水工混凝土建筑物老化的原因與防治措施論文
1、 引言
混凝土是水利工程中廣泛應(yīng)用的建筑材料， 用它建造的閘、壩、渡槽、涵管、隧洞、電站廠房等水工建筑物數(shù)不勝數(shù)。這些建筑物， 隨著運行年齡的增長、運行條件的改變、環(huán)境的變化， 病害日趨嚴(yán)重， 謂之為混凝土建筑物的老化或劣化。尤其是那些設(shè)計欠妥、施工質(zhì)量差和管理不善的建筑物， 問題更為突出， 有的已危及建筑物的安全運行， 使水利水電工程的社會效益和經(jīng)濟效益受到了很大的損失。所以， 混凝土建筑物的老化問題引起了廣泛關(guān)注和重視。探討混凝土建筑物老化的原因和尋求防治的對策， 也成為工程技術(shù)人員的熱門課題。
2、 我國水工混凝土建筑物的病害情況
我國水利水電混凝土工程中存在的病害主要可歸納為六類：
�。�1） 混凝土的裂縫。水工混凝土建筑物中裂縫問題大量存在， 且以水電站廠房鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫更令人矚目， 有的已危及安全生產(chǎn)。
�。�2） 滲漏和溶蝕。滲漏問題與裂縫問題同樣普遍存在， 滲漏對大壩混凝土產(chǎn)生了溶蝕破壞， 并由此還帶會來的其它病害。
�。�3） 沖刷磨損和氣蝕破壞。該類破壞主要集中在黃河流域和西南地區(qū)。
（4） 凍融破壞。東北、西北和華北地區(qū)， 凍融破壞是大壩混凝土的主要病害之一， 又以東北地區(qū)最嚴(yán)重。
（5） 混凝土的碳化和鋼筋銹蝕。由于空氣中二氧化碳對混凝土的侵蝕， 引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕破壞， 危害嚴(yán)重的主要是電廠的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土閘。
�。�6） 水質(zhì)侵蝕。西北地區(qū)的硫酸鹽侵蝕及華東地區(qū)的工業(yè)污水侵蝕， 已經(jīng)造成了混凝土水工建筑物的破壞， 有的還構(gòu)成了安全運行的潛在威脅。
除以上六類主要病害外， 在大壩混凝土中還存在低強風(fēng)化剝落， 堿骨料反應(yīng)， 壩頂局部升高等問題。
3、 混凝土老化的原因
混凝土老化的原因雖然十分復(fù)雜， 但是大體上可分為物理的和化學(xué)的兩個方面。
3.1、 物理原因
混凝土劣化的物理原因有兩類：
第一類是表面的磨損破壞， 有磨耗、漂蝕、空蝕三種現(xiàn)象。磨耗容易理解；漂蝕是由于流水中的固體懸浮物， 如砂礫、浮冰等對混凝土沖撞時發(fā)生的破壞；至于空蝕， 卻是個有趣的現(xiàn)象， 起因是在激流之中壓力降低， 產(chǎn)生氣泡， 從面對混凝土反復(fù)施加負(fù)壓和高壓的沖擊， 致使混凝土表面逐漸脫落和形成空洞。
第二類是混凝土受到外力的作用， 體積變化和嚴(yán)峻的環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的破壞性的裂縫。所謂外力的作用是指超載、撞擊以及周期荷載；體積變化主要是由混凝土內(nèi)部和外部的溫度梯度和濕度梯度引起的；環(huán)境溫度變化的影響， 則是指凍融循環(huán)的作用和火災(zāi)的影響。
3.2、 化學(xué)原因
使混凝土劣化的化學(xué)原因比物理原因更為復(fù)雜， 它亦可以分為三類。
第一類是由于混凝土中硬化水泥漿體的成分受到水解和浸析等反應(yīng)所引起的。主要是水泥漿體中的氫氧化鈣， 在浸水、滲水時， 被水份溶解， 接著又被水份帶走， 于是在水泥漿體中留下大量孔隙；同時使孔隙中的堿度降低， 促使水泥漿體中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣成分發(fā)生水解， 再發(fā)生浸析， 這就是所謂水解和浸析反應(yīng)。軟水的水解和浸析更為明顯， 如果水壓大、水流急， 混凝土滲透性高， 這種反應(yīng)過程更會加速， 這一類侵蝕的惡果是使混凝土中孔隙增加， 不但導(dǎo)致強度降低， 而且為外界侵蝕性介質(zhì)的入侵大開方便之門， 于是各種各樣的侵蝕介質(zhì)不斷進進出出， 加速了混凝土的破壞。
第二類是侵蝕性介質(zhì)與水泥漿體成分之間的反應(yīng)。比如， 混凝土受到酸性溶液的作用， 使混凝土內(nèi)部孔隙中溶液的堿度降低、石灰溶解以及水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生水解分解， 酸和鈣離子作用， 便生成可溶性物質(zhì)。而水份的浸析， 又把這些可溶性物質(zhì)移走， 也使混凝土內(nèi)部孔隙增加， 強度降低；另一些有機酸的介質(zhì)也能與鈣離子作用， 雖然所生成的是不溶解物質(zhì)， 體積也不一定發(fā)生膨脹， 但是使水泥漿體的結(jié)構(gòu)軟化， 孔隙增大， 滲透性也增大；還有一種化學(xué)反應(yīng)是在硫酸鎂溶液等介質(zhì)的作用下， 水泥漿體中水化硅酸鈣的鈣離子為介質(zhì)中的鎂離子所置換， 沉淀出氫氧化鎂， 當(dāng)混凝土受海水長期的侵蝕， 就可以觀察到這種現(xiàn)象， 氫氧化鎂也是一種軟質(zhì)的凝膠， 也能使水泥漿體結(jié)構(gòu)軟化。
第三類是侵蝕性介質(zhì)形成膨脹性產(chǎn)物的反應(yīng)。這類反應(yīng)在受到海水或硫酸鹽侵蝕的混凝土中很容易發(fā)現(xiàn)。主要是硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物的作用生成鈣礬石 （水化硫鋁酸鈣結(jié)晶） 和石膏。鈣礬石破壞的現(xiàn)象是混凝土脹裂。眾所周知， 鈣礬石在很多年以前就被稱為“米黑里斯桿菌”, 就已經(jīng)被看作是可怕的破壞混凝土機體的“白死病”的病菌；另一種膨脹性的破壞是堿-骨料反應(yīng)；即水泥中的堿性物質(zhì)與活性骨料之間的反應(yīng)；此外， 鋼筋的銹蝕， 也是化學(xué)反應(yīng)膨脹產(chǎn)物引起混凝土破壞的一種形式。
以上三類化學(xué)原因中， 第一、二兩類造成的破壞是逐漸發(fā)展的， 使混凝土強度隨著時間增長而逐漸變?nèi)�；而第三類�?前期雖有一段漸變過程， 但到了后期， 往往使混凝土很快出現(xiàn)裂縫、剝落、爆裂等現(xiàn)象。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的化學(xué)原因， 多半是第三類。
4、 混凝土老化的觀測
4.1、 表面觀測
混凝土老化的表面觀察內(nèi)容有：裂縫、剝落、破碎、爆裂、化學(xué)侵蝕、斑漬、露筋、滲漏析出物狀況等。
觀測方法有：表面硬度試驗， 如用回彈儀測定混凝土表面回彈值， 或用落錘法測定凹印推測混凝土強度等；音速法， 如用超聲法來檢測混凝土體內(nèi)的裂縫長度、寬度以及混凝土的強度， 用機械打擊檢測混凝土的強度等。
4.2、 內(nèi)部狀況觀測
觀測方法和內(nèi)容為：鉆取芯樣測定混凝土強度和密實度、含水量， 觀察堿-骨料反應(yīng)跡象、骨料狀況、鋼筋狀況、接縫狀況等；引拔試驗， 即在混凝土中預(yù)埋引拔試桿， 檢查時將試桿從混凝土中拔出， 從引拔強度推測混凝土抗壓強度；鉆取芯樣后， 用酚酞酒精溶液檢測混凝土碳化深度及觀察鋼筋銹蝕情況。
5、 混凝土老化的防與治
5.1、 混凝土老化的預(yù)防
對混凝土工程的調(diào)查表明， 混凝土的壽命是可以很長的， 而且經(jīng)常性的維修費用也很少， 也說， 只要認(rèn)真做好預(yù)防工作， 混凝土的衰老是可以廷緩的。
國內(nèi)外混凝土專家都在積極進行廷緩混凝土衰老的.研究。研究重點是通過對混凝土劣化和破壞的過程及機理的分析， 弄清楚實際環(huán)境中侵蝕混凝土的單一因素、綜合因素和主要因素， 然后提出有效的防止對策。
行之有效的對策有：在混凝土中摻加引氣劑， 這是對付凍融循環(huán)破壞的有效辦法， 因為引氣混凝土中的微細(xì)氣泡能起減壓作用， 顯著增強了抗凍能力；又如在混凝土中應(yīng)用粉煤灰、磨細(xì)高爐礦渣等活性粉料， 可以有減少水泥用量、相應(yīng)減少堿含量、氫氧化鈣含量， 減少浸析作用， 抑制堿-骨料反應(yīng)， 并能使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密， 降低水化熱， 減少出現(xiàn)溫度裂縫的危險性；尤其是活性粉料和減水劑等化學(xué)外加劑的結(jié)合使用， 對提高混凝土的質(zhì)量、延緩它的老化效果尤佳， 這種辦法比聚合物水泥混凝土和聚合物浸漬混凝土經(jīng)濟得多， 因此已引起國內(nèi)外工程界的重視。
5.2、 老化混凝土的治理
對老化混凝土的治理， 有以下幾種方法：
�。�1） 混凝土更新
有些部位需全部鑿去已劣化的混凝土， 以置換新的。一般開鑿時使用風(fēng)鎬， 清除疏松表面時采用噴砂， 安置模板， 在新老混凝土的結(jié)合面上噴涂砂漿， 澆筑新混凝土通常采用氣壓澆注的辦法， 并須加以適當(dāng)?shù)恼駥�。在有些情況下， 采用在混凝土中加入少量鋁粉的辦法 （每100公斤水泥加鋁粉4~6克） 使新混凝土略有膨脹， 有助于與老混凝土緊密結(jié)合。也有的摻用膨脹劑、膨脹水泥、或?qū)Ｓ玫幕炷量煊餐鈸絼┑取?/p>
（2） 表面缺陷的修復(fù)
如果只是發(fā)現(xiàn)建筑物的表面混凝土劣化， 或局部的剝落、爆裂， 就只需在表面上清除劣化或疏松的部分， 填補一層新混凝土， 必要時在修復(fù)面積較大、厚度較深的情況下， 還須埋設(shè)鋼筋拉桿和焊接鋼絲網(wǎng)片， 然后再澆灌或噴射新混凝土。如果是混凝土路面發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象， 則可用環(huán)氧砂漿或環(huán)氧混凝土修補。
（3） 干堵法
干堵法比較簡便， 適用于填補不太深的洞穴。就是將稠度較為干硬的水泥砂漿， 分層堵入洞穴， 并逐一用棒錘搗壓平整。
�。�4） 表面涂層和新混凝土層
有些混凝土劣化的程度或深度有限， 或由于其它種種原因， 不能鑿除表面的混凝土， 而需要增強混凝土對環(huán)境侵蝕的抵抗力， 往往只采用施加表面涂層的辦法。近年常用有機硅、環(huán)氧樹脂漆、橡膠涂料和橡膠瀝青涂料等， 噴涂在混凝土表面上， 效果較好。根據(jù)研究， 如再加鋪一層細(xì)石混凝土， 增強耐久性的效果則更好。
�。�5） 裂縫修補
裂縫的修補， 要根據(jù)具體情況， 選擇封縫或灌縫的方法。封縫材料主要是瀝青、橡膠瀝青、聚硫化合物、環(huán)氧樹脂等， 灌縫材料有粉煤灰無機灌漿材料、化學(xué)灌漿材料等。施工的方法則有冷法和熱法之分。
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