水工結構混凝土老化的檢測與評估

張青松 崔德密 呂列民 張今陽

（安徽省·水利部淮河委員會水利科學研究院 蚌埠 233000）

水工結構混凝土老化的檢測與評估

張青松 崔德密 呂列民 張今陽

（安徽省·水利部淮河委員會水利科學研究院 蚌埠 233000）

水工混凝土老化評價體系包括工程環境調查、混凝土外觀檢查及現場試驗、混凝土劣化機理研究及耐久性試驗和混凝土結構的耐久性評估。被鑒定的排澇閘混凝土結構劣化主要問題在于混凝土中鋼筋的銹脹引起的裂縫，由于裂縫的存在加速了劣化過程，使得工作橋梁及交通橋梁處于工作的危險狀態。由此需要對交通橋板進行更換，對工作橋梁進行修補、加固及防護。

水工混凝土 老化 混凝土裂縫 檢測與評價

實踐經驗表明，水工建筑物常常無法達到設計使用年限，對于鋼筋混凝土結構，由于材料失效而需要對結構進行修復和更新的投入日益增大。據估算，對已建水工鋼筋混凝土建筑物因為混凝土劣化進行后期處理所需資金占前期投入的0.4～0.6倍，甚至有部分工程未達設計使用年限即拆除重建。有調查表明，處于嚴酷環境下的建筑物的使用壽命僅15～20年，橋梁、港口等基礎設施工程尤其嚴重，許多工程建成后幾年就出現鋼筋銹蝕、混凝土開裂情況。有專家指出，我國基礎設施工程建設的高潮還在延續，由于忽視耐久性問題，迎接我們的還會有大修的高潮，其耗費將倍增于工程建設時的投資，而原因卻往往是由于混凝土耐久性不足引起的。混凝土耐久性定義為混凝土對大氣侵蝕、化學侵蝕、磨耗或任何其他劣化過程的抵抗能力，受外界因素的影響，材料的微觀結構和性能隨時間而變化，在特定的使用條件下，如果材料的性能呈現出一定程度的劣化，以致繼續使用將不安全或不經濟，則可以認為該材料的服役壽命已經結束。

1 混凝土老化評價

1.1 水工混凝土老化評價體系內容

1.1 .1 工程環境調查

結構物所處的環境條件是影響結構耐久性的重要因素之一。由于工程所處環境不同，在對水工混凝土劣化情況進行檢測與評價時，必須對工程所處的環境進行詳細調查，初步分析可能造成混凝土耐久性侵蝕的各種不利因素，調查內容包括空氣質量、水質情況、凍融條件及使用狀況等。

1.1 .2 混凝土外觀檢查及現場試驗

外觀檢查和現場試驗是檢驗混凝土質量和評價其耐久性的最直觀有效的手段。外觀檢查主要是對混凝土的裂縫開展情況、腐蝕狀態、特征、部位等進行詳細描述；現場試驗的項目包括混凝土強度檢測、混凝土保護層厚度和碳化深度測試、裂縫檢測與分析及混凝土化學成分變化、水質和生物分析等。

1.1 .3 混凝土劣化機理研究及耐久性試驗

根據工程環境調查及現場試驗結果，選擇其中的若干主要因素（如混凝土碳化、氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕等），分析混凝土耐久性的劣化主因，模擬現場環境，研究多因素作用下混凝土耐久性劣化規律。

1.1 .4 混凝土結構的耐久性評估

混凝土結構的耐久性損傷，如鋼筋銹脹截面損失、混凝土裂縫、混凝土表面磨損剝落等，對構件本身以及整體結構安全都有一定的影響。目前，已有一些較成熟的混凝土結構耐久性評估模型，其中較為值得關注的是混凝土劣化整體模型。

1.1 .5 提高混凝土結構耐久性的技術措施

在研究混凝土結構耐久性損傷和劣化機理的同時，有必要從改進設計、加強施工管理和防止繼續劣化等方面探求提高混凝土結構耐久性的技術措施。

2 工程實例

2.1 工程概況

某排澇灌溉閘于1969年12月建成并投入使用，排澇流量8000m3/s，設計標準為5年一遇。該閘共7孔，每孔凈寬3m，凈高6m，開敞式結構，上、下游連接段及閘室段全長63m，閘底板高程29.0m，順水流方向長9.5m，閘門采用鋼筋混凝土板梁式結構，閘墩為鋼筋混凝土結構，啟閉臺墩為磚砌結構，啟閉機梁為鋼筋混凝土預制梁，下游側設現澆鋼筋混凝土板式公路橋，橋面總寬5m，上下游連接段翼墻及護坡均為砌磚結構。

2.2 外觀質量檢查

現場檢查發現以下一些特征：水上部分結構配筋構件存在較多的鋼筋銹蝕外露，主要是因混凝土碳化超過保護層引起鋼筋銹蝕，表面混凝土起殼剝落后引起露筋，其中啟閉機梁鋼筋外露銹蝕較嚴重，局部主筋銹蝕截面損失率達到20%，嚴重影響橋面結構的安全；混凝土蜂窩和孔洞，混凝土在澆筑時未充分振搗引起；混凝土邊墩表面有少數滲水裂縫，并有析鈣現象；長期處于水下的混凝土表層水生物覆蓋較嚴重，混凝土表面呈深色或者黑色；沒有發現明顯的硫酸鹽侵蝕形成的結構混凝土的疏松、滲水等；閘門止水等橡膠件經過更換，目前止水效果一般。混凝土沉降縫中瀝青老化脫落嚴重。

2.3 現場檢測及結果

現場采用鉆芯法對混凝土強度、混凝土保護層厚度及碳化深度進行檢測，檢測結果如表1。為了解不同混凝土部位的強度、碳化及內部鋼筋銹蝕情況，選取常態為干燥及潮濕的混凝土進行測試。同時對鉆取的混凝土試樣進行氯離子含量快速測定，經過換算后知混凝土中氯離子含量占膠凝材料總量的0.015%，滿足規范要求。

從測試結果看，工作橋梁及交通橋板混凝土強度低于設計要求，分析認為是由于施工時混凝土配合比控制不當所致。結合外觀質量檢查及混凝土保護層及碳化深度測試表明，工作橋梁及交通橋板劣化的主要問題為混凝土保護層不滿足設計要求，混凝土內部鋼筋銹蝕引起裂縫，從而加速了整體劣化。

2.4 混凝土化學成分分析

混凝土處于空氣中會與空氣中的CO2與水結合，發生化學反應，即混凝土的碳化，生成的主要產物是CaCO3。這個反應過程由表及里，或由混凝土不密實區侵入，使得混凝土中CaCO3含量產生變化。采用多晶X射線衍射分析方法對混凝土的化學成分進行分析，根據測試結果可得到以下結論：①各試樣含量最多的是SiO2，其主要來源于骨料（石英砂）；②CaCO3是混凝土碳化的主要產物，CaCO3含量沿混凝土深度方向呈明顯下降的趨勢，表面碳化層以下混凝土的碳酸鈣含量逐漸減小至接近0；③表層混凝土中基本沒有水泥凝膠產物，表明表層混凝土在碳化、侵蝕的作用下已喪失了水泥石的強度、密實性等性質；④在深層混凝土試樣中存在二水石膏和鈣釩石，在混凝土的深層部位發現這兩種化學成分，表明在混凝土深層部位尚未被外界條件所侵蝕破壞。

2.5 混凝土腐蝕原因

混凝土的腐蝕原因可分為物理作用和化學作用兩大類。物理作用主要包括磨耗、剝蝕和氣蝕作用造成的混凝土表面磨損和物質損失，正常溫度和濕度梯度、鹽類在孔中的結晶壓力、結構荷載以及結構暴露于急劇變化的溫度中（如結冰或火災）引起的開裂等。化學作用主要包括水泥漿體組成成分被軟水水解，侵蝕性液體和水泥漿體間陽離子交換反應，導致膨脹性產物的反應，如硫酸鹽侵蝕產生膨脹、堿-骨料反應產生的膨脹和鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕。混凝土損壞的物理作用和化學作用是互相促進、彼此重疊的。

表1 混凝土強度、保護層及混凝土碳化深度測試結果

該工程建成投入使用已近四十年，混凝土結構劣化主要問題在于混凝土中鋼筋的銹脹引起的裂縫，由于裂縫的存在加速了劣化過程，使得工作橋梁及交通橋梁處于工作的危險狀態，對于交通橋梁應立即進行封閉管制，防止安全事故的發生。混凝土強度及碳化深度測試結果表明，局部混凝土強度低于設計要求，需重新進行復核計算，并采取相應的措施進行補強加固處理。

3 混凝土劣化主要問題及處理方案

綜合以上，對造成結構混凝土劣化的原因為混凝土保護層厚度偏薄，結構構件受力鋼筋銹蝕，鋼筋截面損失較大，承載力不足等。為確保工程安全使用，建議對交通橋板進行更換，對工作橋梁進行修補、加固及防護，方法如下：鑿除破損拱肋深50mm增補鋼筋，噴砂除銹至鋼筋原色或除去老混凝土面層2～3mm，在修補處噴涂聚合物防碳化砂漿薄層，噴射提高一個強度等級的普通砂漿至修補處，在所有混凝土表面噴涂4～5mm厚防碳化砂漿澆水養護，如有必要，外表面以碳纖維進行加固。

4 結語

對投入使用多年工程的混凝土結構的評價是保證工程長期安全運行的必要程序。本文有步驟地對結構混凝土劣化進行檢測與分析評價，對混凝土的工作狀態進行劃分，抓住主要劣化原因，并提出相應措施，以確保工程運行使用安全，對混凝土結構構件有針對性地進行加固及防碳化處理。水工混凝土老化評價體系的研究尚屬初級階段，許多關鍵問題，如多種因素共同作用的混凝土耐久性試驗方法，混凝土耐久性的理論評估模型、評價標準等，需在以后的研究和工程實踐中不斷補充、完善

（專欄編輯：張 婷）