混凝土碳化冻融破坏及防治

通过分析混凝土碳化和冻融破坏的机理及影响因素，提出了水工建筑物混凝土碳化和冻融破坏的防治措施。原则上，预防重于治疗，以达到或延长工程的使用寿命。
关键词:防治混凝土碳化和冻融破坏水工建筑物
1前言
水工建筑物多由混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处于恶劣气候中，受泥沙、水流、物理、化学、温度等多种因素的影响。碳化和冻融破坏是混凝土常见的破坏形式，大大缩短了许多水工建筑物的使用寿命，造成了极大的浪费。如吉林省丰满水电站，大坝某处水平施工缝的开口宽度超过1cm另一个例子是建于1976年的唐海县双九河口东潮闸。到了1986年，很多混凝土构件产生了很多裂缝，露出了钢筋。我省宝鸡峡灌区部分渠道和部分混凝土渠道也存在严重的冻融破坏，有必要进一步探讨水工混凝土碳化和冻融破坏的机理及防治措施。
2混凝土碳化及冻融破坏机理分析
2.1混凝土碳化
混凝土碳化是混凝土遭受的一种化学腐蚀。空气体中的CO2气体渗透到混凝土中，与其碱性物质反应生成碳酸盐和水。降低混凝土碱度的过程叫混凝土碳化，也叫中和。其化学反应为:Ca (OH) 2+CO2 = CaCO3+H2O。水泥水化过程中生成大量氢氧化钙，使混凝土空间隙充满饱和氢氧化钙。碳化后，混凝土的碱度降低。当碳化超过混凝土的保护层时，在水和空气体的存在下，混凝土将失去对钢筋的保护作用，钢筋开始锈蚀。可见，混凝土的碳化一般不会直接引起其性能的劣化。对于素混凝土来说，碳化也能提高混凝土的耐久性，但对于钢筋混凝土来说，碳化会降低混凝土的碱度，同时增加混凝土孔隙溶液中的氢离子数量，从而削弱混凝土对钢筋的保护作用。
2.2混凝土的冻融
混凝土的抗冻性是物理作用(干湿变化、温度变化、冻融变化等)的一个方面。)即混凝土所承受的，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。混凝土的抗冻性不能简单理解为抵抗冻融的性能。严寒地区不仅混凝土建筑有抗冻要求，温暖地区的混凝土建筑也会受到干湿冷热交替的破坏。时间长了，表层会剥落，结构松散。如浙江富春江水电站、湖南桃江水库等都不同程度遭受了冻融破坏。因此，研究混凝土的冻融损伤显得尤为重要。目前，对混凝土冻融破坏机理的认识并不完全一致。根据美国学者T.C.Powerse提出的广为认可的膨胀压力和渗透压理论，饱水混凝土在其冻融过程中的破坏应力主要由两部分组成。一是混凝土中的毛细水在一定的负温下发生状态变化时，由水变成冰，体积膨胀9%，由于毛细壁的约束形成膨胀压力，从而在孔洞周围的微结构中产生拉应力；二是毛细水冻结时，过冷水在混凝土微结构中的凝胶孔隙中迁移和再分布引起的渗流管压力。由于表面张力，混凝土毛细孔中水的冰点随着孔径的减小而降低。形成冰核的凝胶水温度在-78℃以下，因此冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水的盐浓度差引起水迁移，形成渗透压。
另外，凝胶不断增加，形成更大的膨胀压力。当混凝土冻结时，这两种压力会破坏混凝土的内部微观结构。只是经过反复的冻融循环，损伤逐渐积累和扩大，发展成相互连通的裂缝，使混凝土的强度逐渐降低，最终甚至完全丧失。从实践中不难看出，干燥状态下混凝土明显不存在冻融破坏的问题，因此饱和状态是混凝土冻融破坏的必要条件之一。另一个必要条件是外界气温的正负变化，使混凝土孔隙中的水反复冻融。这两个必要条件决定了混凝土的冻融损伤是来自混凝土表面的逐层剥蚀损伤。
3混凝土碳化和冻融破坏的影响及预防
3.1混凝土碳化的影响因素及预防
3.1.1混凝土碳化影响因素的检查
影响混凝土碳化速度的因素很多。首先，水泥类型影响很大，因为不同水泥所含的硅酸钙和铝酸钙的碱度不同；其次，混凝土碳化的影响主要与周围介质中CO2的浓度和湿度有关。在干燥和饱和水的条件下，碳化反应几乎停止，所以这除了水泥品种的影响因素外，也是一个很重要的原因。再次，在渗透过水的混凝土时，石灰的溶解速度也会取决于水中是否存在影响Ca(OH)2溶解度的物质。例如，当水中含有Na2SO4和少量Mg2+时，石灰的溶解度会增加。比如水中含有Ca(HCO3)2的Mg(HCO3)2，就非常有利于抵抗溶解侵蚀。因为它们在混凝土表面形成碳化保护层；此外，混凝土渗透系数、透水性、混凝土的过度振动、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压、养护方式等都与混凝土碳化密切相关。
3.1.2混凝土碳化破坏的防治
对于混凝土的碳化破坏，我们在施工中总结了一系列的处理措施:一是在施工中，要根据建筑物的地理位置和周围环境，选择合适的水泥品种；水位变化地区、干湿交替地区或寒冷地区应选用抗硫酸盐普通水泥；冲刷部分应选用高强度水泥；第二，分析骨料的性质，如耐酸骨料与水和水泥的作用，可以延缓混凝土的碳化。三是选择合适的配合比、适量的外加剂、优质的原材料、科学的拌制和运输、及时的养护等严格的技术手段，减少渗水和其他有害物质的侵蚀，保证混凝土的密实性；另外，如果建筑物位于环境恶劣地区，宜采用环氧基液体涂料，保护效果更好，并在建筑物地下部分周围设置保护层；用各种溶液浸泡混凝土，例如，用熔化的沥青涂抹混凝土。此外，如果建筑物的混凝土碳化，应使用环氧材料进行修复。如果碳化深度较大，可以凿开混凝土的疏松部分，冲洗掉进入的有害物质。混凝土的结合面应凿毛，用环氧砂浆或细石混凝土填充，最后涂环氧基液保护。