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水闸结构的耐久性主要反映在混凝土结构的耐久性上,文中分析了混凝土结构耐久性的影响因素及其破坏机理,结合现有的实际生产经验,提出了提高水闸结构耐久性的一些控制措施。
关键词:水闸结构;混凝土;耐久性;破坏机理;控制措施
20世纪50年代末至70年代曾兴建大量水闸,目前这部分水闸老化病害情况十分普遍,如果不能及时处理,会减少水闸建筑物的寿命,衰减其预定的功能,甚至会危及水闸建筑物的安全。要解决老化病害的问题,则要首先弄清楚为什么会出现老化病害的情况。
1 水闸结构耐久性分析
水闸结构主要是由混凝土结构构成的,其出现老化病害现象的原因是多方面的,笔者认为要分析混凝土结构老化的原因,最终,归结到混凝土结构的耐久性的问题上来。影响混凝土结构耐久性的宏观因素主要有以下内容。
受时代局限,我国混凝土结构的设计与施工规范重点都放在各种荷载作用下的结构强度要求上,而对环境因素作用(如干湿、冻融等大气侵蚀以及结构周围水、土中有害化学介质侵蚀)下的耐久性要求则考虑相对较少。实际上混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致的结构安全事故,其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的危害,所以这个问题必须引起格外重视。
现有水闸结构兴建比较早,施工时,使用的水泥标号低,性能不稳定;施工机械化程度低,混凝土密实性差,养护不好等,使混凝土存在先天缺陷,是造成混凝土提前老化的内在因素。
水闸建筑物所处的运行环境和运行条件,如冻融、渗漏引起钢筋锈蚀,形成混凝土裂缝、甚至崩塌,环境水的腐蚀、水流冲刷、磨损、气蚀、碱骨料反应引起混凝土膨胀破坏等,是加速混凝土老化的环境外因。工程管理人员对混凝土老化破坏缺乏足够认识,未能进行定期检查,对发现的问题未能及时采取有效的补救措施,也是混凝土工程容易损坏的一个原因。
2 混凝土结构破坏机理分析
通过大量的调查、研究分析可知,混凝土的耐久性破坏影响因素主要有混凝土的冻融、混凝土的碳化、钢筋的锈蚀、混凝土中的碱骨料反应以及混凝土遭受侵蚀性侵蚀性介质的腐蚀等。
混凝土的冻融破坏。混凝土水化结硬后,内部有很多孔隙,非结晶水滞留在这些孔隙中。在负温度存在情况下,由于混凝土内部孔隙和毛细孔道的水结冰,产生体积膨胀和冷水迁移,导致混凝土结构内部损伤,其表层发生开裂、剥落、结构疏松、强度降低,从而使得混凝土结构受到冻融作用而发生破坏。
混凝土的碳化作用。混凝土的碳化指混凝土的水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳在温度适宜时发生化学反应,生成碳酸钙和水,是一个很复杂的多相物理化学过程。混凝土的碳化会加剧混凝土的收缩,使混凝土表面产生拉应力而出现裂纹,降低混凝土抗拉抗折强度及抗渗能力。混凝土由于碳化作用,使氢氧化钙减少而碱度降低,使钢筋处于中性环境,钢筋表面钝化膜遭到破坏而生锈,而钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂,钢筋与混凝土的粘结力破坏,结构耐久性降低等不良后果。
钢筋的锈蚀。混凝土保护层的碳化和氯离子腐蚀介质的影响是钢筋锈蚀的主要原因,当空气中的二氧化碳、二氧化硫等气体及其他酸性介质通过混凝土的孔隙进入到混凝土内部后,与混凝土孔隙溶液中的亲氧化钙发生化学反应,使溶液的碱度降低,钢筋表面出现脱钝现象。如果有足够的氧和水,钢筋就会腐蚀。钢筋锈蚀严重时,体积膨胀导致沿钢筋长度出现纵向裂缝,顺筋裂缝的产生又加剧了钢筋的锈蚀,形成恶性循环。如果混凝土的保护层厚度比较薄,最终会导致混凝土保护层剥落,钢筋也可能锈蚀,导致截面承载力降低直到构件丧失承载力。
碱骨料反应。混凝土的碱骨料反应是指混凝土微孔中来自水泥、外加剂等可溶性碱溶液和集料中某些组分之间发生反应。发生碱骨料反应后,会在界面生成可吸水膨胀的凝胶或体积膨胀的结晶,使混凝土产生膨胀,严重时会发生开裂破坏。此外,碱溶液还会浸入集料裂缝发生反应,使集料受肿胀作用而发生破坏。
侵蚀性介质的腐蚀。由于环境中化学侵蚀性介质的存在,对混凝土的腐蚀很普遍。常见的侵蚀性介质腐蚀有硫酸盐侵蚀。对混凝土有侵蚀性的硫酸盐存在某些地区的土壤、工业排放的固体或液体的废弃物和海水中,当硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生反应时,将生成钙矾石。当有碳酸根离子存在并且在高湿度低温度下,还会生成硅灰石膏,产生体积膨胀,从而破坏混凝土结构。混凝土是碱性材料,遇到酸性物质会发生中和反应,使混凝土产生裂缝、脱落并导致破坏。www.tmgc8.com
3 提高混凝土结构耐久性的控制措施
3.1 原材料的选择及用量
水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结、硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土的耐久性就被破坏,因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小,水化热低,干缩性小,耐热性,抗水性,抗腐蚀性,抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。水泥的用量也很关键,用量增加可提高混凝土密实度,从而可以提高混凝土的抗硫酸性能,水泥用量由强度、耐久性、和易性、成本等几方面因素确定,选择时需兼顾。
3.2 集料与掺合料
集料的选择应考虑其碱活性,防止碱集料反应造成的危害,集料的耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度;大量研究表明掺粉煤灰,矿渣,硅粉等混合材料能有效改善混凝土的性能,改善混凝土内孔结构,填充内部空隙,提高密实度,高掺量混凝土还能抑制碱集料反应,因而掺混合材料是提高混凝土耐久性的有效措施。
3.3 设计应考虑耐久性的要求
混凝土配合比的设计在满足混凝土强度的同时,应考虑尽量减少水泥用量和用水量,降低水化热,减少收缩裂缝,提高密实度,采用合理的减水剂和引气剂,改善混凝土内部结构,掺入足量的混合料,提高混凝土耐久性能。结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度,预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度。提高设计水平、改进施工工艺、加强施工管理、完善监管制度,确保工程质量,避免混凝土的先天缺陷。
3.4 防止混凝土的冻融破坏
混凝土的组成、配合比、养护条件和密实度决定了其在饱水状态下抵抗冻融破坏的能力。引气是提高混凝土抗冻性的主要参数,一般引气量4%-8%,同时应避免采用吸水率较高的集料,加强排水以免混凝土结构被水饱和。在混凝土中掺加优质引气型高效减水剂,既能获得大量均匀分布的微小气泡,显著提高抗冻性,又能大幅度减小W/C,从而保证混凝土强度不降低,甚至有所提高。
综上所述,水闸结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题,要解决好这个问题需要进行多方面的工作。水闸结构耐久性应由正确的结构设计、材料选择以及严格的施工质量来保证,同时应注意对其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样,才能保证和提高水闸结构的耐久性。
参考文献
[1]李金玉,曹建国.水工混凝土耐久性的研究和应用[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2]陈仲庆.提高混凝土耐久性的措施[J].科技资讯,2007,14:52.
[3]GB/T 50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].
[4]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002.
作者简介:刘克(1978-),男,本科,助理工程师,主要从事水利工程设计。
