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不勝數。這些建筑物， 隨著運行年齡的增長、運行條件的改變、環境的變化， 病害日趨嚴重， 謂之為混凝土建筑物的老化或劣化。尤其是那些設計欠妥、施工質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構中的裂縫更令人矚目， 有的已危及安全生產。
（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。
（4） 凍融破壞。東北、西北和華北地區， 凍融破壞是大壩混凝土的主要病害之一， 又以東北地區最嚴重。
（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， 引起鋼筋混凝土結構中鋼筋的銹蝕破壞， 危害嚴重的主要是電廠的鋼筋混凝土結構和鋼筋混凝土閘。
（6） 水質侵蝕。西北地區的硫酸鹽侵蝕及華東地區的工業污水侵蝕， 已經造成了混凝土水工建筑物的破壞， 有的還構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化剝落， 堿骨料反應， 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雜， 但是大體上可分為物理的和化學的兩個方面。
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生的破壞；至于空蝕， 卻是個有趣的現象， 起因是在激流之中壓力降低， 產生氣泡， 從面對混凝土反復施加負壓和高壓的沖擊， 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， 體積變化和嚴峻的環境溫度變化所產生的破壞性的裂縫。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部和外部的溫度梯度和濕度梯度引起的；環境溫度變化的影響， 則是指凍融循環的作用和火災的影響。
3.2、 化學原因
使混凝土劣化的化學原因比物理原因更為復雜， 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生水解， 再發生浸析， 這就是所謂水解和浸析反應。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， 不但導致強度降低， 而且為外界侵蝕性介質的入侵大開方便之門， 于是各種各樣的侵蝕介質不斷進進出出， 加速了混凝土的破壞。
第二類是侵蝕性介質與水泥漿體成分之間的反應。比如， 混凝土受到酸性溶液的作用， 使混凝土內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生水解分解， 酸和鈣離子作用， 便生成可溶性物質。而水份的浸析， 又把這些可溶性物質移走， 也使混凝土內部孔隙增加， 強度降低；另一些有機酸的介質也能與鈣離子作用， 雖然所生成的是不溶解物質， 體積也不一定發生膨脹， 但是使水泥漿體的結構軟化， 孔隙增大， 滲透性也增大；還有一種化學反應是在硫酸鎂溶液等介質的作用下， 水泥漿體中水化硅酸鈣的鈣離子為介質中的鎂離子所置換， 沉淀出氫氧化鎂， 當混凝土受海水長期的侵蝕， 就可以觀察到這種現象， 氫氧化鎂也是一種軟質的凝膠， 也能使水泥漿體結構軟化。
第三類是侵蝕性介質形成膨脹性產物的反應。這類反應在受到海水或硫酸鹽侵蝕的混凝土中很容易發現。主要是硫酸鹽與水泥水化產物的作用生成鈣礬石 （水化硫鋁酸鈣結晶） 和石膏。鈣礬石破壞的現象是混凝土脹裂。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；即水泥中的堿性物質與活性骨料之間的反應；此外， 鋼筋的銹蝕， 也是化學反應膨脹產物引起混凝土破壞的一種形式。
以上三類化學原因中， 第一、二兩類造成的破壞是逐漸發展的， 使混凝土強度隨著時間增長而逐漸變弱；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裂縫、剝落、爆裂等現象。現在發現， 鋼筋混凝土結構破壞的化學原因， 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容有：裂縫、剝落、破碎、爆裂、化學侵蝕、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、 內部狀況觀測
觀測方法和內容為：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、 混凝土老化的預防
對混凝土工程的調查表明， 混凝土的壽命是可以很長的， 而且經常性的維修費用也很少， 也說， 只要認真做好預防工作， 混凝土的衰老是可以廷緩的。
國內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， 這是對付凍融循環破壞的有效辦法， 因為引氣混凝土中的微細氣泡能起減壓作用， 顯著增強了抗凍能力；又如在混凝土中應用粉煤灰、磨細高爐礦渣等活性粉料， 可以有減少水泥用量、相應減少堿含量、氫氧化鈣含量， 減少浸析作用， 抑制堿-骨料反應， 并能使混凝土內部結構致密， 降低水化熱， 減少出現溫度裂縫的危險性；尤其是活性粉料和減水劑等化學外加劑的結合使用， 對提高混凝土的質量、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濟得多， 因此已引起國內外工程界的重視。
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。一般開鑿時使用風鎬， 清除疏松表面時采用噴砂， 安置模板， 在新老混凝土的結合面上噴涂砂漿， 澆筑新混凝土通常采用氣壓澆注的辦法， 并須加以適當的振實。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合。也有的摻用膨脹劑、膨脹水泥、或專用的混凝土快硬外摻劑等。
（2） 表面缺陷的修復
如果只是發現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， 必要時在修復面積較大、厚度較深的情況下， 還須埋設鋼筋拉桿和焊接鋼絲網片， 然后再澆灌或噴射新混凝土。如果是混凝土路面發現剝落現象， 則可用環氧砂漿或環氧混凝土修補。
（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。根據研究， 如再加鋪一層細石混凝土， 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、環氧樹脂等， 灌縫材料有粉煤灰無機灌漿材料、化學灌漿材料等。施工的方法則有冷法和熱法之分。
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