塔里木灌區(qū)混凝土碳化問(wèn)題的思考

傅曉松 崔兆充 邱紅霞

(新疆兵團(tuán)農(nóng)一師勘測(cè)設(shè)計(jì)院 新疆阿克蘇 843000)

1 前言

塔里木河流域近期綜合治理項(xiàng)目的實(shí)施,給農(nóng)一師水利事業(yè)帶來(lái)了很好的機(jī)遇。“十五”、“十一五”期間,各墾區(qū)完成了數(shù)量較多的防滲渠道和渠道水工建筑物,為節(jié)水灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展提供了良好的條件。

但是,隨著大批水工建筑物的相繼建成和投入運(yùn)用,也逐漸地暴露出一些值得關(guān)注的問(wèn)題。其中以 “混凝土碳化”問(wèn)題最為突出。

2 水工建筑物的水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化破壞現(xiàn)狀

(1)五團(tuán)總干渠 1+270新老干渠分水閘(2000年建),鋼筋混凝土閘門(mén)頂梁碳化裂縫嚴(yán)重(裂縫寬 2～3mm),從外觀看已近于 “散架”。啟閉梁碳化深度 24mm。

(2)塔北一干渠 (1998年建),17+190閘,節(jié)制閘工作橋各個(gè)排架柱四面均出現(xiàn)大小不等的豎向裂縫,最大裂縫寬超過(guò) 2mm。

塔北二干渠幾乎所有的鋼筋混凝土閘門(mén)主梁,均出現(xiàn)不同程度的水平裂縫。

(3)塔北總干渠 15km閘 (2006年建),該閘建成僅兩年,實(shí)測(cè)工作橋混凝土的最大碳化深度17mm。

混凝土的碳化破壞,主要集中發(fā)生在水工建筑物的水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上。如交通橋、工作橋、檢修橋、排架柱、鋼筋混凝土閘門(mén)及欄桿等。使用10年以上的水工建筑物,上述部位由于混凝土碳化、鋼筋銹蝕,出現(xiàn)的裂縫隨處可見(jiàn)。混凝土保護(hù)層剝落的情況也屢見(jiàn)不鮮。

3 混凝土的碳化機(jī)理及其影響因素

3.1 混凝土碳化作用及其與鋼筋銹蝕的關(guān)系

混凝土的碳化是指空氣中的 CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中的 Ca(OH)2(液相)作用,生成CaCO3和 H2O的中性化過(guò)程。

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,由于鋼筋在高堿性環(huán)境中,鋼筋表面產(chǎn)生鈍化膜使鋼筋免遭銹蝕。混凝土中水泥水化作用生成的 Ca(OH)2含量大小決定混凝土 p H值高低。Ca(OH)2一方面是混凝土高堿度的提供者,但它卻又是混凝土中最不穩(wěn)定的成分之一,很容易與環(huán)境中的酸性介質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng),使混凝土碳化。混凝土碳化以后 pH值降低,鋼筋表面鈍化作用消失,鋼筋便開(kāi)始銹蝕。

在理想情況下,混凝土中的 p H值可以達(dá)到12.5～13,此時(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài),不會(huì)銹蝕。當(dāng)混凝土的 pH值大于 11.5時(shí),鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)。當(dāng)混凝土的 pH值在 9.88～11.5之間,鋼筋表面的鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài),鋼筋表面有可能發(fā)生銹蝕。當(dāng)混凝土的 p H值小于 9.88時(shí),鋼筋的鈍化作用完全消失,鋼筋便發(fā)生銹蝕。

混凝土的碳化問(wèn)題主要發(fā)生在水上部位,長(zhǎng)期處于水位以下的混凝土,一般不直接同空氣接觸,不存在碳化問(wèn)題。

3.2 影響混凝土碳化的因素

影響混凝土碳化的主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性物質(zhì)儲(chǔ)備的大小,即混凝土的滲透性和Ca(OH)2含量的大小。混凝土的空隙率越小,滲透性越低,密實(shí)性越高,Ca(OH)2含量越大,則混凝土的抗碳化性能越好。反之,則越差。

影響混凝土的密實(shí)性及其堿性?xún)?chǔ)備的因素比較復(fù)雜,具體說(shuō)有材料、環(huán)境和施工三大因素。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品種及其用量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、骨料級(jí)配、外加劑等。環(huán)境因素包括環(huán)境相對(duì)濕度、溫度、壓力以及 CO2氣體濃度等。施工因素包括混凝土攪拌、振搗質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件等。

3.2.1 水灰比的影響

由于混凝土水化作用所消耗的水量?jī)H占混凝土拌和用水量的 25%～30%左右,因此混凝土硬化后,多余的水分蒸發(fā)或殘留在混凝土中。所以混凝土實(shí)際上是一種多孔性的混合材料,其內(nèi)部往往存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡等缺陷。具有一定的透氣性。

因此,水灰比增大,會(huì)增加混凝土內(nèi)部的孔隙和毛細(xì)孔的含量,使混凝土的透氣性提高,CO2氣體在混凝土毛細(xì)孔的擴(kuò)散速度加快,加速混凝土的碳化過(guò)程。

3.2.2 水泥用量的影響

水泥用量較大時(shí),一方面混凝土的密實(shí)性比較高;另一方面混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2含量較大,混凝土抗碳化性能較好。水泥用量較小時(shí),混凝土密實(shí)性則相對(duì)較差,同時(shí)混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2含量也相對(duì)減少。

3.2.3 水泥品種的影響

試驗(yàn)資料表明,礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥拌制的混凝土,其碳化速度要比硅酸鹽水泥配制的混凝土碳化速度快。這是因?yàn)楣杷猁}水泥中CaO含量高,能生成較多的 Ca(OH)2,混凝土的堿性高。同時(shí) CO2氣體在硅酸鹽混凝土中的滲透速度相對(duì)較慢。因此,采用硅酸鹽水泥拌制的混凝土,具有較好的抗碳化性能。

3.2.4 空氣相對(duì)濕度的影響

混凝土的碳化與環(huán)境的相對(duì)濕度有重要關(guān)系。因?yàn)榛炷猎谔蓟^(guò)程中與 CO2發(fā)生反應(yīng)生成的水分要向外擴(kuò)散,以保持混凝土內(nèi)部與大氣之間的濕度平衡。在相對(duì)濕度接近 100%時(shí),混凝土中的空隙被冷凝水所充滿(mǎn),使 CO2氣體向混凝土內(nèi)滲透速度受阻,混凝土的碳化作用將停止。當(dāng)相對(duì)濕度小于 25%時(shí),雖然 CO2氣體向混凝土內(nèi)的擴(kuò)散滲透速度加快,但混凝土空隙中,沒(méi)有足夠的水,空氣中 CO2無(wú)法溶解于混凝土的毛細(xì)管水中,或者其溶解量很小,不能與堿性溶液發(fā)生反應(yīng),因此混凝土內(nèi)部的碳化反應(yīng)也無(wú)法進(jìn)行。有資料表明,在相對(duì)濕度 50%～70%的條件下,最有利于促使混凝土碳化。這就是為何我國(guó)內(nèi)陸相對(duì)于沿海潮濕地區(qū)混凝土碳化作用明顯的原因所在。

3.2.5 空氣中 CO2濃度的影響

空氣中 CO2氣體的濃度越高,混凝土的碳化速度越快,碳化深度越大。

3.2.6 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

一般混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高,混凝土就越密實(shí),CO2氣體在混凝土表層的擴(kuò)散滲入速度越慢,混凝土的碳化速度降低,抗碳化性能提高。有人認(rèn)為水灰比很小而且很密實(shí)的混凝土 (C50以上的混凝土),因碳化所引起的鋼筋銹蝕問(wèn)題可以忽略不計(jì)。

3.2.7 混凝土施工時(shí)振搗、養(yǎng)護(hù)的影響

混凝土在施工操作過(guò)程中振搗充分、養(yǎng)護(hù)良好,則混凝土硬化后密實(shí)度較高,混凝土的碳化速度就慢。若混凝土在施工過(guò)程中,振搗不充分,混凝土在硬化初期養(yǎng)護(hù)不良,混凝土中的水分蒸發(fā)過(guò)快,混凝土面層滲透性 (透氣性)增大,則混凝土的碳化加快。

3.2.8 混凝土中氯化鈉含量的影響

混凝土中含有氯化鈉,碳化速度會(huì)明顯加快,氯化鈉的含量越高,混凝土的碳化速度就越快。因此,在施工過(guò)程中,使用氯化物超標(biāo)的水拌制混凝土或者在混凝土中滲入含有氯化物的外加劑,都會(huì)加速混凝土的碳化。

3.3 混凝土碳化導(dǎo)致的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞

房屋建筑工程一般要進(jìn)行抹灰裝修,抹灰裝修層在鋼筋混凝土外圍形成保護(hù)層,對(duì)延緩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度有很好的作用。水利工程、橋梁工程就不同了,混凝土及鋼筋混凝土工程都不允許抹面,混凝土表面直接同水體或大氣接觸,因此,混凝土的碳化問(wèn)題比較突出。

混凝土碳化后,pH值降低,鈍化作用消失,鋼筋便開(kāi)始銹蝕。鐵銹體積膨脹 (一般增長(zhǎng) 2～4倍),使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落,鋼筋外露。

鐵銹的生成既削減了受力鋼筋的截面,同時(shí)又破壞了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié),使鋼筋與混凝土協(xié)同受力的能力降低,最終會(huì)造成結(jié)構(gòu)性破壞。

阿克蘇河新開(kāi)嶺老大橋混凝土 T梁的老化破壞就是一個(gè)明顯的例證。

4 該區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化破壞的主要影響因素

4.1 環(huán)境的相對(duì)濕度有利于混凝土碳化

農(nóng)一師各墾區(qū)位于塔克拉瑪干大沙漠北緣,屬于暖溫帶極端干旱的氣候類(lèi)型,空氣相對(duì)濕度較低,基本不超過(guò) 50%。

例如:塔里木灌區(qū)年均相對(duì)濕度 40%左右,而水工建筑物在河道、渠系等水環(huán)境影響下,周?chē)諝獾南鄬?duì)濕度多在 50%～75%之間,在這樣的空氣濕度下混凝土碳化作用非常活躍。

4.2 混凝土密實(shí)度較低

農(nóng)一師水利工程混凝土密實(shí)度偏低的原因,有設(shè)計(jì)、施工等多方面的因素。

(1)混凝土配合比方面。目前,通常都是在確定混凝土粗、細(xì)骨料場(chǎng)和水泥品種后,委托有資質(zhì)的單位通過(guò)試驗(yàn)提供施工使用的混凝土配合比。混凝土配合比試驗(yàn)主要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)單位提供的混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍融三大指標(biāo),但對(duì)如何提高混凝土的密實(shí)度和抗碳化性能,怎樣延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命等問(wèn)題,則考慮甚少。

因此,除了高標(biāo)號(hào)混凝土 (例如 C40、C50以上)以外,一般混凝土的水泥用量都不大,這是混凝土密實(shí)度不足的主要原因之一。同時(shí)水泥用量不大,又會(huì)使混凝土中的 Ca(OH)2含量相對(duì)較小,混凝土的堿性?xún)?chǔ)備不足,混凝土抗碳化性能也較差。

(2)混凝土水灰比偏大。在施工過(guò)程中,拌制混凝土?xí)r加水量控制不嚴(yán)。實(shí)際水灰比往往大于設(shè)計(jì)配合比。特別是為了搶工期,有些施工單位,往往通過(guò)增加混凝土的拌和水量,來(lái)加大混凝土坍落度,來(lái)達(dá)到加快施工速度的目的,結(jié)果使混凝土的密實(shí)度降低。

(3)混凝土配料不準(zhǔn)確。目前農(nóng)一師在中、小水利工程施工時(shí),多數(shù)仍采用人工過(guò)秤配料。特別是混凝土防滲渠道施工,由于點(diǎn)多、線長(zhǎng),施工監(jiān)督不易全面到位,工人配料不認(rèn)真,砂子、石子配入量有時(shí)高于規(guī)定配合比,也使混凝土的密實(shí)度下降。

(4)混凝土施工振搗不夠密實(shí),使混凝土內(nèi)部氣孔增多。

(5)模板漏漿,混凝土施工振搗過(guò)程中部分灰漿流失,使表層 (特別是鋼筋保護(hù)層)混凝土的水泥含量減少,混凝土密實(shí)度下降,滲透性(透氣性)增大。其結(jié)果會(huì)大大加快混凝土保護(hù)層的碳化速度,帶來(lái)很大的危害性。

4.3 混凝土施工初期養(yǎng)護(hù)差

從目前水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看,混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間短,養(yǎng)護(hù)質(zhì)量差,具有普遍性。

該區(qū)氣候十分干旱,混凝土面層的水分蒸發(fā)很快,混凝土養(yǎng)護(hù)不良,便導(dǎo)致混凝土表層滲透性增大,會(huì)加速鋼筋保護(hù)層的碳化。

根據(jù)以上論述,由于混凝土的水泥用量偏低,在施工過(guò)程中,水灰比偏大、配料不準(zhǔn)確、混凝土振搗不夠密實(shí)、模板漏漿、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量差等多方面的原因造成混凝土密實(shí)度差,品質(zhì)不良。特別是表層混凝土氣孔多、密實(shí)度更低,使鋼筋保護(hù)層混凝土的抗碳化性能十分脆弱。鋼筋很快開(kāi)始銹蝕。使水上部位的鋼筋混凝土構(gòu)件的使用壽命大大縮短。根據(jù)近期水閘安全鑒定調(diào)查,近幾年修建的水工建筑物,混凝土碳化速度有加快的趨勢(shì),這可能同施工質(zhì)量有關(guān)。

4.4 關(guān)于引氣劑的使用

塔北總干渠15km閘 (即多浪水庫(kù)進(jìn)庫(kù)分水閘)2006年建成,當(dāng)年冬灌投入運(yùn)行,經(jīng) 2008年 10月檢測(cè),工作橋混凝土的最大碳化深度已經(jīng)達(dá)到17mm,比已運(yùn)用 37年的塔里木攔河閘實(shí)測(cè)混凝土的最大碳化深度 (18mm)只差 1mm。該閘水上部位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),均用引氣型減水劑。設(shè)計(jì)抗凍標(biāo)號(hào) F200,混凝土的含氣量一般在 4.5%～6%。

因混凝土是一種多孔性的混合材料,內(nèi)部存在許多大小不同的毛細(xì)管、空隙、氣泡等缺陷,所以混凝土本身具有一定的透氣性。塔北總干渠 15km閘的水上部位鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度加快的主要原因,初步判斷很有可能是在該區(qū)極端干旱的氣候條件下,混凝土摻入引氣劑以后,由引氣劑所產(chǎn)生的許多微小氣孔,反過(guò)來(lái)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管、空隙、氣泡等缺陷擴(kuò)大化,使混凝土的透氣性 (滲透性)增大,碳化速度更快。

根據(jù)上游水庫(kù)放水閘 (1961年建),勝利渠一級(jí)電站 (1963年建),塔里木攔河閘 (1972年建)幾座年代較久的水工建筑物運(yùn)行情況來(lái)看,該區(qū)混凝土凍融破壞現(xiàn)象很少見(jiàn)。

例如:塔里木攔河閘上下游護(hù)坡的漿砌混凝土六棱塊為 C15細(xì)砂混凝土,迄今已運(yùn)行 37年,尚未發(fā)現(xiàn)凍融破壞跡象。攔河閘閘墩 C15混凝土,冬季水位變動(dòng)部位基本完好。可見(jiàn)混凝土的凍融破壞,并不是影響該區(qū)水工建筑物混凝土耐久性的主要問(wèn)題。因此,盲目提高混凝土的抗凍標(biāo)號(hào),對(duì)該區(qū)來(lái)說(shuō),沒(méi)有多大的實(shí)際作用,甚至是有害的。

5 幾點(diǎn)措施

要延緩鋼筋混凝土的碳化速度,首先要提高混凝土的密度,降低混凝土的滲透性。根據(jù)農(nóng)一師現(xiàn)有條件,提出下列建議性措施。

(1)水工建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),一律不允許摻用引氣劑。

(2)對(duì)水上部位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),加大水泥用量,提高混凝土密實(shí)度和抗碳化性能。

1)交通橋、工作橋、排架柱、檢修橋、人行橋及混凝土欄桿等,每方混凝土最小水泥用量不得少于 350kg。

2)鋼筋混凝土閘門(mén),每方混凝土的最小水泥用量不得少于 400kg。

(3)減少混凝土水灰比,水位以上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物 (含鋼筋混凝土閘門(mén))的水灰比,不得大于 0.45。在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制混凝土的水灰比。建議在上述部位的鋼筋混凝土中摻用高效減水劑,以便在充分降低水灰比的情況下,使混凝土仍保持較好的施工坍落度以及和易性。

(4)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,在施工過(guò)程中,抓好:①混凝土配料準(zhǔn)確;②拌和均勻;③振搗密實(shí);④防止模板漏漿;⑤防止鋼筋骨架偏移,保證鋼筋保護(hù)層厚度等主要環(huán)節(jié)。

(5)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。對(duì)水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),強(qiáng)制性加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。可以采取不拆模養(yǎng)護(hù)或地膜包扎、微噴、混凝土表面噴養(yǎng)護(hù)劑等辦法,來(lái)確保混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于 21d。

(6)適當(dāng)加大鋼筋混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度。

(7)可以嘗試在水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面涂刷聚合物。例如,在鋼筋混凝土閘門(mén)表面刷一層環(huán)氧基液,對(duì)延緩混凝土碳化都會(huì)有很好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)一師已有水工建筑物中的水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土碳化破壞現(xiàn)象十分普遍。不僅使工程安全使用年限縮短,同時(shí)也加大了工程維修費(fèi)用和管理單位經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。農(nóng)一師各墾區(qū)大、中、小水工建筑物數(shù)量繁多,長(zhǎng)此下去,不堪重負(fù)。因此,加強(qiáng)對(duì)水工建筑物耐久性的研究是擺在水利工作者面前的一個(gè)重要課題。

1 龔洛書(shū),等.混凝土的耐久性及其防護(hù)修補(bǔ) [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1990.

2 魏艷芳,王天穩(wěn) .裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響[M].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2004,(6).

3 王博.混凝土碳化機(jī)理及其影響因素 [M].水利水電技術(shù),1995,(11).