碳化對(duì)不同地區(qū)混凝土水閘影響研究

陳 明

(安徽三洲水利建設(shè)有限公司,安徽 宿州 234000)

0 引 言

隨著我國(guó)水利建設(shè)的發(fā)展,混凝土水閘結(jié)構(gòu)越來越多。混凝土碳化作為常見的病害之一,影響著混凝土水閘結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究[1-2]。徐飛等[3]進(jìn)行了碳化試驗(yàn),并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,提出了混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型,結(jié)果表明預(yù)測(cè)效果比較理想。劉燕等[4]進(jìn)行了不同軸向應(yīng)力作用下的碳化試驗(yàn),并對(duì)軸向應(yīng)力作用下的碳化混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。張君博等[5]考慮到海洋環(huán)境的影響,對(duì)沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度和耐久性進(jìn)行了研究。

為研究沿海地區(qū)混凝土水閘結(jié)構(gòu)與內(nèi)地的差異以及混凝土碳化對(duì)水閘結(jié)構(gòu)耐久性的影響,本文根據(jù)多個(gè)水閘碳化深度的實(shí)際調(diào)研情況,分析沿海水閘與內(nèi)地水閘的差異,對(duì)比水閘不同部位的碳化情況。研究成果可為混凝土水閘的安全運(yùn)營(yíng)和維修提供參考與借鑒。

1 水閘的作用

水閘是修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的低水頭水工建筑物。關(guān)閉閘門,可以攔洪、擋潮或抬高上游水位,以滿足灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)、環(huán)保、工業(yè)和生活用水等需要;開啟閘門,可以宣泄洪水、澇水、棄水或廢水,也可對(duì)下游河道或渠道供水。在水利工程中,水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物,應(yīng)用廣泛。

2 水閘運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素

2.1 軟土地基

水閘通常修建于淤泥、松軟充填土等地質(zhì)環(huán)境中。由于軟土的一些特性,導(dǎo)致水閘容易出現(xiàn)較大的不均勻沉降、開裂甚至失穩(wěn)等病害。主要不利影響體現(xiàn)在3個(gè)方面:①?gòu)?qiáng)度和穩(wěn)定性問題。軟土地基由于其較低的抗剪強(qiáng)度,難以承受水閘上部的荷載,因此可能出現(xiàn)局部或整體的剪切破壞,導(dǎo)致水閘失穩(wěn)、傾覆。②由于軟土地基的高壓縮性,使得軟土地基上的水閘容易出現(xiàn)過大的沉降變形,對(duì)水閘的正常使用產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起上下游底板接縫錯(cuò)動(dòng)。③由于軟土靈敏度較高,容易受到外部荷載干擾,如車輛振動(dòng)、地震等,導(dǎo)致軟土出現(xiàn)液化,進(jìn)而使水閘失穩(wěn)。

2.2 碳化作用

碳化是混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在的病害之一,主要包含3個(gè)階段:①化學(xué)反應(yīng)階段。該階段反應(yīng)較快,受CO2濃度和混凝土中可碳化物質(zhì)的影響;②CO2在混凝土中擴(kuò)散階段。該階段由混凝土水灰比和水泥水化程度控制;③Ca(OH)2擴(kuò)散階段。其擴(kuò)散速度受Ca(OH)2濃度和混凝土含水量控制。

圖1為碳化混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線。從圖1中可以看出,混凝土碳化越高,其峰值強(qiáng)度也越高。但會(huì)降低其延性,不利于混凝土結(jié)構(gòu)的抗震,且碳化會(huì)影響到混凝土內(nèi)部鋼筋的質(zhì)量,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能造成損害。

圖1 碳化混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線

3 碳化對(duì)水閘的影響

本文通過收集沿海18座水閘的檢測(cè)數(shù)據(jù),分析碳化對(duì)沿海水閘的影響,同時(shí)與內(nèi)地水閘碳化數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。主要研究的水閘部位為水閘閘墩和排架。

3.1 碳化時(shí)間

圖2為沿海和內(nèi)地兩個(gè)地區(qū)閘墩和排架兩個(gè)部位碳化深度隨時(shí)間的變化情況。從圖2(a)和圖2(b)中可以看出,隨著時(shí)間的增加,內(nèi)地水閘碳化深度呈現(xiàn)出緩慢減小的趨勢(shì),與理論上的碳化規(guī)律恰好相反。年限較近時(shí),碳化深度較高,接近25mm,后隨時(shí)間增加緩慢減小,年限超過50a后,基本碳化深度在10mm以下。圖2(c)中可以看出,沿海水閘閘墩碳化深度呈現(xiàn)出隨著時(shí)間增加碳化深度增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從圖2(d)中可以看出,隨著時(shí)間的增加,沿海水閘排架碳化深度基本保持穩(wěn)定,未呈現(xiàn)出明顯的上升或下降趨勢(shì)。與內(nèi)地水閘相比,沿海水閘一開始碳化深度較低,普遍在15mm以下;隨著時(shí)間的增加碳化深度不斷增長(zhǎng),在50a后,閘墩碳化深度達(dá)到23mm左右,排架碳化深度也在15mm左右,表現(xiàn)出明顯的差異。

圖2 不同地區(qū)碳化隨時(shí)間變化情況

出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于內(nèi)地水閘目前大多采用商業(yè)混凝土的原因,含有大量的外加劑,導(dǎo)致新閘碳化較高。而沿海地區(qū)水閘碳化受海洋環(huán)境影響較大,加速了混凝土的碳化,雖然新閘碳化深度不高,但并未隨服役年限的增加而下降,反而緩慢上升。

3.2 水閘構(gòu)件

圖3為收集的沿海和內(nèi)地各18個(gè)水閘在閘墩和排架部位的碳化深度情況。從圖3(a)中可以看出,沿海地區(qū)水閘閘墩和排架部位相比,基本上是排架碳化值更大,最大值接近60mm,而閘墩碳化深度最大值約為41mm。從圖3(b)中可以看出,內(nèi)地水閘同樣是排架部位碳化值較高,但沒有沿海地區(qū)變化幅度劇烈,且峰值較小,排架和閘墩峰值分別為24.2和23.8mm,表明海洋環(huán)境對(duì)混凝土水閘結(jié)構(gòu)的影響較為嚴(yán)重。在水閘運(yùn)行過程中,應(yīng)注重水閘排架的保護(hù),尤其是沿海地區(qū),更應(yīng)采取必要的防混凝土碳化措施。

圖3 水閘不同部位碳化深度對(duì)比

在水閘運(yùn)行過程中,若出現(xiàn)碳化較為嚴(yán)重的構(gòu)件,如混凝土裂縫過大、露筋、鋼筋銹蝕嚴(yán)重甚至出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象,應(yīng)進(jìn)行拆除重建。而碳化深度較小,且小于鋼筋保護(hù)層厚度的,應(yīng)采取一定的措施應(yīng)對(duì),如通過優(yōu)質(zhì)涂料進(jìn)行封閉或通過高強(qiáng)砂漿找補(bǔ)。

在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)的防碳化措施,如對(duì)混凝土水灰比、鋼筋保護(hù)層厚度和氯化物含量進(jìn)行嚴(yán)格控制,并通過機(jī)械進(jìn)行振搗,保證混凝土密實(shí)性。澆筑完成后,可通過活性摻合料和減水劑等對(duì)混凝土表面進(jìn)行涂覆。保證混凝土模板選取規(guī)范,混凝土強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期后再進(jìn)行拆模,防止過早拆模,并加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)多個(gè)水閘碳化深度的實(shí)際調(diào)研情況,對(duì)比了沿海水閘與內(nèi)地水閘的差異,并對(duì)水閘不同部位的碳化差異進(jìn)行了分析。結(jié)論如下:

1)由于目前大多采用商業(yè)混凝土的原因,含有大量的外加劑,導(dǎo)致新閘碳化較高,實(shí)際內(nèi)地水閘碳化深度呈現(xiàn)出隨服役年限增加而緩慢減小的趨勢(shì),與理論上的碳化規(guī)律恰好相反。沿海地區(qū)水閘碳化受海洋環(huán)境影響較大,加速了混凝土的碳化,隨著時(shí)間的增加碳化深度不斷增長(zhǎng)。

2)無論是沿海還是內(nèi)地,水閘排架碳化深度普遍高于閘墩。但由于海洋環(huán)境對(duì)混凝土水閘結(jié)構(gòu)的影響,導(dǎo)致數(shù)值上沿海地區(qū)碳化深度更大。因此在實(shí)際工程中,應(yīng)注重水閘排架的保護(hù),尤其是沿海地區(qū),更應(yīng)采取必要的防混凝土碳化措施。