水工混凝土工程耐久性设计研究
关键词：水工,混凝土,工程,耐久性,设计
引言
水工混凝土结构主要包括混凝土大坝、水闸、堤防、隧道、渡槽等。这些水工混凝土能否长期安全运行，关系大江、大河、水库的防洪渡汛等国计民生大事。因此水工混凝土耐久性问题一直是政府管理部门和科研机构研究的重点。由于我国各地水文地质环境差异大，一些地方的水工混凝土长期受有害物质的侵蚀，混凝土结构腐蚀现象非常严重，导致结构工程达不到设计使用期限的要求就无法继续使用，严重的造成生命财产的损失。因此，分析水工混凝土结构的侵蚀机理，研究提高水工混凝土结构耐久性的途径，使其满足预定的使用功能和服务使用寿命，是目前混凝土结构耐久性研究的一个紧迫课题。
1 混凝土结构耐久性的概念
混凝土结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀作用的抵抗能力。耐久性好的混凝土结构暴露于使用环境时，具有保持原有形状、质量和适用性的能力。结构的耐久性与与结构的使用寿命总是紧密联系的，结构的耐久性越好，则使用寿命越长。
设计永久性水工建筑物时，耐久性是结构必须满足的功能之一。在水工混凝土结构的设计基准期内，要求结构或构件在正常使用和维修条件下，随时间变化而满足预定功能的要求。一般水工混凝土结构的使用寿命都要求大于50年，但以上资料表明，因材质劣化造成失效以致破坏崩塌的事故频繁发生，用于混凝土结构修补、重建和改建的费用日益增大，耐久性问题越来越受到人们的重视。因此，在设计水工钢筋混凝土结构时，除了进行承载力计算、抗裂、裂缝开展宽度和变形验算外，还必须进行耐久性的设计。
2混凝土侵蚀机理研究
2.1混凝土的组成分析
混凝土中的胶凝材料水泥，按照其成分和用途不同，可分为硅酸盐水泥、掺合料硅酸盐水泥(包括普通、矿渣、粉煤灰和火山灰等)、铝酸盐水泥、膨胀水泥等。但在土木工程混凝土结构中用量最多的是硅酸盐水泥，又称波特兰水泥。该水泥熟料(粉状)的主要成分为：
硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写为C3S)，含量37% ～6O%：
硅酸二钙(2CaO·SiO2，简写为C2S)，含量15% N37%：
铝酸三钙(3CaO·AI2O3，简写为C3A)，含量7% ～1 5%：
铁铝酸四钙(4CaO·AI2O3·得Fe203，简写为C4AF)，含量10%～18% 。
上述4种矿物中硅酸钙(包括硅酸三钙、硅酸二钙)是主要的，占70% 以上。这些矿物是依靠水泥原料中提供的CaO、SiO2、Fe O3、Al O3等氧化物在高温下互相进行化学作用而形成的。硅酸盐水泥熟料与水发生反应形成水化物并放出一定的热量，
反应化学式如下：
2 (3CaO·得SiO2)+6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2
2(2CaO·得SiO2)+4H20==3CaO·2Si O2·得3 H2O+Ca(OH)2
3CaO·得Al2O3+6H20==3Ca·AI2O3·6H2O
4CaO·得Al2O3·Fe2O3+7H20==3CaO·AI2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O
从上述反应式中可以看出，生成的水化产物主要有：水化硅酸三钙3CaO·得2Si O ·得3H2O;氢氧化钙Ca (OH)2;水化铝酸三钙3Ca·AI2O3·6H2O;水化铁酸钙CaO·Fe2O3·H2O。
因而，混凝土中的水泥发生化学反应后形成的水泥石，主要是由水化硅酸三钙和水化铁酸钙两种凝胶，以及氢氧化钙等晶体固相组成，是一种复杂的混合物。其中，氢氧化钙约占总量的25% ;此外，水泥中还含有K O、Na2O等碱金属氧化物杂质，这些氧化物水化生成KOH和NaOH。所以，混凝土的基体本身就是一种高碱性的混合物 。部分水中含有较多的可溶盐类，最主要的有NaCI、Na2SO 、MgSO 。这些盐类的存在对混凝土产生两种破坏作用：硫酸盐对混凝土的侵蚀和氯盐对钢筋的侵蚀。
2.2硫酸盐的腐蚀
Na2SO 、MgSO4等与混凝土中的水化产物Ca(OH) 反应生成CaSO4，CaSO4又迅速与水泥石中的水化铝酸钙作用生成钙矾石。反应过程如下(以MgSO 为例)。
MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4
3CaSO4+4CaO ·AI2O3 ·1 2H2O +20H2O =3CaO·得Al203·3CaSO4·31 H2O+Ca(OH)2
生成钙矾石后，固相体积是原来的1.5倍以上，在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的开裂破坏。
2.3氯盐的腐蚀
水中的NaCI、MlgCI2与水泥的水化产物Ca(OH)2作用，生成CaCI2、Mg(OH)2等物质。
由于生成的CaCI2、Mg(OH)2都是无凝胶作用的物质，严重破坏混凝土的内部结构;同时，反应后生成大量游离氯离子，致使钢筋发生锈蚀。钢筋锈蚀后体积膨胀，导致力学性能下降、与混凝土间的粘结力降低、混凝土开裂，严重降低工程结构的可靠性。研究表明氯离子是造成水工混凝土破坏的最主要因素。
此外，水位变动区混凝土的冻融破坏、水对混凝土构件的;中刷磨损也对混凝土耐久性产生破坏作用。
3 混凝土结构的耐久性要求及提高耐久性的措施
混凝土结构的耐久性与结构所处环境条件、结构使用条件、结构形式和细部构造、结构表层保护措施以及施工质量等均有关系。新编的《水工混凝土结构设计规范》(以下简称《规范》)对混凝土结构的耐久性控制提出了要求。耐久性设计主要根据规范对耐久性的要求采取以下保证措施。
3.1 划分混凝土结构的环境类别
设计永久性建筑物时，应满足结构的耐久性要求。建筑物所处的环境条件可划分为四类，设计时可按结构所处的不同类别提出相应的耐久性要求。也可根据结构表层保护措施的实际情况及预期的施工质量控制水平，将环境类别适当提高或降低，但不应低于一类环境，也不应高于四类环境。临时性建筑物及大体积结构的内部混凝土可不提出耐久性要求。
3.2 原材料的选择与施工质量的控制
为保证结构具有良好的耐久性，首先应正确选用原材料，加强原材料质量检测。例如：环境对混凝土有硫酸盐侵蚀时，应优先采用抗硫酸盐水泥;有抗冻要求时应优先采用大坝水泥及硅酸盐水泥并掺用引气剂;位于水位变化区的混凝土宜避免采用火山灰硅酸盐水泥。对于骨料应控制杂质的含量，特别应避免含有蛋白石等有潜在活性会引起碱—骨料反应的颗粒。混凝土的密实性会严重影响结构的耐久性，因此混凝土的级配、拌和、运输、浇筑、振捣和养护应严格遵照施工规范的规定。
3.3 混凝土最低强度等级
对于有耐久性要求的结构，混凝土强度等级不宜过低，应按不同环境条件类别，采用不低于《规范》中所列的最低值。
3.4 混凝土最大水灰比
混凝土的水灰比对耐久性的影响很大。实验证明，当水灰比小于0.3时，钢筋就不会锈蚀。国外一些海工混凝土建筑的水灰比一般都控制在0.45以下。所以在设计时应严格控制混凝土的水灰比，使其不大于《规范》中所列数值。
3.5 混凝土最小水泥用量
水泥用量也是影响混凝土的密实性和碱性(抗碳化能力)的重要因素。为提高耐久性，混凝土的水泥用量不宜少于《规范》中所列数值。
3.6 混凝土抗渗性
混凝土越密实，水灰比越小，其抗渗性越好。混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，水工混凝土抗渗等级按 28d 龄期的标准试件测定，分为W2、W4、W6、W8、W10、W12 六级。设计中根据建筑物开始承受水压力的时间，也可以利用60天或90天龄期的试件测定。水工混凝工所需要的抗渗等级应根据所承受的水头、水力梯度以及下游排水条件、水质条件和渗水的危害程度等因素确定，并不得低于《规范》中所列数值。掺用加气剂、减水剂可以显著提高混凝土的抗渗性能。
3.7 混凝土的抗冻等级
混凝土处在冻融交替的环境，如果抗冻性不足，就会发生剥蚀破坏。调查指出，在严寒和寒冷的地区，水工混凝土的剥蚀是极为严重的，特别是处于长期潮湿条件下建筑物的阴面及水位变化部位，此问题更为突出。实践表明，即使在气候温和的地区，如果抗冻性不足，混凝土也会疏松以致剥蚀露筋。混凝土的抗冻性用抗冻等级来标志，按28d 龄期的试件用快冻试验方法测定，分为F400、F300、F200、F150、F100、F50六级。经论证，也可用 60d 或 90d 龄期的试件测定。
对于有抗冻要求的混凝土结构，应按《规范》根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和度、结构构件重要性和检修条件等选其水泥、掺合料、外加剂的品种和数量，水灰比、配比及含气量等应通过试验确定或按照《水工建筑物抗冻设计规范》选用。
3.8 钢筋的混凝土保护层
对钢筋混凝土结构构件来说，耐久性较大程度上取决于钢筋是否锈蚀。而钢筋锈蚀又与混凝土碳化达到钢筋表面的时间有关，大约正比于保护层厚度的平方。所以，对于钢筋混凝土结构，混凝土保护层的厚度及密实性是决定结构耐久性的关键。混凝土保护层不仅要有一定的厚度，还必须浇捣密实，且注意养护防裂。
3.9 结构配筋与型式
结构的型式应有利于排去局部积水，避免水气凝聚于区间。当环境条件类别为三、四类时、钢筋混凝土结构不宜采有用薄壁和薄腹型的多棱角结构型式，以免多方向掺入CO2，加快混凝土的碳化速度。传统的设计观点是尽可能采用细直径、密间距的配筋方式，使横向的受力裂缝能分散和变细，但对于普通钢筋混凝土，横向受力裂缝的危害并不十分严重，而在某些结构部位，构造钢筋及预埋件特别多，如果加上过密的配筋，反而会造成混凝土浇筑不易密实的缺陷。不密实的保护层将严重降低结构的耐久性。因此，配筋方式应全面研究而不宜片面强调密而细的方式。对遭受高速水流空蚀的部位，应改善结构型式与通气条件，提高混凝土密实度，严格保证结构表面的平整度或采用专门防护面层。有泥沙磨蚀的部位，应采用质地坚硬的骨料，降低水灰化，提高混凝土强度等级，改进施工方法，必要时可采用耐磨护面材料。同时结构构件在正常使用阶段的受力裂缝宽度也应控制在允许的范围内，特别对于配置高强钢丝预应力混凝土构件则必须严格抗裂。因为，高强钢丝稍有锈蚀，就易引发应力腐蚀而脆断。
结束语
水工混凝土受到多种侵蚀破坏，其耐久性设计也必须考虑到多种方法。在设计中既要合理的选择结构形式、原材料和构造要求;又要根据工程实际，充分利用高技术手段和产品，尽最大可能提高工程的耐久性和可靠性。
参考文献
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[3]张誉，蒋利学，屈文俊。混凝土结构耐久性概论【M】。上海：上海科学技术出版社，2011.
