1、水工混凝土常见病害及预防对策摘要水工混凝土的耐久性直接关系工程的使用寿命、加固费用、效益发挥和运行安全。分析了水工混凝土的常见病害,并从工程设计、工程原材料、施工工艺、运行管理等方面提出了预防对策,以提高水工混凝土的耐久性。 关键词水工混凝土;常见病害;预防对策 水利工程是基础产业工程,水工混凝土的耐久性直接关系到工程的使用寿命、加固费用、效益发挥和运行安全,但是水工混凝土却经常受到裂缝、冻胀、冲磨、空蚀、碱骨料反应、碳化、溶蚀和侵蚀等病害的威胁,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
2、且严重浪费资源,引发社会问题1。因此有必要对水工混凝土的常见病害进行分析和研究,并反馈到设计、施工和运行管理等方面来进行预防和控制,在工程建设管理的整个过程中,全方位、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性,延长工程使用寿命,确保国家可持续发展战略在水利建设开发过程中的有效施行。 1 常见病害 水工混凝土是水利工程建设中很重要的材料,使用种类繁多,也需要在各种各样复杂的环境条件下发挥作用和确保工程正常运行。根据水工混凝土建筑物的结构性特点和所处工作环境的不同,常见病害主要有裂缝、冻胀、冲磨空蚀、碱骨料反应、碳化、溶蚀和侵蚀 7 大类,其中前 3 类属于物理性病害,后 4 类属于化学性病害2。由于
3、工程自身因素和工作条件的差异,这几类病害对混凝土的危害程度也互不相同。 1.1 裂缝 裂缝是混凝土建筑物最常见的病害之一,是材料的不连续现象,属于物理性病害,是水工混凝土耐久性的首要影响因素。裂缝的出现,多数在施工期就存在,有的虽然在施工期以后,也多在运行初期 510 年以内产生,不是由于运行期长,工程老化,而是早期的问题。裂缝的存在直接导致混凝土抗拉性能的降低,还会引导有害物质进入混凝土内部,造成钢筋锈蚀,甚至破坏混凝土结构。对于水库蓄水发电和灌溉来说,挡水混凝土结构的裂缝会直接引起渗漏,如果渗漏量达到一定程度,就直接危及工程的蓄水能力;对于混凝土重力坝来说,如果裂缝达到一定贯穿深度和宽度,
4、会引起坝体扬压力的急剧增长,削弱坝体的抗滑能力,对结构抗震非常不利,甚至会对整个坝体的结构稳定和安全造成威胁。 1.2 冻胀 一般认为,在温度正负交替过程中,混凝土微孔中的水成为结冰或过冷的水,体积膨胀产生冻胀压力,过冷的水迁移产生渗透压力,当两者的附加作用力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就遭受破坏,所以冻胀破坏是一种物理性破坏。在我国的北方地区,水工混凝土受到这种破坏的情况比较严重。受冻融作用的影响,混凝土会变得酥松、鼓包、开裂,甚至层状剥落,使建筑物失去作用,进而对建筑物整体稳定造成影响。 1.3 冲磨和空蚀 冲磨主要是水流中的泥沙作用,我国河流多泥沙,与高速水流一起运动时磨蚀直接接触或临
5、近的混凝土。空蚀是水工泄水建筑物工作中水流的一种特有现象,是混凝土局部受到不规则的挤压变形而产生的破坏。因此,冲磨和空蚀都属于物理性病害。一般冲磨和空蚀是交替而又相互促进的,造成混凝土表面粗骨料裸露,混凝土表面凸凹不平,产生坑洞,进而造成钢筋外露和钢筋锈蚀。 1.4 碱骨料反应 骨料中含有的氧化硅等物质,容易和水泥或混凝土中的碱(Na2O、K2O)反应,即碱骨料反应,这是一种化学病害。该反应生成吸水膨胀的凝胶,使混凝土产生开裂。 1.5 碳化 混凝土的碳化(中性化)是空气中的二氧化碳气体不断透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔,扩散到混凝土内部充水的毛细孔中,与其中的空隙液所溶解的氢氧化钙进行中和
6、反应,生成碳酸盐或其他物质,使混凝土孔溶液的 pH 值小于 10,钢筋的钝化膜被破坏,钢筋发生锈蚀。钢筋生锈后体积膨胀,引起混凝土开裂,与钢筋的粘结力降低,混凝土保护层脱落,钢筋断面面积发生损缺,严重影响混凝土的耐久性3。 1.6 溶蚀 混凝土溶蚀是一种化学性病害。混凝土中的 CaO 被水溶解变成 Ca(OH)2,该物质遇到空气中的 CO2 反应生成 CaCO3 沉淀物,标志着混凝土已经病变,将损失掉胶凝性而逐渐失去强度,抗渗能力也不断降低。当 CaO 被溶解约 33%时,混凝土将变得酥松而失去强度。 1.7 侵蚀 侵蚀主要是环境水质对水工混凝土的危害,这也是一种化学病害,虽然不是特别普遍,但
7、有些工程却受害很深。比如,环境水中的 SO42-离子与混凝土中的 Ca(OH)2 反应生成 CaSO4 时,产生第 1 次体积膨胀,CaSO4 又与混凝土中的 C3A 反应生成硫铝酸钙,产生第 2 次体积膨胀,巨大的膨胀应力导致混凝土胀裂、变酥,甚至变成粉末状。另一个就是氯盐的渗入,当混凝土结构处于含有氯盐的海水、岩土或空气环境中时,氯离子也会从混凝土表面逐渐扩散到钢筋表面并使钢筋脱钝而锈蚀。 在上述所列病害类型中,以混凝土裂缝为首要病害,同时各类病害对混凝土的影响程度不同,同种病害在不同的混凝土建筑物上造成的破坏也各种各样,另外还存在地域差异。就全国范围来说,各地的混凝土病害特征复杂多样,并
8、且各种病害还会交叉感染,如裂缝的存在会引起渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻胀破坏的扩展、混凝土碳化和钢筋锈蚀等。 2 预防对策 随着运行期的增长,水工混凝土的老化是客观现象,及时维护和修补也是必要的,但是很多相关混凝土的病害却不是一般的老化问题,而是更多地与设计、施工和运行管理有密切关系,因此要减少或预防混凝土病害,就要从这几个方面采取预防措施。 2.1 工程设计 水工混凝土建筑物的设计要从按强度设计的模式中解脱出来,更多地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,尽可能延长工程寿命,避免资源浪费。水工混凝土建筑物的设计要严格按照国家现行有关标准执行,严
9、格考虑建筑物正常使用过程中构件的预定检测和维护,并在结构设计时为此项工作提供可能性和工作面。水工混凝土遭受病害是不可避免的,只是程度轻重可以控制。因此,混凝土构件在考虑了环境的侵蚀性和材料性能的老化过程后,要仍然可以保证结构应有的安全性和稳定性。同一建筑物中的不同构件所处的工作环境可能存在差异,其遭受病害的可能性和程度也会不一样,因此其耐久性就不同,所以对于局部可能遭受病害严重同时可以更换的构件,可以设计成拆装和可更换型的,从而延长建筑物使用寿命。在建筑物的构造设计中,也可以有很多措施,比如:对混凝土表面进行粉刷或涂膜以延缓碳化或减少水质侵蚀,在有效范围内增大混凝土钢筋保护层,对混凝土裂缝最大
10、宽度的允许值进行认真论证和严格限定,设置合理的伸缩缝、沉降缝和施工缝,让结构可以自由变形,避免裂缝和不均匀沉降等。另外,还可以设置有效的防渗、排水、抗冲刷和抗磨蚀措施等。 2.2 工程原材料 合理选择水泥品种和标号,尽可能选用水化热小的水泥,适量掺加粉煤灰或矿渣等掺和料。严格对混凝土拌合用水进行检验,避免氯离子含量超标。尽可能采用较小的水灰比,减少混凝土的孔隙率。采用杂质少、粒径适中、级配好、坚固性好的砂石骨料。合理使用和掺加减水剂和引气剂等外加剂4。 2.3 施工工艺 建筑物的施工要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要求。严格执行工程施工监理和竣工验收制度,并进行耐久性专
11、项质量检验。大体积混凝土要事先制定完备的温控措施计划,并在施工中严格执行。改进施工机械,改善施工操作方法,确保混凝土均匀密实。混凝土浇筑过程中严格控制钢筋保护层不受影响和破坏。混凝土临空面要从模板和浇筑过程中的振捣等方面进行控制,避免蜂窝、麻面的出现,对于已经造成的混凝土缺陷,要及时科学地进行修补和处理。加强混凝土养护,要从养护方法、时间和材料等方面下工夫。 2.4 运行管理 严格按照设计预定的工况进行运行,不应有超出设计范围的工况,在设计预定的但是不常用的工况运行期间,要加强监测和控制。建立严格的运行管理规章制度,并在运行中严格执行。设计人员要向建设单位或运行单位的相关人员提出建筑物使用过程
12、中的日常维护措施、设计预定的定期维修、部件更换、监测要求和定期安全鉴定计划的内容,做好运行安全技术交底。对于建筑物的特殊部位特别是处于严重腐蚀性环境作用下的构件和部位要经常性检测。定期进行安全鉴定。对于检测和安全鉴定中发现的问题,要及时科学规范地进行处理。 3 结语 由于病害的影响,很多水工混凝土建筑物的耐久性受到威胁和挑战,很多以前建成的混凝土建筑物也不同程度地遭受了破坏,因此很有必要对这些病害进行分析和研究论证,探讨可行的、有效的处理措施和预控方案,并且在工程建设过程中做好宣传教育和引导工作。混凝土的耐久性问题不是设计、施工和运行管理单位任何一家的问题,而是共同面临的问题,一定要高度重视,认真对待,各参建及运行管理单位要齐心协力,全方位、多渠道地联合控制,确保混凝土质量,减少病害隐患及威胁,提高水工混凝土耐久性。 4 参考文献 1 刑林生,聂广明.我国水电站混凝土建筑物耐久性分析J.水力发电,2003(2):27-31. 2 柏宝忠,王以仁.影响水工建筑物耐久性的主要因素及预防对策J.水利水电技术,2004(10):13-16. 3 谭学龙.浅谈混凝土的碳化及其预防措施J.水利水电技术,2003(4):59-60. 4 张宝生,葛勇.建筑材料学M.北京:中国建材工业出版社,1994.
