水工混凝土耐久性影响因素分析及防治措施.pdf

科研 与 管理 水 利规 划 与设计 2 0 1 1年第 5期 水工混凝土耐久性影响因素 分析及防治措施 陈 雯龙 ( 新疆水利水 电勘测设计研究院 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 【 摘要】 水工混凝土 由于所处环境 的特殊 性和 复杂性 ，其耐久 性直 接影 响到水 利工程 的安 全运行 和使用 年 限。本 文通过对影 响混 凝土耐久性 主要因素的分析 ，从 材料选 择 、工程设 计和 工程施工 方面 ，提 出了提高混 凝 土耐 久性 的具 体防治措 施。 【 关键词】 水 工混凝土耐久性影响因素 防治措施 【 中图分类号】 TV4 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章 编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 1 )O 5 0 0 3 5 0 4 【 D0I 编 码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 1 0 5 0 1 2 1 前 言 混凝土由于具有原料简单 、易浇筑成型，适应 性强、性价比高 、综合能耗低的优点 ，在水利工程 建设 中得到了广泛的应用，并取得了巨大的社会效 益 和经济 效益 ，是水 利 工程建 设 中用途 最为 广泛 的 一 种建筑材料 。在混凝土应用 的初期 ，人们一直认 为混凝土是非常耐久 的材料 ，对混凝土耐久性缺乏 足够的认识 。但随着混凝土在工程建设中的大量使 用 ，逐渐发现在一些环境 中混凝土过早发生损坏 ， 后期维修费用大 ，工程达不到设计 要求的使用 年 限，甚至有些工程不得不提前拆除重建 ，给社会带 来 巨大的经济负担。据资料统计：我国早期建设的 一 些处于恶劣环境 的水利工程 ，工程使用不 到 1 5 2 0年混凝土就发生冻胀和侵蚀 性破坏，需花费 大 量 的人力 和物力 进行 维修 ，以保证工 程 的安全 运 行 ；特别是一些海港码头，由于海水 的侵蚀破坏， 一 般在 1 O年就造成混凝土表层脱落 、钢筋锈 蚀 ， 需大修。水利工程 由于其所处环境 的特殊性和复杂 性，对混凝土耐久性要求更高 ，因此提高混凝土的 耐久性、延长工程使用寿命 ，减少工程维修费用是 水利工程建设可持续发展的关键。 2 混凝土耐久性 的技术指标 混凝土耐久性是指混凝土结构在 自然环境 、使 用环境和及材料内部因素的作用下 ，在设计要求 的 目标使用期内，不需要花费巨大资金对其加 固和处 理 以保证其安全 、使用功能和外观要求的能力 。它 是混凝土的一个综合性指标 ，主要包括抗碳化性 、 抗渗性 、抗冻性 、抗腐蚀性、抗 碱骨料反应 等性 能 ，它是混凝土结构的基本功能之一 ，也是混凝土 安全性 。适用性 、耐久性三个环节中比较薄弱的一 个环节 ，它的好坏将直接影响到工程的使用寿命 。 3影 响混凝土 耐久性 的主要因素 3 1 混 凝土 的碳化 混凝土的碳化是指混凝土在 自然环境 中，空气 和水中的 C 0 。 气渗透到混凝土 内，与混凝土中的氢 氧化钙发生化学反应后生成碳酸盐和水 ，使混凝土 碱度降低的过程，又称作 中性化，其化学反应 为： C a( OH) +C O。 =C a C O。 +H。 O。由于碳化后混凝 土的碱度降低，使混凝土空隙中存在饱和氢氧化钙 碱 性介质在 钢筋表面生成难 溶的 F e 2 O 。 和 F e 3 O ( 称 为钝化膜)对钢筋保护作用逐渐降低，当碳化超过 混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就 会使混凝土失去对钢筋的保护作用 ，造成钢筋锈蚀 破坏 ；另外混凝土碳化还会加剧混凝土收缩，使混 凝土产 生裂缝 ，从 而造 成混凝土结 构的破坏 。 3 2 混 凝 土的冻 融 混凝土的冻融破坏必须满足以下两个条件 ：一 是 混凝土 处 于饱 水 状 态 ，二 是 外 界气 温 正 负 变 化 ， 使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环。吸水饱和 作者简介 ：陈雯龙 ( 1 9 6 6年一) ，男 ，汉族 ，高级工程师。 35 科研 与 管理 水 利规 划 与设计 2 0 1 1 年 第 5期 的混凝 土在 其 冻融 的过 程 中 ，遭 受 的破坏 应力 主要 由两部 分组 成 。一是 当混凝 土 中的 毛细孔 水 在某 负 温 下 发 生 物 态 变 化 ， 由水 转 变 成 冰 ，体 积 膨 胀 9 ，因受 毛细 孑 L 壁 约 束 形 成 膨 胀 压力 ，从 而 在孔 周围的微观结构中产生拉应力；二是当毛细孔水结 成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的 迁移和重分 布引起 的渗管 压，由于表面张力 的作 用 ，混 凝 土毛 细孔 隙 中水 的冰点 随着 孔径 的减 小 而 降低 。凝胶 孔 水形 成冰 核 的温度 在 7 8 以下 ，因 而 由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐 分浓度差引起水分迁移而形成渗透压 。另外凝胶不 断增大，形成更大膨胀压力 ，当混凝土受冻时 ，这 两种压力会损伤混凝土内部微观结构 ，当经过反复 多次的冻融循环以后 ，损伤逐步积累不断扩大 ，发 展成互相连通的裂缝 ，使混凝土的强度 逐步降低 ， 最 后甚 至 完全 丧失 。 3 3混凝土 的化学 侵蚀 水利工程 由于其所处 自然环境的复杂性 ，经常 受 到侵 蚀介 质 的作 用 ，引起 水泥 石 发生 一系 列化 学 和物 理反 应 ，使混 凝土 逐 步受 到侵 蚀 ，严重 时造 成 水泥石强度降低 ，甚至破坏。常见 的化学腐蚀主要 有软水侵蚀 、碳酸腐蚀 、硫酸 盐腐蚀 、镁盐腐 蚀 等。软水侵蚀是指混凝土在软水环境中，混凝土中 的 C a( OH) 。 在水流及压力水流 的作用下 ，不断溶 解流失 ，造成混凝土空隙增加 ，强度降低 ，引起混 凝土结构破坏 ；碳酸腐蚀是指混凝土所处环境水 中 CO 含量较高时，在水流及压力水流的作用下 ，混 凝 土 碳化 后 形 成 的 C a CO。 与 含 碳 酸 的 水 反 应 形 成 可溶性 C a( HC O。 ) 。 不断溶解 流失 ，形成碳 酸腐 蚀 ，造成混凝土结构的破坏；硫酸盐腐蚀是指建筑 物基 础地 层 中或地 下水 中的 的 S O 一 与 水泥 石 的 固 态 水 化铝 酸钙 反应 生成 三硫 型水 化 硫铝 酸钙 ，造 成 水泥石体积膨胀而引起混凝土结构 的破坏 ；镁盐腐 蚀是 指 地 下 水 中 的 的 Mg 与 水 泥 石 中 的 C a ( OH) 。 反应 生成松 软和无 胶结 能力 的氢 氧化 镁 ， 降低了混凝土密度，造成混凝土强度的破坏 。 3 4混凝 土 的碱 骨料 反应 混凝土的碱一骨料反应是指混凝土空隙 中的碱 溶 液 与混凝 土 骨料 中活 性矿 物质 在水 环境 中发生 反 应 ，造成混凝土发生体积膨胀 、开裂、甚至破坏。 其危害作用很难根治 ，被誉为 “ 混凝土癌症” 。 碱性 物质 主要 来 自水 泥熟料 ，骨料 中活性矿 物 质主 要是 活性 S i O。 、硅 酸盐 、碳 酸盐 等 。 36 混 凝土 的碱 一骨 料反 应 主要有 三种 型式 ：一 是 碱 一硅 反应 ，二 是碱 一硅 酸盐 反应 ，三是 碱 一碳 酸 盐反应 。其中最为常见的是碱一硅反应 ，当水泥熟 料 中 的碱性 物质 含量 较高 时 ，同 时使用 了含 有 活性 S i O 、的粗骨料 ，水泥中碱性物质水化后形成的氢 氧化钠和氢氧化钾 与骨料 中的活性 S i o。 、发生反 应 ，在骨料表面形成复杂 的碱 一硅酸凝胶体 ，该凝 胶体具有吸水后体积无限膨胀的特点 ，在潮湿环境 中，不断膨胀 的凝胶 体将 引起混 凝土 的膨胀 、开 裂 、最终引起混凝土 自身结构的破坏。 3 5钢筋锈 蚀 钢筋锈蚀是影响水工钢筋混凝土耐久性 的重要 因素，造成钢筋锈蚀的主要原因是 当混凝土碳化至 钢筋表面和混凝土开裂时，钢筋失去了碱性混凝土 的保护 ，钝化膜对钢筋的保护作用逐渐减小甚至消 失 ，钢筋表面成活化状态 ，在水、氧和 C L 一作用 下 ，在混凝土裂缝处 ，首先出现钢筋坑蚀 ，进而发 展为钢筋环 向锈蚀 ，最终沿钢筋 纵 向形成 片状锈 蚀 ，由于氢氧化铁 ( 铁锈)体积比原金属体积膨胀 2 4倍 ，片状 锈蚀体积膨胀造成沿钢筋布置方 向 产生混凝土保护层裂缝 ，同时由于钢筋锈蚀造成钢 筋有效截面积的减少，影响混凝土结构的承载能力 和使用功能，进而造成混凝土结构 的破坏。 4 提高混凝土耐久性 的主要措 施 提 高混 凝 土耐 久性就 是要 提 高混凝 土 的抗碳 化 性、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性以及防止混凝土的 碱 一骨 料 反应 和 钢 筋锈 蚀 。由 于混 凝 土 是 由水 泥 、 水和骨料经搅拌 、浇筑和硬化过程 的一种水硬性建 筑材料 ，水 泥石在硬化过 程，为保证其施 工工作 性 ，拌和水量偏大 ，水灰 比偏高 ，导致混凝土结构 的空隙占水泥石体积 的 2 5 4 0 ，其 中毛细孑 L 占大部分 ，这些空隙是水分 、侵蚀介质和其他有害 物质进 入 混凝 土 内部 的通 道 ，是造 成 混凝 土耐 久性 不足 的 主要原 因 ；其次 由于水泥 石 中的水化 物稳 定 性差 ，特别是含碱量较高的水泥 ，在水化物 中存在 大量的游离石灰 ，其强度极低 ，稳定性极差 ，在侵 蚀介质 的作用下，容易造成水泥石的破坏。因此为 提 高混 凝土 的耐 久性 ，需从 材 料选 择 工程设 计 和 工程施工等方面采取措施 ，具体措施如下： 4 1 合 理选 择原 材料 水泥作为混凝土的胶结材料 ，其物质组成和特 性 直接 影 响到 混凝 土的 耐久性 ，水 泥 品种 的选择 应 根据水工建筑物所处工程环境和使用部位 ，选择含 科研 与 管理 水 利规 划与设 计 2 0 1 1 年 第 5 期 碱量小 、水化热低、干缩性小 、抗热性、抗渗性、 抗冻性 、抗腐蚀性性能好的水泥。对于处于干燥环 境中的混凝土 ，不宜使用火山灰水泥；对具有抗冻 要求的混凝土 ，应优先使用普通水泥，不宜使用火 山灰水泥 ；对具有抗渗要求的混凝土，不宜使用矿 渣水泥；对大体积混凝土 ，为减少由于水化热过高 引起的混凝土裂缝 ，造成的混凝土中空隙增加 ，降 低其耐久性 ，应优先使用低热水泥，如粉煤灰水泥 和矿渣水泥；对于处于受侵蚀性介质环境 中的混凝 土 ，应 根据 侵蚀 介质类 型 、浓度 ，采 用专 门 的特种 水 泥 ，如为 防止 S O 卜 离子 的腐蚀 ，可采用 抗硫 酸 盐 水泥 。 为 保证 混凝 土 的强 度要 求 ，骨料 必须选 择 质地 致密，具有足够强度的混凝土骨料 ，尤其是混凝土 粗骨料 ，应控制骨料中有害物质的含量 。骨料的选 择应考虑骨料 的碱活性 ，防止碱一骨料反应对混凝 土的破坏。为提高混凝土的抗渗性 、抗冻性 ，尽量 选择具有抗蚀性能好，吸水性能差 的骨料，选择合 理的级配，提高混凝土拌和物的和易性 ，提高混凝 土的密实度 ，以提高耐久性 。 混凝土拌和用水量和水灰 比直接影响到混凝土 的强度 ，拌和用水应控制水质和水量 ，应对拌 和用 水进行水质化验 ，检测水 中 S O 一离子 、Mg 离 子 、C L 一离子 的含量 ，防止上述 有 害物质 对水 泥石 和钢筋的侵蚀。 4 2 掺用高效减水剂和引气剂 减 水 剂 又 称 水 泥 分 散 剂 ，是 一 种 表 面 活 性 物 质。水泥加水拌和后 ，由于颗粒间分子的作用 ，产 生许多絮状物 ，形成一种凝聚结构 ，其中包含 了一 部分拌和水 。当加人减水剂后 ，这些表面活性剂定 向吸 附在水 泥颗 粒表 面 ，加 大 了水泥 颗粒 间 的静 电 排斥力 ，使水泥颗粒相互分散 ，并破坏了其凝聚结 构 ，使 凝聚体 包裹 的游 离水 被释 放 出来 ，增加 了混 合物的流动性 。因此高效减水剂的使用可减少拌和 用水量 ，降低水灰 比，减少了水泥石中细微空隙的 数量 ，提高了混凝土的密实度 ，从而提高了混凝土 的强 度 、抗渗 性 、抗 冻性 。研 究资 料表 明 ，在水 泥 用量 不变 的情 况下 ，可节 约 拌 和水 量 1 O 1 5 ， 混凝土强度提高 1 5 2 O oA。 引气剂是一种憎水性表面活性剂，溶 于水，加 入混凝土拌和物中，在搅拌过程中产生大量的微小 气泡 ，提高 昆 凝土的和易性 ，阻断混凝土内部微小 空隙的通道 ，提高混凝土的抗渗性和抗冻性 。 研究资料表明，在水泥用量不变的情况下 ，可 节约拌和水量 8 左右 ，抗冻性大幅提高。另外由 于气泡的存在 ，减少了结构断面的有效面积 ，使提 高混凝土强度有所降低。 目前多采用引气性高效减 水剂 ，即提高了混凝土抗渗性 、抗冻性 ，又减少拌 和用水 量 ，又使 混凝 土强 度有 所提 高 。 4 3预 防钢筋 锈蚀 对水工钢筋混凝土常采用以下处理预防处理措 施 ：一是在混凝土表面涂沫保护隔离层 ，将混凝土 内部可能的渗漏通道封闭起来 ，防止周围环境 中的 侵蚀性介质通过混凝土内部的细微空隙渗透进去引 起 钢筋 锈蚀 。常 采用 环氧 基液涂 层 、乳化 沥青 涂层 等；二是涂层钢筋 ，将钢筋保护起来 。常用的方法 是 环氧 涂层 钢筋 ，采 用静 电喷涂 环 氧树脂 粉末在 钢 筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐保护层 ，可长 期保护钢筋免遭侵蚀性介质的腐蚀 ；三是积极研究 开发新产品，采用耐锈钢筋、阻锈钢筋等 。 4 4采用高性能混凝土 普通混凝土水泥石 中水化物稳定性不足，是影 响混凝土耐久性的重要 因素。高性能混凝土就是在 普通混凝土中掺人高效活性矿物掺料，以改变水泥 石中胶凝材料的组成 。高效活性矿物掺料( 粉煤灰、 矿粉和硅粉)中含有的大量活性 S i O 和活性 A L 2 O 。 能与水泥水化过程中产生的游离石灰和高碱水化硅 酸钙产生二次反应 ，生成强度更高 ，稳定性更优的 低碱水化硅酸钙，达到消除游离石灰的 目的。另外 由于有些超细矿粉颗粒平均粒径小于水泥颗粒的平 均粒径 ，它可充填到水泥石的空隙当中，堵塞水泥 石中可能的渗漏通道，使水泥石更加密实。因此采 用高性能混凝土可有效提高混凝土的耐久性。 4 5 混凝 土设 计 中考虑 的保 护措 施 工程设计中应根据混凝土所处的环境设计相应 的混凝土保护层厚度 ，以防止外界介质渗入混凝土 内部腐 蚀钢 筋 。对容 易产 生破坏 的部 位 ，可根 据规 范要求 ，加大混凝土保护层厚度 ；混凝土结构宜尽 量采用整体浇筑 ，少留施工缝，如预留施工缝 ，其 结构型式和位置不应损害混凝土耐久性要求 ；另外 在结 构设 计 中 ，应 严 格 控 制 混凝 土裂 缝 开 展 宽度 ， 防止 裂缝 开展 宽度 过宽 导致钢 筋腐 蚀 ，影 响混凝 土 耐久 性 。 4 6混凝土 施工 中考 虑 的保 护措 施 ( 1 )混凝 土施 工 中应采 用两 次搅拌 法 、裹砂 法 等拌 制混 凝 土 ，保证 昆 凝 土的均 匀性 ； ( 2 )应根据工地现场的气候条件 ，严格控制混 凝 土配 合 比 ，提 高混凝 土拌 和物 的和易性 ，提 高混 37 科研 与管 理 水 利规划 与 设计 2 O 1 1 年 第 5 期 凝 土 的强度 ，减少 拌和 用水 量 ； ( 3 ) 另外应 严 格遵守 混 凝 土的振 捣制 度 ，防 止 过 振 和漏 振造 成 的混凝 土不 密 实 。 由于 混凝 土 的破坏 由表 面 开始 ，因此在 混凝 土 终凝前采用原浆抹面压光 ，提高混凝土密实度 ，降 低 混凝 土 表面 的渗 透性 。 5 结 语 提高混凝土耐久性是一个综合性问题 ，涉及环 境 、材 料 、设计 、施工 等诸 多 因素 。只 有正 确进 行 工 程设计 ，合理 利用 材料 ，严 格控 制施 工质 量 以及 必 要 的工程 管理 和维 护 ，才能保 证混 凝 土耐 久性 。 参 考文献 l 周谦 关于混凝土耐久性 问题 的探讨 土工基础 ，2 0 0 5 年 1 O月 ，第 1 9卷第 5期 2 陈改新 混凝土耐久性 的研究 、应用 和发展趋 势 中国 水利水 电科学研究 院学报 ，2 0 0 9年 6月 ，第 7卷第 2 期 3 王雪 ，隋云 胜 ，刘秀华 提 高混 凝土耐 久性 的措 施j ： 海建材 2 0 0 3年第 3期 ( 上接 第 2 7页 )钢 结 构 构件垂 直 度 。垂 直 度 ，不 少 于 3 个 构件。 沉降观测 。沉降 ，不少于 3次 。 轴线 位 置轴线 偏 差不 少 于 1 O点 。 层高 。净高偏 差 ，不 少 于 2 5点 。 构件尺寸。尺寸偏差 ，不少于 1 o个构件。 平整 度 、垂 直 度 。构 件 平 整 度 、垂 直 度 的 偏 差 ，不少 于 1 0点 。 ( 5 )原 材料抽 检 项 目数量 ： 水泥。3 d 、2 8 d抗压 强度 及抗 折强 度，细度 ， 凝 结时 间 ，安定 性 等 ；同一 批号( 袋 装 1 0 0 t ，散 装 5 0 0 t )每 1 0 0 t 不 足 1 0 0 t 时 ，按 1 0 0 t 计 ，抽一组 。 钢 筋 。外观 质量 及公 称 直径 、抗 拉 强度 、屈 服 点 、伸长率、冷 弯等。原 材 同一批 号 6 0不 足 6 0 t 按 6 0 t 计 ，抽 一组 。 焊 接 。5 0 0个 接头 抽 一组 。 粉 煤灰 。细度 、烧 失量 、需 水量 比、三 氧化 硫 等 ；以连续供应的 2 0 0 t 相同等级的粉煤灰为一批 ， 不 足 2 0 0 t 按 一批 论抽 一组 。 外 加剂 。 混凝 土外 加 剂 ( G B 8 0 7 6 1 9 9 7 ) 、 水 工 混 凝 土 外 加 剂 技 术 规 程 ( DL T 5 1 0 0 1 9 9 9 ) ；混凝土外加剂掺量大于 l ( 含 l )的同 品种 的外加 剂每 一 编号 为 1 0 0 t ，掺 量 小 于 1 的外 加 剂每 一编 号 为 5 0 t ，不 足 1 0 0 t 或多 或少 5 0 t的也 可 按一 个批 量 计 。 建 筑砂 。颗 粒级 配 ；含 泥量 ；泥 块含 量 ；坚 固 性 ；表 观 密 度 ；堆 积 密 度 与 空 隙 率 。 以 4 0 0 m。 或 6 0 0 t 为 一验 收 批( 火 车 、船 、汽 车 运 ) 。以 2 0 0 m。 或 3 0 0 t 为 一验 收批( 小 型 运输 工具 ) 。不 足 上述 数 据 者 以一 批论 。 建 筑 石 。颗粒 级配 、含 泥量 、泥块 含量 ，针 片 状 颗粒 含 量 、坚 固性 、压碎 指标 值 、表 观密度 ，堆 积密度 与空 隙率。以 4 0 0 m。 或 6 0 0 t为一 验 收 批 38 ( 火车、船 、汽车运)以 2 0 0 m。 或 3 0 0 t 为一验收批 ( 小型运输工具)不足上述数据者以一批论。 凡抽检不合格的工程，必须按有关规定进行处 理 ，不得 进行验收 。处 理 完毕 后 ，由项 目法 人 提 交 处理报告连同质量检测报告一并交竣工验收委员会 。 3 2 2监督抽 检 的依 据 国务院颁布的 建设 工程质量管理条例 ，水 利部 水 利 工程质 量 管理规 定 、 水 利工 程质 量监 督 管理规 定 ，广 东 省 广 东省 水 利 水 电工程 质 量 监督管理规定实施细则 广州市 广州市水务工程 质量监督管理办法 等各级条例 、办法、细则等相 关条款规定对水利水电工程质量进行强制性的监督 管 理 。水利 工程 质量 监督 实施 以抽 查为 主 的监督 方 式 ，运用法律和行政手段 ，做好监督抽查后的处理 工作。工程竣工验收时 ，质量监督机构应对工程质 量等级进行核定 。未经质量核定或核定不合格的工 程 ，施 工单 位 不 得交 验 ，工程 主管 部 门不 能验 收 ， 工 程不 得投 入使 用 。 4 结 语 总之 ，水务 工程 作 为一种 特殊 的产 品 ，在其 制 造过程 中涉及的人员众多。这就要求在每一个生产 环 节 中 ，每一个 参 与制 造 的人 员要 切实 提 高质量 意 识 ，监 管人 员 要充分 发 挥管理 职 能 ，各 尽所 能 ，各 负其责，本着对人民生命财产负责的态度将水务工 程产品制造成合格的产品。 参考 文献 水利部第 3 6号令 水利工程质量检测管理规定 水利工程施工质量检验 与评定规 范S L1 7 6 2 0 0 7 堤防工程施工质量评定 与验 收规程 S L 2 3 9 1 9 9 9 建筑桩基技术规范 J G J 1 0 6 2 0 0 3