建筑物混凝土碳化,凍融破壞及防治
摘要： 通過(guò)對(duì)混凝土的碳化、凍融破壞機(jī)理及影響因素分析，提出了水工建筑物混凝土碳化、凍融破壞的防治措施，原則上應(yīng)為防重于治，以達(dá)到或延長(zhǎng)工程的使用壽命。
關(guān)鍵詞： 防治 混凝土碳化 凍融破壞 水工建筑物
１建筑物混凝土碳化,凍融破壞及防治前言
　　水工建筑物多以混凝土結(jié)構(gòu)組成，而這些混凝土結(jié)構(gòu)多處在氣候惡劣的環(huán)境中，受泥沙、水流、物理、化學(xué)、氣溫等影響因素頗多。混凝土的破壞以碳化、凍融破壞為常見(jiàn)，致使許多水工建筑物的運(yùn)行壽命大為縮短，造成極大浪費(fèi)。如吉林省豐滿水電站，大壩某處水平施工縫張口寬達(dá)1cm以上；又如唐?？h雙九河嘴東擋潮閘始建于1976年，到1986年許多混凝土構(gòu)件已產(chǎn)生很多裂縫，鋼筋裸露；還有我省寶雞峽灌區(qū)混凝土渠道某些渠道某些區(qū)段也發(fā)生嚴(yán)重凍融破壞等等，所以有必要進(jìn)一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機(jī)理及防治措施。
２混凝土碳化、凍融破壞機(jī)理分析
２．１混凝土的碳化
　　混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕。空氣中ＣＯ２氣滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過(guò)程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過(guò)程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質(zhì)對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣存在的條件下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開始生銹?？梢?jiàn)，混凝土碳化作用一般不會(huì)直接引起其性能的劣化，對(duì)于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對(duì)于鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)，碳化會(huì)使混凝土的堿度降低，同時(shí)，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會(huì)使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱。
２．２混凝土的凍融
　　混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。對(duì)混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質(zhì)，不僅在嚴(yán)寒地區(qū)混凝土建筑物有抗凍的要求，溫?zé)岬貐^(qū)混凝土建筑物同樣會(huì)遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)久會(huì)發(fā)生表層削落，結(jié)構(gòu)疏松等破壞現(xiàn)象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫(kù)等，都發(fā)生過(guò)不同程度的凍融破壞。所以對(duì)混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對(duì)混凝土凍融破壞的機(jī)理，目前的認(rèn)識(shí)尚不完全一致，按照公認(rèn)程度較高的，由美國(guó)學(xué)者T．C．Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過(guò)程中，遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成。其一是當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹９％，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力；其二是當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時(shí)，由凝膠孔中過(guò)冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過(guò)冷水的飽和蒸汽壓差和過(guò)冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
　　另外凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，*后甚至完全喪失。從實(shí)際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問(wèn)題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負(fù)變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個(gè)必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
３混凝土碳化、凍融破壞影響及防治
３．１混凝土碳化影響因素及防治
３．１．１混凝土碳化影響因素
　　影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影響較大的是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同；其次，影響混凝土碳化主要還與周圍介質(zhì)中ＣＯ2的濃度高低及濕度大小有關(guān)，在干燥和飽和水條件下，碳化反應(yīng)幾乎終止，所以這是除水泥品種影響因素以外的一個(gè)非常重要的原因；再次，在滲透水經(jīng)過(guò)的混凝土?xí)r，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物質(zhì)，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋時(shí)，石灰的溶解度就會(huì)增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2對(duì)抵抗溶出侵蝕則十分有利。因?yàn)樗鼈冊(cè)诨炷帘砻嫘纬梢环N碳化保護(hù)層；另外，混凝土的滲透系數(shù)、透水量、混凝土的過(guò)度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結(jié)構(gòu)尺寸、水壓力及養(yǎng)護(hù)方法與混凝土的碳化都有密切的關(guān)系。
３．１．２混凝土碳化破壞的防治
　　對(duì)于混凝土的碳化破壞，我們?cè)谑┕ぶ锌偨Y(jié)出了一系列治理措施：一是，在施工中應(yīng)根據(jù)建筑物所處的地理位置、周圍環(huán)境，選擇合適的水泥品種；對(duì)于水位變化區(qū)以及干濕交替作用的部位或較嚴(yán)寒地區(qū)選用抗硫酸鹽普通水泥；沖刷部位宜選高強(qiáng)度水泥；二是，分析骨料的性質(zhì)，如抗酸性骨料與水、水泥的作用對(duì)混凝土的碳化有一定的延緩作用；三是，要選好配合比，適量的外加劑，高質(zhì)量的原材料，科學(xué)的攪拌和運(yùn)輸，及時(shí)的養(yǎng)護(hù)等各項(xiàng)嚴(yán)格的工藝手段，以減少滲流水量和其它有害物的侵蝕，以確?；炷恋拿軐?shí)性；另外，若建筑物地處環(huán)境惡劣的地區(qū)，宜采取環(huán)氧基液涂層保護(hù)效果較好，對(duì)建筑物地下部分在其周圍設(shè)置保護(hù)層；用各種溶注液浸注混凝土，如：用溶化的瀝青涂抹。還有，若建筑物一旦發(fā)生了混凝土碳化，*好采用環(huán)氧材料修補(bǔ)，若碳化深度較大，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進(jìn)入的有害物質(zhì)，將混凝土銜接面鑿毛，用環(huán)氧砂漿或細(xì)石混凝土填補(bǔ)，*后以環(huán)氧基液做涂基保護(hù)。
３．２混凝土凍融破壞影響因素及防治
３．２．１混凝土凍融破壞影響因素
　　混凝土凍融破壞的影響因素是多方面的。一是組成混凝土的主要材料性質(zhì)的影響，如；水泥的品種、水泥中不同礦物成份對(duì)混凝土的耐久性影響較大，又如骨料的影響，除了骨料本身的質(zhì)量對(duì)混凝土的抗凍性的影響以外，骨料的滲透性和吸濕性對(duì)混凝土的抗凍性也有決定性的作用，由于濕度和強(qiáng)度的變化，會(huì)產(chǎn)生含針狀物巖石體積的變化，這將會(huì)損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面，同時(shí)骨料的化學(xué)性能對(duì)混凝土的耐久性也將產(chǎn)生一定的影響；二是外加劑的影響，在混凝土施工過(guò)程中摻入引氣劑或減水劑對(duì)改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可起到緩沖凍脹的作用，大大降低凍脹應(yīng)力，提高混凝土的抗凍性；三是施工工藝影響，配合比、混凝土的施工、硬化條件等都與混凝土的耐久性有密切的關(guān)系，同時(shí)混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個(gè)重要因素。此外混凝土的表面、邊角和工作縫部位處于*不利的工作條件，所以混凝土模板種類、性質(zhì)和表面加工情況以及工作縫的處理對(duì)混凝土的耐久性也有很大的影響；四是防止受水位變化影響，寒冷季節(jié)水位變化會(huì)引起混凝土的嚴(yán)重凍融破壞需采取有力措施防止；五是嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，混凝土施工質(zhì)量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質(zhì)量關(guān)，不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面，力求密實(shí)，表面光滑。
３．２．２混凝土凍融破壞的防治
　　對(duì)于混凝土凍融破壞的防治，結(jié)合我們的施工實(shí)踐，總結(jié)出了如下幾點(diǎn)：
（１）預(yù)防措施。一是在混凝土施工中應(yīng)根據(jù)不同情況選擇含有不同礦物成份和不同性能的水泥、骨料和外加劑，從材料方面確?；炷恋哪途眯?；二是嚴(yán)格混凝土制作配合比，一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和所處的環(huán)境條件，試驗(yàn)確定關(guān)鍵參數(shù)，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分僅為其重量的２５％左右，若水量增加，多余的水就游離析出，產(chǎn)出孔隙，飽和后易受凍脹破壞；另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性*有效的途徑之一；三是人為地優(yōu)化建筑物混凝土構(gòu)件周圍的環(huán)境條件，以減少或改善致使混凝土凍融的各種不利因素。
（２）治理措施。①水泥砂漿修補(bǔ)，適用于輕微的表層破壞；②預(yù)縮砂漿修補(bǔ)，所謂預(yù)縮砂漿是指經(jīng)拌和好之后再歸堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂漿，此種方法適高速水流區(qū)混凝土表面的損壞；③噴漿修補(bǔ)，多用于混凝土凍融破壞化較嚴(yán)重的部位；噴混凝土修補(bǔ)，是指經(jīng)施高壓將混凝土拌料以高速運(yùn)動(dòng)注入被修補(bǔ)的部位，其密度及抗?jié)B性較一般混凝土好，且具有快速，高效的特點(diǎn)；④環(huán)氧材料修補(bǔ)，一般有環(huán)氧基液、環(huán)氧砂漿和環(huán)氧混凝土等，這種材料具有較高的強(qiáng)度和抗蝕、抗?jié)B能力，并與混凝土結(jié)合力較強(qiáng)，但價(jià)格較貴，施工工藝復(fù)雜，材料配比嚴(yán)格，此法可與其它修補(bǔ)方法配合使用，效果更佳；總之我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)水工建筑物所處的環(huán)境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構(gòu)件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補(bǔ)方法，才能獲得較好的效果。
４結(jié)語(yǔ)
　　本文簡(jiǎn)要概括了水工建筑物混凝土碳化、凍融破壞及其防治的主要措施，我們的原則應(yīng)該是防重于治，首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境，合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)（水泥品種的選擇、Ｗ燉Ｃ的限制、外加劑的選用等等）；其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，加強(qiáng)工程運(yùn)行中科學(xué)管理，發(fā)現(xiàn)碳化，凍融破壞及時(shí)采取防范保護(hù)和修補(bǔ)措施，以達(dá)到或延長(zhǎng)工程的使用壽命。
建筑物混凝土碳化,凍融破壞及防治