張 軍 朱文博 王 軍

（1 淄博市水利建筑安裝公司，山東 淄博 255000；2 山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

水工混凝土結(jié)構(gòu)主要包括混凝土大壩、水閘、堤防、隧道、渡槽等。這些水工混凝土能否長(zhǎng)期安全運(yùn)行，關(guān)系大江、大河、水庫(kù)的防洪渡汛等國(guó)計(jì)民生大事。因此水工混凝土耐久性問(wèn)題一直是政府管理部門(mén)和科研機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。由于我國(guó)各地水文地質(zhì)環(huán)境差異大，一些地方的水工混凝土長(zhǎng)期受有害物質(zhì)的侵蝕，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程達(dá)不到設(shè)計(jì)使用期限的要求就無(wú)法繼續(xù)使用，嚴(yán)重的造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此，分析水工混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕機(jī)理，研究提高水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的途徑，使其滿足預(yù)定的使用功能和服務(wù)使用壽命，是目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的一個(gè)緊迫課題。

1 混凝土侵蝕機(jī)理研究

1.1 混凝土的組成分析

混凝土中的膠凝材料水泥，按照其成分和用途不同，可分為硅酸鹽水泥、摻合料硅酸鹽水泥（包括普通、礦渣、粉煤灰和火山灰等）、鋁酸鹽水泥、膨脹水泥等。但在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)中用量最多的是硅酸鹽水泥，又稱波特蘭水泥。 該水泥熟料（粉狀）的主要成分為：

硅酸三鈣 （3CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫(xiě)為C3S），含量37%～60%；

硅酸二鈣 （2CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫(xiě)為C2S），含量15%～37%；

鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫(xiě)為C3A），含量7%～15%；

鐵鋁酸四鈣 （4CaO·Al2O3·得Fe2O3，簡(jiǎn)寫(xiě)為C4AF），含量10%～18%。

上述4 種礦物中硅酸鈣（包括硅酸三鈣、硅酸二鈣）是主要的，占70%以上。 這些礦物是依靠水泥原料中提供的CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物在高溫下互相進(jìn)行化學(xué)作用而形成的。硅酸鹽水泥熟料與水發(fā)生反應(yīng)形成水化物并放出一定的熱量，反應(yīng)化學(xué)式如下：

從上述反應(yīng)式中可以看出，生成的水化產(chǎn)物主要有：水化硅酸三鈣3CaO·得2Si O2·得3H2O；氫氧化鈣Ca （OH）2；水化鋁酸三鈣3Ca·Al2O3·6H2O；水化鐵酸鈣CaO·Fe2O3·H2O。

因而，混凝土中的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成的水泥石，主要是由水化硅酸三鈣和水化鐵酸鈣兩種凝膠，以及氫氧化鈣等晶體固相組成，是一種復(fù)雜的混合物。 其中，氫氧化鈣約占總量的25%；此外，水泥中還含有K2O、Na2O 等堿金屬氧化物雜質(zhì)，這些氧化物水化生成KOH 和NaOH。所以，混凝土的基體本身就是一種高堿性的混合物[2]。

部分水中含有較多的可溶鹽類，最主要的有NaCl、Na2SO4、MgSO4。 這些鹽類的存在對(duì)混凝土產(chǎn)生兩種破壞作用：硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕和氯鹽對(duì)鋼筋的侵蝕。

1.2 硫酸鹽的腐蝕

Na2SO4、MgSO4等與混凝土中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO4，CaSO4又迅速與水泥石中的水化鋁酸鈣作用生成鈣礬石。 反應(yīng)過(guò)程如下（以MgSO4為例）。

生成鈣礬石后，固相體積是原來(lái)的1.5 倍以上，在混凝土內(nèi)形成膨脹應(yīng)力而引起混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂破壞。

1.3 氯鹽的腐蝕

水中的NaCl、MgCl2與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2作用，生成CaCl2、Mg(OH)2等物質(zhì)。

由于生成的CaCl2、Mg(OH)2都是無(wú)凝膠作用的物質(zhì)，嚴(yán)重破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；同時(shí)，反應(yīng)后生成大量游離氯離子，致使鋼筋發(fā)生銹蝕。

鋼筋銹蝕后體積膨脹，導(dǎo)致力學(xué)性能下降、與混凝土間的粘結(jié)力降低、混凝土開(kāi)裂，嚴(yán)重降低工程結(jié)構(gòu)的可靠性。研究表明氯離子是造成水工混凝土破壞的最主要因素[3]。

此外，水位變動(dòng)區(qū)混凝土的凍融破壞、水對(duì)混凝土構(gòu)件的沖刷磨損也對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生破壞作用。

2 提高耐久性設(shè)計(jì)措施

2.1 劃分混凝土構(gòu)件環(huán)境區(qū)域

水工混凝土構(gòu)件在海域的部位不同，腐蝕程度也有較大差異。 根據(jù)多年對(duì)港口碼頭的調(diào)查，將混凝土構(gòu)件所處區(qū)域劃分為4個(gè)區(qū)，即大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)。 浪濺區(qū)鋼筋腐蝕最嚴(yán)重，其次是大氣區(qū)，水下區(qū)腐蝕最輕。 混凝土設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)不同區(qū)域，有針對(duì)性的采取不同的防腐蝕措施和方法。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水工混凝土的結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)造與普通混凝土不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到滿足以下要求：

（1）構(gòu)件截面幾何形狀力求簡(jiǎn)單、平順，有利于排水；限制導(dǎo)致表面積水的設(shè)計(jì)，盡量減少構(gòu)件受潮和濺濕的表面積。

構(gòu)件應(yīng)便于施工，易于成型。 對(duì)處于腐蝕嚴(yán)重部位的構(gòu)件，應(yīng)考慮其更換的可能。

（2）結(jié)構(gòu)形式要利于關(guān)鍵部位的檢測(cè)和維修，應(yīng)設(shè)置利于檢測(cè)維護(hù)的通道。

表1 水工鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度 （mm）

表2 水工混凝土水灰比最大允許值和最低水泥用量

（3）處理好構(gòu)件間的連接，采用的支座和節(jié)點(diǎn)要保證結(jié)構(gòu)的變形約束最小。

（4）構(gòu)件中受力的鋼筋和構(gòu)造鋼筋宜構(gòu)成閉口的鋼筋籠，以增加結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固和耐久。

混凝土保護(hù)層最小厚度應(yīng)符合表1的規(guī)定。

（2）集料

集料應(yīng)堅(jiān)硬、清潔、級(jí)配良好，優(yōu)先選用天然河砂、碎石或卵石。 粗集料中不能含活性SiO2，以防止堿與集料反應(yīng)。 細(xì)集料不能采用海砂。 粗集料的最大粒徑，在浪濺區(qū)不大于保護(hù)層厚度的2/3；其他區(qū)不大于保護(hù)層厚度的4/5。

（3）鋼筋

增加鋼筋本身抵抗銹蝕的能力，也是提高水工混凝土耐久性的有效措施。目前采用的耐腐蝕鋼筋包括耐腐蝕低合金鋼筋、包銅鋼筋、鍍鋅鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼筋等。 環(huán)氧涂層鋼筋是目前應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。它是在拋光凈化到接近鐵白程度并預(yù)熱到約230℃的鋼筋表面上，靜電噴涂的環(huán)氧粉末會(huì)立即熔化、流化并迅速固化，形成一層連續(xù)、堅(jiān)韌、不滲透的膜，能適當(dāng)彎曲、耐磨，具有極高的防腐蝕性能，即使氯離子大量侵入混凝土中，也能長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋免受腐蝕。環(huán)氧涂層鋼筋的運(yùn)輸、存放、加工、安裝和混凝土澆搗有嚴(yán)格要求，我國(guó)于1997年制訂了《環(huán)氧涂層鋼筋規(guī)范》，為環(huán)氧涂層鋼筋的應(yīng)用提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

（4）混凝土表層處理

為防止氯化物、二氧化碳等侵蝕性介質(zhì)滲入混凝土中，延緩鋼筋銹蝕，對(duì)新澆注的混凝土結(jié)構(gòu)表面涂層也是一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和有效的輔助性保護(hù)措施。涂層可以分為侵入型和隔離型兩類。侵入型涂料不會(huì)在混凝土表面形成膜，也不能充滿混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙，但能顯著降低混凝土的吸水性。而隔離型涂料可以使混凝土和侵蝕介質(zhì)隔離。

（5）采用高性能混凝土

高性能混凝土中摻有礦物摻合料，如粉煤灰、礦渣、硅粉等。 這些摻合料對(duì)混凝土的性能具有物理和化學(xué)改善作用，有效增加混凝土的密實(shí)度、增強(qiáng)抵抗侵蝕的能力。高性能混凝土已作為提高水工混凝土耐久性的有效措施被研究和開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)論

水工混凝土受到多種侵蝕破壞，其耐久性設(shè)計(jì)也必須考慮到多種方法。在設(shè)計(jì)中既要合理的選擇結(jié)構(gòu)形式、原材料和構(gòu)造要求；又要根據(jù)工程實(shí)際，充分利用高技術(shù)手段和產(chǎn)品，盡最大可能提高工程的耐久性和可靠性。

[1]李金玉，曹建國(guó)。 水工混凝土耐久性研究和應(yīng)用[M]。北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]金偉良，趙羽習(xí)。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M]。 北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]張譽(yù)，蔣利學(xué)，屈文俊。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M]。上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

[4]王軍。 混凝土中鋼筋銹蝕原因與防銹蝕設(shè)計(jì)研究[J]?；炷?，2008（8）

[5]蘇達(dá)根。土木工程材料[M]。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006