巖土水工混凝土的碳化凍融破壞及防治分析
發布時間：2010-01-14 共1頁
１前言
水工建筑物多以混凝土結構組成，而這些混凝土結構多處在氣候惡劣的環境中，受泥沙、水流、物理、化學、氣溫等影響因素頗多。混凝土的破壞以碳化、凍融破壞為常見，致使許多水工建筑物的運行壽命為縮短，造成極浪費。如吉林省豐滿水電站，壩某處水平施工縫張口寬達1cm以上；又如唐海縣雙九河嘴東擋潮閘始建于1976年，到1986年許多混凝土構件已產生很多裂縫，鋼筋裸露；還有我省寶雞峽灌區混凝土渠道某些渠道某些區段也發生嚴重凍融破壞等等，所以有必要進一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機理及防治措施。
２混凝土碳化、凍融破壞機理分析
２．１混凝土的碳化
混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕。空氣中ＣＯ２氣滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過程中生成量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。
２．２混凝土的凍融
混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質，不僅在嚴寒地區混凝土建筑物有抗凍的要求，溫熱地區混凝土建筑物同樣會遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經歷時間長久會發生表層削落，結構疏松等破壞現象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫等，都發生過不同程度的凍融破壞。所以對混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對混凝土凍融破壞的機理，目前的認識尚不完全一致，按照公認程度較高的，由美國學者T．C．Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發生物態變化，由水轉變成冰，體積膨脹９％，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；其二是當毛細孔水結成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
另外凝膠不斷增，形成更膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構，只有當經過反復多次的凍融循環以后，損傷逐步積累不斷擴，發展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態是混凝土發生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復發生凍融循環，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
３混凝土碳化、凍融破壞影響及防治
３．１混凝土碳化影響因素及防治
３．１．１混凝土碳化影響因素
影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影響較的是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同；其次，影響混凝土碳化主要還與周圍介質中ＣＯ2的濃度高低及濕度小有關，在干燥和飽和水條件下，碳化反應幾乎終止，所以這是除水泥品種影響因素以外的一個非常重要的原因；再次，在滲透水經過的混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物質，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋時，石灰的溶解度就會增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2對抵抗溶出侵蝕則十分有利。因為它們在混凝土表面形成一種碳化保護層；另外，混凝土的滲透系數、透水量、混凝土的過度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結構尺寸、水壓力及養護方法與混凝土的碳化都有密切的關系。
３．１．２混凝土碳化破壞的防治
對于混凝土的碳化破壞，我們在施工中總結出了一系列治理措施：一是，在施工中應根據建筑物所處的地理位置、周圍環境，選擇合適的水泥品種；對于水位變化區以及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區選用抗硫酸鹽普通水泥；沖刷部位宜選高強度水泥；二是，分析骨料的性質，如抗酸性骨料與水、水泥的作用對混凝土的碳化有一定的延緩作用；三是，要選好配合比，適量的外加劑，高質量的原材料，科學的攪拌和運輸，及時的養護等各項嚴格的工藝手段，以減少滲流水量和其它有害物的侵蝕，以確保混凝土的密實性；另外，若建筑物地處環境惡劣的地區，宜采取環氧基液涂層保護效果較好，對建筑物地下部分在其周圍設置保護層；用各種溶注液浸注混凝土，如：用溶化的瀝青涂抹。還有，若建筑物一旦發生了混凝土碳化，最好采用環氧材料修補，若碳化深度較，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進入的有害物質，將混凝土銜接面鑿毛，用環氧砂漿或細石混凝土填補，最后以環氧基液做涂基保護。
３．２混凝土凍融破壞影響因素及防治
３．２．１混凝土凍融破壞影響因素
混凝土凍融破壞的影響因素是多方面的。一是組成混凝土的主要材料性質的影響，如；水泥的品種、水泥中不同礦物成份對混凝土的耐久性影響較，又如骨料的影響，除了骨料本身的質量對混凝土的抗凍性的影響以外，骨料的滲透性和吸濕性對混凝土的抗凍性也有決定性的作用，由于濕度和強度的變化，會產生含針狀物巖石體積的變化，這將會損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面，同時骨料的化學性能對混凝土的耐久性也將產生一定的影響；二是外加劑的影響，在混凝土施工過程中摻入引氣劑或減水劑對改善混凝土的內部結構，改善混凝土的內部孔隙結構可起到緩沖凍脹的作用，降低凍脹應力，提高混凝土的抗凍性；三是施工工藝影響，配合比、混凝土的施工、硬化條件等都與混凝土的耐久性有密切的關系，同時混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個重要因素。此外混凝土的表面、邊角和工作縫部位處于最不利的工作條件，所以混凝土模板種類、性質和表面加工情況以及工作縫的處理對混凝土的耐久性也有很的影響；四是防止受水位變化影響，寒冷季節水位變化會引起混凝土的嚴重凍融破壞需采取有力措施防止；五是嚴格控制施工質量，混凝土施工質量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質量關，不允許出現蜂窩、麻面，力求密實，表面光滑。
３．２．２混凝土凍融破壞的防治
對于混凝土凍融破壞的防治，結合我們的施工實踐，總結出了如下幾點：
（１）預防措施。一是在混凝土施工中應根據不同情況選擇含有不同礦物成份和不同性能的水泥、骨料和外加劑，從材料方面確保混凝土的耐久性；二是嚴格混凝土制作配合比，一定要根據結構類型和所處的環境條件，試驗確定關鍵參數，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分僅為其重量的２５％左右，若水量增加，多余的水就游離析出，產出孔隙，飽和后易受凍脹破壞；另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性最有效的途徑之一；三是人為地優化建筑物混凝土構件周圍的環境條件，以減少或改善致使混凝土凍融的各種不利因素。
（２）治理措施。①水泥砂漿修補，適用于輕微的表層破壞；②預縮砂漿修補，所謂預縮砂漿是指經拌和好之后再歸堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂漿，此種方法適高速水流區混凝土表面的損壞；③噴漿修補，多用于混凝土凍融破壞化較嚴重的部位；噴混凝土修補，是指經施高壓將混凝土拌料以高速運動注入被修補的部位，其密度及抗滲性較一般混凝土好，且具有快速，高效的特點；④環氧材料修補，一般有環氧基液、環氧砂漿和環氧混凝土等，這種材料具有較高的強度和抗蝕、抗滲能力，并與混凝土結合力較強，但價格較貴，施工工藝復雜，材料配比嚴格，此法可與其它修補方法配合使用，效果更佳；總之我們應當根據水工建筑物所處的環境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補方法，才能獲得較好的效果。
４結語
本文簡要概括了水工建筑物混凝土碳化、凍融破壞及其防治的主要措施，我們的原則應該是防重于治，首先應根據混凝土所處的環境，合理進行配合比設計（水泥品種的選擇、Ｗ燉Ｃ的限制、外加劑的選用等等）；其次是嚴把施工質量關，加強工程運行中科學管理，發現碳化，凍融破壞及時采取防范保護和修補措施，以達到或延長工程的使用壽命。
水工建筑物多以混凝土結構組成，而這些混凝土結構多處在氣候惡劣的環境中，受泥沙、水流、物理、化學、氣溫等影響因素頗多。混凝土的破壞以碳化、凍融破壞為常見，致使許多水工建筑物的運行壽命為縮短，造成極浪費。如吉林省豐滿水電站，壩某處水平施工縫張口寬達1cm以上；又如唐海縣雙九河嘴東擋潮閘始建于1976年，到1986年許多混凝土構件已產生很多裂縫，鋼筋裸露；還有我省寶雞峽灌區混凝土渠道某些渠道某些區段也發生嚴重凍融破壞等等，所以有必要進一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機理及防治措施。
２混凝土碳化、凍融破壞機理分析
２．１混凝土的碳化
混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕。空氣中ＣＯ２氣滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過程中生成量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。
２．２混凝土的凍融
混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質，不僅在嚴寒地區混凝土建筑物有抗凍的要求，溫熱地區混凝土建筑物同樣會遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經歷時間長久會發生表層削落，結構疏松等破壞現象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫等，都發生過不同程度的凍融破壞。所以對混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對混凝土凍融破壞的機理，目前的認識尚不完全一致，按照公認程度較高的，由美國學者T．C．Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發生物態變化，由水轉變成冰，體積膨脹９％，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；其二是當毛細孔水結成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
另外凝膠不斷增，形成更膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構，只有當經過反復多次的凍融循環以后，損傷逐步積累不斷擴，發展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態是混凝土發生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復發生凍融循環，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
３混凝土碳化、凍融破壞影響及防治
３．１混凝土碳化影響因素及防治
３．１．１混凝土碳化影響因素
影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影響較的是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同；其次，影響混凝土碳化主要還與周圍介質中ＣＯ2的濃度高低及濕度小有關，在干燥和飽和水條件下，碳化反應幾乎終止，所以這是除水泥品種影響因素以外的一個非常重要的原因；再次，在滲透水經過的混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物質，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋時，石灰的溶解度就會增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2對抵抗溶出侵蝕則十分有利。因為它們在混凝土表面形成一種碳化保護層；另外，混凝土的滲透系數、透水量、混凝土的過度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結構尺寸、水壓力及養護方法與混凝土的碳化都有密切的關系。
３．１．２混凝土碳化破壞的防治
對于混凝土的碳化破壞，我們在施工中總結出了一系列治理措施：一是，在施工中應根據建筑物所處的地理位置、周圍環境，選擇合適的水泥品種；對于水位變化區以及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區選用抗硫酸鹽普通水泥；沖刷部位宜選高強度水泥；二是，分析骨料的性質，如抗酸性骨料與水、水泥的作用對混凝土的碳化有一定的延緩作用；三是，要選好配合比，適量的外加劑，高質量的原材料，科學的攪拌和運輸，及時的養護等各項嚴格的工藝手段，以減少滲流水量和其它有害物的侵蝕，以確保混凝土的密實性；另外，若建筑物地處環境惡劣的地區，宜采取環氧基液涂層保護效果較好，對建筑物地下部分在其周圍設置保護層；用各種溶注液浸注混凝土，如：用溶化的瀝青涂抹。還有，若建筑物一旦發生了混凝土碳化，最好采用環氧材料修補，若碳化深度較，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進入的有害物質，將混凝土銜接面鑿毛，用環氧砂漿或細石混凝土填補，最后以環氧基液做涂基保護。
３．２混凝土凍融破壞影響因素及防治
３．２．１混凝土凍融破壞影響因素
混凝土凍融破壞的影響因素是多方面的。一是組成混凝土的主要材料性質的影響，如；水泥的品種、水泥中不同礦物成份對混凝土的耐久性影響較，又如骨料的影響，除了骨料本身的質量對混凝土的抗凍性的影響以外，骨料的滲透性和吸濕性對混凝土的抗凍性也有決定性的作用，由于濕度和強度的變化，會產生含針狀物巖石體積的變化，這將會損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面，同時骨料的化學性能對混凝土的耐久性也將產生一定的影響；二是外加劑的影響，在混凝土施工過程中摻入引氣劑或減水劑對改善混凝土的內部結構，改善混凝土的內部孔隙結構可起到緩沖凍脹的作用，降低凍脹應力，提高混凝土的抗凍性；三是施工工藝影響，配合比、混凝土的施工、硬化條件等都與混凝土的耐久性有密切的關系，同時混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個重要因素。此外混凝土的表面、邊角和工作縫部位處于最不利的工作條件，所以混凝土模板種類、性質和表面加工情況以及工作縫的處理對混凝土的耐久性也有很的影響；四是防止受水位變化影響，寒冷季節水位變化會引起混凝土的嚴重凍融破壞需采取有力措施防止；五是嚴格控制施工質量，混凝土施工質量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質量關，不允許出現蜂窩、麻面，力求密實，表面光滑。
３．２．２混凝土凍融破壞的防治
對于混凝土凍融破壞的防治，結合我們的施工實踐，總結出了如下幾點：
（１）預防措施。一是在混凝土施工中應根據不同情況選擇含有不同礦物成份和不同性能的水泥、骨料和外加劑，從材料方面確保混凝土的耐久性；二是嚴格混凝土制作配合比，一定要根據結構類型和所處的環境條件，試驗確定關鍵參數，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分僅為其重量的２５％左右，若水量增加，多余的水就游離析出，產出孔隙，飽和后易受凍脹破壞；另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性最有效的途徑之一；三是人為地優化建筑物混凝土構件周圍的環境條件，以減少或改善致使混凝土凍融的各種不利因素。
（２）治理措施。①水泥砂漿修補，適用于輕微的表層破壞；②預縮砂漿修補，所謂預縮砂漿是指經拌和好之后再歸堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂漿，此種方法適高速水流區混凝土表面的損壞；③噴漿修補，多用于混凝土凍融破壞化較嚴重的部位；噴混凝土修補，是指經施高壓將混凝土拌料以高速運動注入被修補的部位，其密度及抗滲性較一般混凝土好，且具有快速，高效的特點；④環氧材料修補，一般有環氧基液、環氧砂漿和環氧混凝土等，這種材料具有較高的強度和抗蝕、抗滲能力，并與混凝土結合力較強，但價格較貴，施工工藝復雜，材料配比嚴格，此法可與其它修補方法配合使用，效果更佳；總之我們應當根據水工建筑物所處的環境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補方法，才能獲得較好的效果。
４結語
本文簡要概括了水工建筑物混凝土碳化、凍融破壞及其防治的主要措施，我們的原則應該是防重于治，首先應根據混凝土所處的環境，合理進行配合比設計（水泥品種的選擇、Ｗ燉Ｃ的限制、外加劑的選用等等）；其次是嚴把施工質量關，加強工程運行中科學管理，發現碳化，凍融破壞及時采取防范保護和修補措施，以達到或延長工程的使用壽命。
