提高水工建筑物耐久性的预防对策及混凝土结构破坏机理

刍议提高水工建筑物耐久性的预防对策及混凝土结构破坏

机理

摘要：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。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。

关键词：混凝土；建筑物；要求；措施

一、混凝土的碳化

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中co2 气渗透到混凝土内, 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称为混凝土碳化, 又称作中性化。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feo, 称为钝化膜。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。

二、混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用的一方面, 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, 经历时间长久会发生表层削落, 结构疏松等破坏现象。处在干燥条件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。

三、提高水工建筑物耐久性的预防对策

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。

（1）建筑物材料规定及标准

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, 如《水工混凝土结构设计规范》(slt191__96) 对水工结构混凝土的耐久性提出了最低强度等级、最大水灰比、最小水泥用量、抗渗等级、抗冻等级以及采用抗侵蚀水泥和抗冲耐磨的措施等要求。为了保证结构混凝土的耐久性, 国家标准《混凝土结构设计规范》(gb50010 - 2002) 还对结构混凝土的最大氯离子含量和最

大碱含量作了规定。

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。混凝土的强度与耐久性之间并不一定存在相关性, 比如掺入粉煤灰后的早期强度往往有所降低( 现代掺粉煤灰技术也可做到不降低), 而抗氯盐侵入的耐久性却能成倍增长; 混凝土引气后的强度也会受到影响, 但抗冻融等多种耐久性却可有很大改善。所以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做出努力。

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。水泥品种、水灰比、骨料粒径大小、施工质量等对混凝土碳化速度有较大影响。混凝土的碳化是一个长期的过程, 碳化速度主要取决于混凝土的抗渗性、混凝土的含水量、大气中的二氧化碳浓度以及环境相对湿度。

（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。材料性能的老化是一个长期的过程, 从可修复的角度看, 不能等到结构已临近安全性极限状态再进行修理,这样将付出更大的代价。同时结构各部分由于受力状态、使用条件及预计使用寿命的不同, 其耐久程度会有很大差异, 这些构件使用年限比主体结构短时, 应设计成可更换的构件。

耐久性要求高而易耐久性破坏的结构构件或结构部位, 设计时应考虑检修的方便和更换的可能性, 必要时可采用高性能混凝土结构或其他耐久性高的结构。如水工建筑物输水建筑物中的钢衬结构、钢岔管结构, 设计时应考虑检修的方便和更换的可能性, 为了提高耐久性, 冲刷强的部位应采用抗冲磨性能高的混凝土结构或其他结构。

（3）建筑物的施工要求

建筑物的施工应符合工程设计和国家现行的施工规范、质量评定与验收规范的规定。严格执行工程施工监理和竣工验收制度, 并进行耐久性专项质量检验。混凝土结构中的原材料、外加剂、掺

合料的品质和混凝土配合比等, 应通过试验确定。

由于裂缝的产生会引起其他病害的发生或发展, 因此混凝土浇筑过程中, 应控制混凝土的均匀性、密实性, 应及时覆盖和进行养护, 控制温度和湿度, 采取必要措施防止早期裂缝的产生。影响混凝土开裂的原因很多, 特别是复杂的施工因素。浇筑不当、养护不良都会引起混凝土开裂。大体积混凝土浇筑后, 水泥水化放出大量水化热, 内部温度不断升高, 表面会引起拉应力; 后期降温过

程中, 由于受到基础或已浇混凝土的约束, 在混凝土内部产生拉

应力; 外部的气温骤降时, 如果不及时保护, 也会在混凝土表面

引起拉应力。混凝土初凝失水收缩受到限制后, 也会产生拉应力。拉应力超过混凝土抗拉强度时就出现裂缝。混凝土裂缝大多数是表面裂缝, 在一定条件下表面裂缝可发展为深层裂缝, 甚至为贯穿

性裂缝, 因此加强混凝土表面保护至关重要。

结构表面混凝土的性能及其均匀性、混凝土保护层厚度和施工阶段的裂缝控制, 应是耐久混凝土施工质量保证的重点。它的耐久性质量在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度的控制, 在湿养护的同时, 应保证混凝土表面温度与内部温度和大气

温度之间不出现较大的梯度变化, 暴露于大气中的新浇混凝土表

面应及时开始浇水或覆盖保温材料进行养护, 防止温降和温差过大。有条件的话应尽可能采用浇水养护。应有充分的湿养护时间。在湿养护过程中,应根据混凝土温度与气温的变化, 及时采取调整