水工混凝土耐久性影响因素分析及防治措施.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 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
7、 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
8、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
9、 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
10、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
11、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
12、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 、
13、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
14、、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
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