水工混凝土結構耐久性研究

趙瑞麗 杜申元

葛洲壩集團試驗檢測有限公司 湖北 宜昌 443000

水工混凝土應用價值較高，其正成為建筑行業廣泛應用的一項技術。由于水工混凝土結構耐久性直接關系到工程質量，對于建筑工程安全產生了直接影響，所以研究其耐久性非常重要，通過研究有助于發現水工混凝土結構缺陷，進而將其結構缺陷改進，保障建筑工程質量[1]。因此有必要深入探析水工混凝土結構問題，進而使其結構耐久性提升。

1 水工混凝土結構耐久性缺陷的影響因素

不論是何種混凝土都有特定的耐久性，耐久性主要反映了混凝土在遇到溫度變化、環境變化、外部沖擊以及磨損腐蝕時的抗性等級，同時也是衡量建筑結構強度的一項指標[2]。而水工混凝土長期處于水環境下，水體的流動、水中物體撞擊、水中物質腐蝕等都在時刻影響其結構穩定性，提升水工混凝土耐久性，能夠延長建筑結構壽命。而研究水工混凝土結構耐久性缺陷的影響因素有助于優化其結構，提升其耐久性。

1.1 結構裂縫

相對而言，水工混凝土擁有更大的體積結構，初期在接觸到水后會釋放出大量熱量，這些熱量是導致混凝土溫度應力產生的主要因素，由于混凝土凝結初期抗拉能力弱，所以在溫度應力作用下混凝土容易出現不同程度的裂縫，在水體繼續沖擊下混凝土結構耐久性持續降低[3]；此外，在混凝土收縮階段也容易出現縮裂縫，如果裂縫程度較大則可能出現水侵蝕、溶蝕、銹蝕等結構問題，在水體長期作用下，這些結構問題將會演變為更嚴重的結構問題，進而導致建筑耐久性降低，增加了建筑安全隱患。

1.2 熱脹冷縮

由于混凝土長期處于浸水飽和環境下，特別是在溫差較大的區域，可能出現溫度變化較大的問題，溫度的變化使得混凝土結構中的孔隙出現水凍結膨脹問題以及融解收縮問題，在熱脹冷縮的作用下，混凝土呈現出由外向里削蝕，導致其耐久性降低[4]。在我國很多中小型水工建筑都遇到過這類問題，特別是溫差較大的區域，這類問題出現的頻次更高，這類問題在施工初期不常見，一般出現在應用一段時間后才會出現，特別是地區出現極端天氣頻次增加，非常容易出現這類問題。熱脹冷縮是影響建筑混凝土結構強度的重要因素，特別是一些溫度變化十分明顯的區域，溫度的急劇變化導致混凝土結構變化變得十分不穩定，因此導致混凝土結構發生變化，混凝土在遇熱后內部結構出現膨脹，遇冷后發生收縮，如果膨脹與收縮的程度超過了特定范圍，那么混凝土可能出現裂縫，進而降低了混凝土的承載能力，容易發生安全事故。

1.3 碳化銹蝕

由于空氣廣布著大量的CO2，而水體中存在著的酸性成分，這些成分與水泥發生緩慢的水化反應，最終導致混凝土出現結構碳化現象，從而引發裂縫問題，而空氣中的CO2能夠自由進入裂縫，在裂縫中繼續與相關成分進行碳化反映，碳化的結果是混凝土結構不斷改變，這個過程會使得鋼筋保護膜脫落，而保護膜脫落后的鋼筋會與水和空氣發生銹蝕反應，造成鋼筋強度降低，建筑的承載力下降，在受到過大外力作用下出現倒塌，進而影響人們安全[5]。碳化銹蝕帶來的影響相對較大，而且這種不良影響很難被控制，空氣中二氧化碳的含量是影響碳化程度的主要因素，加之混凝土結構可能出現不同程度的裂紋，這些裂紋的程度越大，二氧化碳進入到裂紋中的數量就越多，對于混凝土結構的影響就越大，所以混凝土結構的強度不穩定性大大提升，在這樣的背景下建筑的安全性降低。

2 水工混凝土碳化及抗凍性

通常情況下，水工混凝土碳化問題是導致其耐久性變低的主要因素，只要深入探析碳化的具體成因以及過程，才有助于人們解決碳化問題，或者降低碳化帶來的不良影響。而水工混凝土抗凍性的研究能夠幫助人們解決溫差過大帶來的結構耐久性降低問題，進而將水工混凝土應用范圍拓展，使其作用得到更好的發揮。

2.1 水工混凝土碳化

實際上，碳化現象屬于一種化學反應，是混凝土結構缺陷中常見的現象。由于混凝土所處環境中CO2能夠與混凝土中的相關成分發生化學反應，特別是與堿性物質反應后能夠形成碳酸鹽，這個反應過程導致混凝土堿度下降，所以其結構耐久性發生了變化，該過程也被稱為混凝土中性化。水泥成分中存在著能夠與水反應的物質，在接觸到水后形成氫氧化鈣物質，這些物質屬于堿性物質，在混凝土內部以飽和溶液的形式存在，而這些物質能夠為鋼筋提供“保護層反應”，在堿性環境下鋼筋表面形成FeO和Fe203，能夠將其他物質隔絕在保護層外部，進而保護鋼筋結構[6]。但是在發生碳化反應后，混凝土結構中的堿度下降，隨著碳化反應進行，這些保護層可能被暴露在空氣中，并繼續發生碳化反應，所以鋼筋保護膜在反應過程中消失，反應的繼續導致鋼筋出現銹蝕，鋼筋結構強度降低。

2.2 水工混凝土抗凍性

抗凍性屬于混凝土結構物理性能方面的內容，抗凍性主要反映了混凝土在較低溫度環境下結構的穩定性。在研究混凝土抗凍性時，應該正確認識到衡量混凝土抵抗凍融能力的指標，除了要滿足嚴寒地區低溫凍融帶來的影響，同時也要考慮到溫熱地區溫度變化大、溫差變化大的影響，而溫度與溫差的變化是導致混凝土耐久性變低的重要因素，這種變化會使得混凝土結構變得十分疏松，進而逐漸出現剝落現象。一般而言，混凝土無法在干燥環境下出現凍融現象，而飽水環境則非常容易出現混凝土凍融問題，溫度降低導致水體出現凝結，而混凝土孔隙中存在很多毛細水，這些水體在凝結時體積增大，進而對混凝土內部產生應力，當產生的應力超過混凝土抗應力標準后，將引發混凝土裂縫，然后出現一系列不良的結構缺陷。

3 提升水工混凝土結構耐久性的策略

不同于其他類型的混凝土結構，水工混凝土結構處于十分復雜的環境，環境的變化非常容易導致其結構耐久性降低，特別是水環境的不穩定性，容易加劇結構問題，導致更多結構問題出現[7]。所以在設計水工混凝土結構時，需要結合建筑所處水環境特點以及氣候變化特點，進而降低環境與氣候變化帶來的不良影響，提升其結構耐久性。

3.1 分析混凝土所處環境

在設計建筑結構時，需要充分考慮到建筑所處的水環境，分析水環境的特點。只有詳細了解建筑環境條件，才能有針對性地去設計混凝土結構。首先，需要對當地的氣候條件進行監測，調取最近十幾年的氣候數據，分析極端氣候產生的頻次，確定混凝土耐久性的上限；其次，分析建筑的水環境，分析水體的成分，結合水體成分設計混凝土結構，減少水體流動、沖擊、腐蝕帶來的影響；第三，掌握環境的干濕度，濕度也是影響混凝土耐久性的主要因素，長期暴露在高濕度環境下，混凝土的壽命會減少，這也是其耐久性降低的一個因素。只有分析混凝土所處環境特點，才能保住施工單位更好地設計混凝土結構，進而提升混凝土耐久性。

3.2 科學控制施工原材料

想要提升水工混凝土耐久性，處理要控制好外部因素影響，也要從混凝土結構入手。施工企業在掌握混凝土結構耐久性標準后，需要選擇符合其耐久性要求的原材料，保障原材料質量才能確保混凝土耐久性達到設計要求。在選擇材料時，如果建筑所處環境需要長時間承受較大受外力作用，那么需要考慮到混凝土的結構強度，增強其強度能夠提升其耐久性；如果建筑所處區域溫差較大，并且低溫天氣時間較差，則需要選擇抗凍性高的混凝土，可以將引氣劑加入到混凝土之中，能夠有限地增強混凝土抗凍性。此外，混凝土的耐久性也受到其密實性影響，因此在施工時，要保障施工的合理性，進而提升其密實性，增強其耐久性。

3.3 合理設計混凝土結構

采用合理的結構能夠降低不利條件對混凝土結構耐久性造成的不良影響。在選擇混凝土結構類型時應該結合建筑具體環境進行科學地制定，如果建筑環境為三、四類環境類型，應該避免采用多棱角結構形式，這種結構會使得碳化反應面積增加，混凝土碳化速度高于其他類型的結構，混凝土耐壽命將會大大所見，與此同時，也應該避免使用薄腹型結構，這種結構會發生同樣的問題。一般而言，想要提升混凝土耐久性，可以改變配筋，這也是常見的一種方法，但是只能用于普通鋼筋混凝土結構，如果建筑類型為橫向受力，有著一定的優勢，但是在構造鋼筋較多的環境下，采用該構造無法獲得預期效果，會造成混凝土澆筑不夠密實的缺陷，這必將會降低水工混凝土的耐久性。因此科學地設計配筋形式能夠使得水工混凝土耐久性提升。

4 結束語

總而言之，水工混凝土結構耐久性關系到建筑結構的穩定性，通過研究可以發現，導致水工混凝土結構耐久性降低的影響因素較多，所以施工企業需要結合具體影響因素優化水工混凝土設計方式，在發揮現有優勢的基礎上，不斷優化水工混凝土結構，進一步保障其耐久性的穩定。