如何控制水工建筑混凝土结构机理破坏

【摘 要】笔者结合实际，对水工建筑物中混凝土结构破坏机理进化了分析，提出了如何提高水工建筑物耐久性的防治措施，供广大施工技术人员参考。

【关键词】混凝土碳化；水工建筑物；冰融破坏；碳化

1.前言

由于工程耐久性不足，增加了建筑物使用过程中的修理与加固费用，影响或限制了结构的正常使用功能并缩短结构的使用年限，影响效益和安全，不仅造成经济损失，而且严重浪费资源，引发社会问题。水工建筑物设计由于主要执行着按强度设计的模式，较少考虑建筑物长期使用过程中由于环境作用引起结构材料性能劣化、腐蚀对结构安全性与适用性的影响，致使工程的寿命不长。水工建筑物必须有良好的耐久性以达到规定的合理使用年限，提高建筑物质量和耐久性、延长工程使用寿命也是可持续发展的需要。

2.损坏原因分析

2.1混凝土的碳化

混凝土的碳化是由于空气中CO2气体渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为纯化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，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，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的恶化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。

2.2混凝土的冻融

混凝土的抗冻性是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象。一是当混凝土中的毛细孔水在零度以下，由水转变成冰，体积膨胀9%，因受毛细孔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透压。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。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，只有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。从实际中不难看出，处在干燥条件下的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件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，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

3.影响因素

3.1影响碳化的因素

影响混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影响较大的是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同；其次，影响混凝土碳化主要还与周围介质中CO2的浓度及湿度有关，在干燥和饱和水条件下，碳化反应几乎终止。再次，在渗透水经过混凝土时，石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ca（OH)2溶解度的物质，如水中含有Na2SO4及少量Mg2时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2对抵抗溶出侵蚀则十分有利。因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层。另外，混凝土的渗透系数、透水量、混凝土的过度振捣、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系。

3.2影响冻融破坏因素

组成混凝土的主要材料性质的影响。如:水泥的品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大，又如骨料的影响,除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用，由于湿度和强度的变化，会产生含针状物岩石体积的变化，这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面，同时骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响。在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，大大降低冻胀应力，提高混凝土的抗冻性。配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。此外混凝土的表面、边角和工作缝部位处于最不利的工作条件，所以混凝土模板种类、性质和表面加工情况以及工作缝的处理对混凝土的耐久性也有很大的影响，寒冷季节水位变化需采取措施防止。

4.提高水工建筑物耐久性的有效措施

水工建筑物出现的耐久性病害，不仅与建筑物材料有关，与设计、施工、运行和管理等也密切相关。为了提高耐久性，必须采取相应的预防对策。

4.1建筑物材料要求

现行的一些建筑物设计规范均对材料的耐久性要求作了明确规定，混凝土质量评判不能仅以强度指标，还应有耐久性要求。混凝土中，尽可能低的水泥用量是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。在混凝土中掺用粉煤灰、矿渣、引气剂等掺合料也是提高混凝土耐久性重要的技术手段。

水工混凝土首要耐久性病害为裂缝，在原材料中掺入适当的高效外加剂或掺合料，能避免或显著降低裂缝产生的可能。钢筋锈蚀也是主要的耐久性病害，防止钢筋锈蚀的最主要途径是提高混凝土的抗渗性能，从而阻止或延缓外界环境中氯离子、二氧化碳、氧气以及水分的侵入。这需要从混凝土的配合比、施工质量和施工养护等三个方面作出努力。混凝土的碳化，是空气中的二氧化碳与混凝土水化硬化过程产生的氢氧化钙等碱性物质发生化学作用，生成碳酸钙并使混凝土趋于中性。

4.2建筑物设计要求

水工建筑物的设计除应严格按国家现行的有关标准的规定执行外，还应考虑到建筑物正常使用过程中构件的预定检测、维护及必要的更换。建筑物设计不仅应满足强度、稳定、变形等要求外，还应满足结构的耐久性要求，其基本目标就是在结构的使用寿命内，在考虑了环境的侵蚀性作用或材料性能的老化过程后，仍能保证结构应有的安全性与适用性。

5.结语

原则应该是防重于治，首先应根据混凝土所处的环境，合理进行配合比设计。其次是严把施工质量关，加强工程运行中科学管理，发现碳化，冻融破坏及时采取防范保护和修补措施，以达到或延长工程的使用寿命。

参考文献

[1]重庆建筑工程学院,南京工学院.混凝土学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001

[2]鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展[J].2002,05

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