獻縣樞紐水工建筑物混凝土碳化分析

賈海鷹

前言

獻縣樞紐始建于1966年，1967年完工，在經歷“96·8”洪水后，工程于2000年進行了改建。2000年9月獻縣樞紐除險加固工程開工建設，2002年12月工程竣工驗收。工程等別為 Ⅱ等，工程規模為大（2）型。樞紐是子牙河系重要的防洪樞紐工程，位于獻縣縣城西北，在子牙河和子牙新河的進口處，上承滹沱河、滏陽河、滏陽新河來水，使洪水主要由子牙新河下泄，控制子牙河不再擔負主要的泄洪任務，只作為供水、排水及相機泄洪的河道。它利用進洪閘和節制閘調節控制子牙新河和子牙河泄量，從而實現通過子牙河供水興利和相機泄洪的作用。是獻縣泛區泄洪的重要工程，也是子牙河系三大樞紐工程之一。

1. 基本情況

獻縣樞紐經過40多年的運行，隨著運行年限的增長，混凝土建筑物部位普遍出現老化現象，主要表現在混凝土的碳化和內部鋼筋銹蝕。樞紐機架橋部位多出出現長度超過25cm的開裂，形成順筋裂縫，有些部位出現3~5mm的鼓起甚至有銹水滲出。進洪閘公路橋及橋墩、機架橋及橋墩、閘底部位混凝土出現面積大于0.015m2疏松甚至剝落，造成部分鋼筋裸露在混凝土外面，銹蝕程度比較嚴重。閘墩底部及閘底水位變化區混凝土結構碳化深度普遍較深，一般為20～60mm，最大甚至超過90mm，遠均超過鋼筋保護層厚度，結構鋼筋普遍銹蝕。特別是混凝土結構變形縫部分碳化現象更為明顯，混凝土表面出現疏松剝落、裂縫鼓起，甚至有銹水滲出。這些現象降低了獻縣樞紐運行的安全度。

2. 混凝土碳化概念及危害

2.1 混凝土碳化概念

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕，又稱為混凝土的中性化，是指混凝土中原呈堿性的氫氧化鈣，在空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組織和性能發生變化，逐漸變成呈中性的碳酸鈣的過程，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過程中。 是造成混凝土使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程，其化學反應為：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。混凝土碳化本身對混凝土并無破壞使用，其主要危害是由于混凝土碳化后，堿性降低使鋼筋表面在高堿環境下形成的對鋼筋起保護作用的致密氧化膜Fe2O3和Fe3O4(鈍化膜)遭到破壞，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，加快了混凝土中鋼筋銹蝕，同時，混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。

2.2混凝土碳化危害

混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，混凝土碳化碳化后使內部的堿度降低，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。同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。當鋼筋銹蝕后，銹蝕產生的體積比原來膨脹2~4倍，從而對周圍混凝土產生膨脹應力，銹蝕越嚴重，鐵銹越多，膨脹力越大，最后導致混凝土開裂形成順筋裂縫。裂縫的產生使水和CO2得以順利的進入混凝土內，從而又加速了碳化和鋼筋的銹蝕。

3.混凝土碳化影響因素

水工建筑物混凝土碳化的影響因素較多，既有水泥及骨料品種、水泥用量、水灰比、施工質量、養護質量等內在因素，也有周圍介質的濃度高低及濕度大小、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結構尺寸、水壓力及養護方法等外界因素。這里主要是探討周邊環境等外界因素對樞紐混凝土碳化的影響。

3．1 酸性介質

酸性水體、氣體（如CO2）滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，與混凝土中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發生中和反應，導致混凝土逐漸變質，混凝土的堿度降低，這是引起混凝土碳化的直接原因。由于近年來上游服裝、化工、電鍍等工業產生的大量工業污水排入滹沱河、滏陽河、滏陽新河中，水體嚴重污染，造成水體常年呈酸性PH＜6，且水體中含有大量的氯離子（CL-），這些廢水匯集到樞紐上游，加速了混凝土的碳化。特別是浸水部位閘墩底部混凝土中鋼筋銹蝕情況尤其明顯，水體中的氯離子（CL-）在混凝土液相中形成鹽酸，與氫氧化鈣作用生成氯化鈣，氯化鈣具有高吸濕性，在其濃度及濕度較高時，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發生潰燦性銹蝕。

3．2溫度和光照

環境溫度引起混凝土溫度驟升驟降，導致其表面收縮產生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面便開裂，導致形成裂縫或逐漸脫落。節制閘機架橋、公路橋等向陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，特別是在晝夜溫差較大的情況下，溫度驟升驟降，容易形成細微裂縫，為二氧化碳和水分滲入創造了條件，加速了其化學反應和碳化速度，出現露筋情況，造成陽面比陰面混凝土碳化情況更加明顯。

3．3含水量和相對濕度

混凝土碳化速度跟混凝土的含水量及周圍環境介質的相對濕度有密切聯系。周圍介質的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數的大小。當周圍介質的相對濕度為50~70%，混凝土碳化速度最快。過高的濕度（如95%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴散到水泥石中，過低的濕度（如15%），則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進行；樞紐混凝土結構近水部位碳化程度比較明顯，這主要是受濕度影響的結果。

3．4凍融和滲漏

在混凝土浸水區或水位變化部位，由于溫度交替變化，特別是初冬初春季節，混凝土內部孔隙水交替的凍結膨脹和融解松弛，造成混凝土大面積疏松剝落或產生裂縫，導致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失，在混凝土表面結成碳酸鈣結晶，引起混凝土水化產物的分解，其結果是嚴重降低混凝土強度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

4.混凝土碳化的防止措施

4．1設計及施工方面

設計上應根據水工建筑物中不同的結構形式和所處的不同環境因素，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，對近水部位增加厚度，應盡量避免一律采用2~3cm。

施工中為保證混凝土的質量。一要認真選擇混凝土材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質地硬實和級配良好的砂石料；施工中要進行篩洗以及剔除集料中的有害物質。二要摻入適宜的優質減水劑、阻水劑等，提高強度和密實性、抗滲性、抗凍性。三要嚴格控制水灰比，盡量減少混凝土的自由水，把水的用量控制在滿足配料和施工需要的最低范圍內。四要充分振搗并嚴格按照規定標準進行，必要時可作表面處理。五要養護及時，一旦混凝土達到初凝時應立即進行養護，控制好環境的溫度和濕度，按不同水泥品種所要求的時間養護。六要保證鋼筋混凝土保護層厚度，使鋼筋的混凝土保護層厚度滿足設計要求。七要做到少留或不留施工縫，必須要留的應作好接縫處的工藝處理，對水上部位可采用SR嵌縫膏進行表面封閉；對水下部位可采用SBS改性瀝青灌注封閉。

4．2運行使用方面

在樞紐運行使用過程中，水工建筑物使用條件的改變，直接關系到外界水體、氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構件的容易碰撞部位，更應當設置包角和隔層保護。水工建筑物要嚴格按照原設計的使用條件運行。

4．3日常管理方面

對于樞紐水工建筑中混凝土構件的管理，主要是定期檢查、加強維護。對于容易產生碳化的混凝土構件，應派專門技術人員定期觀察及測試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細記錄。若發現混凝土表面有開裂、剝落現象時，則應及時利用防護涂料對混凝土表面進行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對不允許其裂縫繼續擴大，必要時可作混凝土補強處理。

4.4 水污染治理方面

近年來，隨著上游服裝、化工、電鍍、制革等工業的快速發展，產生的大量未經處理工業污水排入被稱為“冀南母親河”的子牙河中，特別是96·8后污染情況加劇，導致樞紐混凝土的碳化速度明顯變快，大大縮短了工程運行壽命。因此，應通過完善水污染防治法律法規，健全污染治理組織機構，加大水污染的治理的力度通過限排等手段，使河流水質達到標準，減緩沿途樞紐碳化速度，延長工程運行壽命。

5．結束語

影響水工建筑物中混凝土碳化的因素很多，問題比較復雜，預防防治措施還有待于進一步研究。以上所述的樞紐水工建筑物混凝土碳化的因素與對策，也適用于其他建筑物中混凝土碳化的研究。

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