 闸上下 游护坡 的浆砌 混凝 土六棱块为 C 1 5细砂混凝 土 ，迄今 已运行 3 7年 ， 尚未发 现 冻 融破 坏 迹象 。拦 河 闸 闸墩 C 1 5混凝 土 ，冬季水位变动部位基本 完好 。可见混凝 土的 冻融破坏 ，并不是影响该 区水 工建筑物混凝 土耐 久性 的主要问题 。因此 ，盲 目提高混凝土 的抗 冻 标 号 ，对该区来说 ，没有 多大 的实 际作 用 ，甚至 是有 害的 。 5 几点措施 要延缓钢筋混凝土的碳化速度 ，首先要提高混 凝土的密度，降低混凝土的渗透性。根据农一师现 有条件 ，提出下列建议性措施。 ( 1 )水工建 筑物 的钢筋混 凝土结构 ，一律不 允许掺用引气剂。 ( 2 )对水上部位 的钢筋 混凝土结构 ，加大水 泥用量 ，提高混凝土密实度和抗碳化性能。 1 )交通桥 、工作桥 、排架柱 、检修桥 、人行 桥及混凝土栏杆等 ，每方混凝土最小水泥用量不得 少 于 3 5 0 k g 。 2 )钢筋混凝土闸门，每方混凝土 的最小水泥 用量不得少于 4 0 0 k g 。 ( 3 )减少 混凝 土 水 灰 比 ，水 位 以 上钢 筋 混 凝 土结 构 物( 含 钢 筋 混 凝 土 闸 门 ) 的水 灰 比， 不得大于 0 4 5。在施 工 过程 中要 严格 控 制混 凝 的水灰 比。建 议 在 上述 部位 的钢 筋 混凝 土 中 掺 用高效 减 水剂 ，以便 在 充分 降低 水 灰 比 的情 68 况 下 ，使 混凝 土仍 保 持较 好 的施 工 坍 落度 以及 和 易 性 。 ( 4 )严格控制施工质量 ，在施 工过程 中，抓 好：混凝土配料准确；拌和均匀；振捣密 实；防止模板漏浆 ；防止钢筋骨架偏移 ，保证 钢筋保护层厚度等主要环节。 ( 5 )加强养护。对水上钢筋混凝 土结构 ，强 制性加强养护。可 以采取不拆模养护或地膜包扎、 微喷、混凝土表面喷养护剂等办法 ，来确保混凝土 养护质量。养护时间不得少于 2 1 d 。 ( 6 )适当加大钢筋混凝土保护层设计厚度。 ( 7 )可 以尝试在水上钢 筋混凝土结构的表面 涂刷 聚合物。例如 ，在钢筋混凝土 闸门表面刷一 层环 氧基 液 ，对 延 缓 混凝 土 碳 化 都会 有 很好 的 效 果 。 6 结语 在农一师已有水工建筑物 中的水上钢筋混凝土 结构 ，混凝土碳化破坏现象十分普遍 。不仅使工程 安全使用年限缩短 ，同时也加大了工程维修费用和 管理单位经济负担。农一师各垦区大 、中、小水工 建筑物数量繁多 ，长此下去 ，不堪重负 。因此 ，加 强对水工建筑物耐久性的研究是摆在水利工作者面 前的一个重要课题。 参 考 文 献 1 龚洛书，等 混凝土的耐久性及其防护修补 M北 京：中国建筑工业出版社 ，1 9 9 0 2 魏艳芳，王天稳 裂缝对混凝 土结构耐久性 的影响 M建筑技术开发，2 0 0 4，( 6 ) 3 王博 混凝土碳化机理及其影响因素 M水利水电 技术 ，1 9 9 5 ，( 1 1 )