时间：2013-11-29 分类：水力
摘 要: 介绍并分析了水工混凝土经常受到的裂缝、冻融循环、磨损和气蚀、碱骨料反应、碳化与钢筋锈蚀、溶蚀和侵蚀等病害的威胁，提出了水工混凝土常见病害的预防对策。为确保混凝土质量，减少病害隐患及威胁，提高水工混凝土耐久性提供了参考。
关键词:水工混凝土;常见病害;预防对策
1 引言
混凝土，简写为\"砼\"，是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。在水利与建筑工程中，混凝土是用途最广、用量最大的建筑材料之一。水工混凝土经常受到裂缝、冻胀、冲磨、空蚀、碱骨料反应、碳化、溶蚀和侵蚀等病害的威胁，影响工程的耐久性，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，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。
2 常见病害分析
2.1 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5～10年以内。水工混凝土体积大,在硬化初期易产生大量水化热,形成温度应力,而此时混凝土抗拉能力弱，导致产生裂缝。裂缝的存在直接导致混凝土抗拉性能的降低，同时大体积混凝土还产生收缩裂缝,引起如环境水侵蚀、冻融破坏等病害的发生,这些病害与裂缝形成恶性循环,对建筑物的耐久性产生极大危害。同时裂缝也会引导有害物质进入混凝土内部，造成钢筋锈蚀，甚至混凝土结构破坏。对于水库蓄水和灌溉来说，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。
2.2 冻融循环
一般认为，冻融破坏是混凝土在浸水饱和或潮湿状态下，在温度正负交替过程中，混凝土微孔中的水结冰或成为过冷的水，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，导致混凝土由表及里逐渐削蚀。因此，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。经调查，我国有22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题。
2.3 磨损和气蚀
磨损和汽蚀破坏是水工混凝土由于水流冲刷造成的两种破坏形式，在隧洞、泄洪道等建筑物中，受到高速水流和泥沙的冲刷，对混凝土产生磨损，冲磨主要是水流中的泥沙作用和高速水流一起运动时磨蚀直接接触或临近的混凝土。空蚀是水工泄水建筑物工作中的水流的一种特有现象，混凝土局部受到不规则的挤压变形而产生破坏。同时，当高速水流在凹凸不平的混凝土表面流过时，产生大量气泡，气泡爆炸时可产生上千兆帕的冲击力。因此，受冲刷磨损和汽蚀部位的混凝土极易损坏。磨损和汽蚀都属于物理性病害。一般地，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。据调查，我国大型混凝土坝工程中有近70%存在冲刷和汽蚀破坏。
2.4 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(氧化钠、氧化钾)起反应，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。
2.5 碳化与钢筋锈蚀
空气中的二氧化碳和水中的碳酸组分都可能与水泥水化物发生反应，使之碳化，产生裂缝，使二氧化碳等进入混凝土内部，加速碳化。混凝土的碳化是空气中的二氧化碳气体不断地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反应，生成碳酸盐或其他物质，使混凝土孔溶液的PH<10，碳化使混凝土中性化，导致钢筋的钝化膜被破坏，钢筋失去保护膜而产生锈蚀。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，其结构承载力逐渐丧失，严重影响混凝土的耐久性。
2.6 溶蚀
混凝土溶蚀是一种化学性病害。混凝土中的氧化钙被水溶解变成氢氧化钙，然后遇到空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙沉淀物，标志着混凝土已经病变，将因此损失掉胶凝性而逐渐失去强度，抗渗能力也不断降低。当氧化钙被溶出约33%时，混凝土将变得酥松而失去强度。
2.7 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，但有些工程却受害很深。比如，环境水中的硫酸根离子与混凝土中的氢氧化钙反应生成硫酸钙时，产生第一次体积膨胀，硫酸钙又与混凝土中的铝盐反应生成硫铝酸钙，产生第二次体积膨胀，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。
3 水工混凝土结构老化病害的预防和修补
3.1 预防对策
很多相关混凝土的病害不是一般的老化问题，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，就要从以下几方面采取预防措施。#p#分页标题#e#
3.1.1 工程设计
工程设计包括方案设计和结构分析两个内容。实践证明，除了施工和材料方面的原因，影响结构耐久性的决定性因素是来自设计上的缺陷。
①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。
②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，严格考虑建筑物正常使用过程中构件的预定检测和维护，开展病、老混凝土安全评估、检测技术、评判准则、补强加固技术等研究与应用。并在结构设计时为此项工作提供可能性和工作面。
③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。所以，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，进一步开展高抗冲磨材料、水下修补材料与结构补强加固材料的研发与应用。
④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。
⑤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。
3.1.2 工程原材料
在这个不断创新的年代里，人们对混凝土材料的认识，已从以往片面追求高强度逐渐转变为采用高性能混凝土，这种转变的本身就是重大的变革。近年来，高性能混凝土技术取得了长足进步，大量研究和工程实践表明，科学的选择材料和配合比，混凝土的性能改善还有巨大的潜力。经验表明，今后应优先考虑采用新材料、新工艺、新技术维修带病运行的建筑物和把不断更新的专门技术应用于新建筑物。通过材料改性尽量提高水工混凝土的材料抗裂性，即提高混凝土极限拉伸变形、徐变变形、自生体积膨胀变形，降低水化热温升而减小温度变形等。
3.1.3 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。
3.1.4 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，对于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中日常维护措施、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要经常性检测，特别是处于严重腐蚀性环境作用下的构件和部位，定期进行安全鉴定，对于检测和安全鉴定中发现的问题，要及时进行科学规范的处理。
3.2 修补方法
3.2.1 裂缝的修补方法
修补某些裂缝可达到克服渗漏的目的，修补方法有3种:
(1)开槽填充法
施工时先把裂缝开凿成V型或U型截面的槽，然后用压缩空气或高压水清除槽内碎碴，烘干后在槽内涂抹粘结剂，然后充填砂浆等封缝材料。
(2)灌浆注入法
此法适用于较细、较深的混凝土内部或基础岩石的裂缝。施工步骤如下:① 钻灌浆孔;② 用开槽填法封住表面裂缝以防灌浆时浆液流失，封缝时每隔2m左右留有一个排气孔;③ 压水试验;④ 灌浆;⑤ 灌浆后用水泥砂浆或其它封缝砂浆封住灌浆孔。
(3)表面覆盖法
这种方法通过在混凝土表面覆盖防渗材料，达到封住混凝土的裂缝的目的。覆盖方法有4种:① 浇注沥青混凝土;② 喷射砂浆;③ 用现成的片材通过粘贴或压边锚固进行覆盖;④ 涂刷涂料。
3.2.2 提高混凝土抗碳化和抗腐蚀能力的措施
(1)提高混凝土的密实性，以减少有害介质进入混凝土内部的机会。如加强振捣;使用一些增加混凝土密实性的改性剂。
(2)用涂层覆盖混凝土表面，使之同外界有害介质隔绝。如涂刷热沥青。
(3)提高材料本身抗碳化和抗腐蚀的能力。如在混凝土中掺入粉煤灰。
(4)选择适当的水泥品种。
3.2.3 防止钢筋锈蚀的主要措施
(1) 加大保护层厚度，推迟混凝土碳化达到钢筋表面的时间，提高保护层钢筋锈蚀膨胀的抵抗力。
(2) 提高混凝土抗碳化能力。
(3)控制混凝土中抓盐的含量。一般不得用海水和海砂拌和混凝土。#p#分页标题#e#
(4) 在混凝土中使用钢筋防锈剂。
3.2.4 钢筋除锈补强
如果发现混凝土表面有顺筋裂缝，可以判断，钢筋已大面积生锈，再选点凿开混凝土保护层直接观察钢筋生锈情况。补强时先凿开混凝土保护层，用钢丝刷或砂布彻底除去铁锈，然后涂上防锈材料。根据钢筋生锈截面损失率的情况，在受力钢筋下加焊足够的受力钢筋，重新浇注保护层。
3.2.5 混凝土表面剥蚀的修补
剥蚀的修补就是在剥蚀面上重新粘贴上强度较高的材料。如果是悬移质冲磨破坏，修补用高强砂浆或高强混凝土即可。如环氧砂浆、丙乳砂浆、高强水泥石英砂浆、硅粉混凝土等。如果是推移质破坏，修补就要考虑使用更高强度的材料。如高强混凝土或高强钢筋混凝土、钢板、铸铁板等。修补施工时首先要把旧体混凝土上的酥松体和灰尘彻底清除干净。为了使修补材料和旧体混凝土结合牢固，根据情况可在处理过的旧体表面涂上粘结剂(如环氧基液)，或在旧体上打孔插上钢筋和钢轨，用这些钢筋和钢毓来锚固修补材料。修补如用混凝土，要注意早期湿养护。对空蚀破坏，除表面修补处理以外还要考虑其它防止空蚀的措施，如减慢过流速度，严控过流面平整度，设通气口等。对冻融破坏，修补材料的抗冻和抗渗标号要提高。为了达到这个目的，常在混凝土内加引气剂、减水剂并严控水灰比。
4 结语
随着我国水利水电建设规模的扩大和进一步发展,对水工混凝土结构耐久性重要性认识逐渐增强,然而,我国地域辽阔,环境条件复杂,虽经几十年的努力,但混凝土工程的冻耐久性问题仍未得到根本解决。但是,提高混凝土的耐久性是混凝土发展的必然趋势。耐久性研究需要宏观的定性描述和微观机理的定量分析,这是今后需要加强和深化的一项重要工作,有着广泛的理论与工程应用价值和重要的学术意义,该项目的研究和推广有着不可估量的经济效益和社会效益。
