水工结构混凝土老化的检测与评估

张青松 崔德密 吕列民 张今阳

（安徽省·水利部淮河委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

水工结构混凝土老化的检测与评估

张青松 崔德密 吕列民 张今阳

（安徽省·水利部淮河委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

水工混凝土老化评价体系包括工程环境调查、混凝土外观检查及现场试验、混凝土劣化机理研究及耐久性试验和混凝土结构的耐久性评估。被鉴定的排涝闸混凝土结构劣化主要问题在于混凝土中钢筋的锈胀引起的裂缝，由于裂缝的存在加速了劣化过程，使得工作桥梁及交通桥梁处于工作的危险状态。由此需要对交通桥板进行更换，对工作桥梁进行修补、加固及防护。

水工混凝土 老化 混凝土裂缝 检测与评价

实践经验表明，水工建筑物常常无法达到设计使用年限，对于钢筋混凝土结构，由于材料失效而需要对结构进行修复和更新的投入日益增大。据估算，对已建水工钢筋混凝土建筑物因为混凝土劣化进行后期处理所需资金占前期投入的0.4～0.6倍，甚至有部分工程未达设计使用年限即拆除重建。有调查表明，处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15～20年，桥梁、港口等基础设施工程尤其严重，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂情况。有专家指出，我国基础设施工程建设的高潮还在延续，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有大修的高潮，其耗费将倍增于工程建设时的投资，而原因却往往是由于混凝土耐久性不足引起的。混凝土耐久性定义为混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何其他劣化过程的抵抗能力，受外界因素的影响，材料的微观结构和性能随时间而变化，在特定的使用条件下，如果材料的性能呈现出一定程度的劣化，以致继续使用将不安全或不经济，则可以认为该材料的服役寿命已经结束。

1 混凝土老化评价

1.1 水工混凝土老化评价体系内容

1.1 .1 工程环境调查

结构物所处的环境条件是影响结构耐久性的重要因素之一。由于工程所处环境不同，在对水工混凝土劣化情况进行检测与评价时，必须对工程所处的环境进行详细调查，初步分析可能造成混凝土耐久性侵蚀的各种不利因素，调查内容包括空气质量、水质情况、冻融条件及使用状况等。

1.1 .2 混凝土外观检查及现场试验

外观检查和现场试验是检验混凝土质量和评价其耐久性的最直观有效的手段。外观检查主要是对混凝土的裂缝开展情况、腐蚀状态、特征、部位等进行详细描述；现场试验的项目包括混凝土强度检测、混凝土保护层厚度和碳化深度测试、裂缝检测与分析及混凝土化学成分变化、水质和生物分析等。

1.1 .3 混凝土劣化机理研究及耐久性试验

根据工程环境调查及现场试验结果，选择其中的若干主要因素（如混凝土碳化、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀等），分析混凝土耐久性的劣化主因，模拟现场环境，研究多因素作用下混凝土耐久性劣化规律。

1.1 .4 混凝土结构的耐久性评估

混凝土结构的耐久性损伤，如钢筋锈胀截面损失、混凝土裂缝、混凝土表面磨损剥落等，对构件本身以及整体结构安全都有一定的影响。目前，已有一些较成熟的混凝土结构耐久性评估模型，其中较为值得关注的是混凝土劣化整体模型。

1.1 .5 提高混凝土结构耐久性的技术措施

在研究混凝土结构耐久性损伤和劣化机理的同时，有必要从改进设计、加强施工管理和防止继续劣化等方面探求提高混凝土结构耐久性的技术措施。

2 工程实例

2.1 工程概况

某排涝灌溉闸于1969年12月建成并投入使用，排涝流量8000m3/s，设计标准为5年一遇。该闸共7孔，每孔净宽3m，净高6m，开敞式结构，上、下游连接段及闸室段全长63m，闸底板高程29.0m，顺水流方向长9.5m，闸门采用钢筋混凝土板梁式结构，闸墩为钢筋混凝土结构，启闭台墩为砖砌结构，启闭机梁为钢筋混凝土预制梁，下游侧设现浇钢筋混凝土板式公路桥，桥面总宽5m，上下游连接段翼墙及护坡均为砌砖结构。

2.2 外观质量检查

现场检查发现以下一些特征：水上部分结构配筋构件存在较多的钢筋锈蚀外露，主要是因混凝土碳化超过保护层引起钢筋锈蚀，表面混凝土起壳剥落后引起露筋，其中启闭机梁钢筋外露锈蚀较严重，局部主筋锈蚀截面损失率达到20%，严重影响桥面结构的安全；混凝土蜂窝和孔洞，混凝土在浇筑时未充分振捣引起；混凝土边墩表面有少数渗水裂缝，并有析钙现象；长期处于水下的混凝土表层水生物覆盖较严重，混凝土表面呈深色或者黑色；没有发现明显的硫酸盐侵蚀形成的结构混凝土的疏松、渗水等；闸门止水等橡胶件经过更换，目前止水效果一般。混凝土沉降缝中沥青老化脱落严重。

2.3 现场检测及结果

现场采用钻芯法对混凝土强度、混凝土保护层厚度及碳化深度进行检测，检测结果如表1。为了解不同混凝土部位的强度、碳化及内部钢筋锈蚀情况，选取常态为干燥及潮湿的混凝土进行测试。同时对钻取的混凝土试样进行氯离子含量快速测定，经过换算后知混凝土中氯离子含量占胶凝材料总量的0.015%，满足规范要求。

从测试结果看，工作桥梁及交通桥板混凝土强度低于设计要求，分析认为是由于施工时混凝土配合比控制不当所致。结合外观质量检查及混凝土保护层及碳化深度测试表明，工作桥梁及交通桥板劣化的主要问题为混凝土保护层不满足设计要求，混凝土内部钢筋锈蚀引起裂缝，从而加速了整体劣化。

2.4 混凝土化学成分分析

混凝土处于空气中会与空气中的CO2与水结合，发生化学反应，即混凝土的碳化，生成的主要产物是CaCO3。这个反应过程由表及里，或由混凝土不密实区侵入，使得混凝土中CaCO3含量产生变化。采用多晶X射线衍射分析方法对混凝土的化学成分进行分析，根据测试结果可得到以下结论：①各试样含量最多的是SiO2，其主要来源于骨料（石英砂）；②CaCO3是混凝土碳化的主要产物，CaCO3含量沿混凝土深度方向呈明显下降的趋势，表面碳化层以下混凝土的碳酸钙含量逐渐减小至接近0；③表层混凝土中基本没有水泥凝胶产物，表明表层混凝土在碳化、侵蚀的作用下已丧失了水泥石的强度、密实性等性质；④在深层混凝土试样中存在二水石膏和钙钒石，在混凝土的深层部位发现这两种化学成分，表明在混凝土深层部位尚未被外界条件所侵蚀破坏。

2.5 混凝土腐蚀原因

混凝土的腐蚀原因可分为物理作用和化学作用两大类。物理作用主要包括磨耗、剥蚀和气蚀作用造成的混凝土表面磨损和物质损失，正常温度和湿度梯度、盐类在孔中的结晶压力、结构荷载以及结构暴露于急剧变化的温度中（如结冰或火灾）引起的开裂等。化学作用主要包括水泥浆体组成成分被软水水解，侵蚀性液体和水泥浆体间阳离子交换反应，导致膨胀性产物的反应，如硫酸盐侵蚀产生膨胀、碱-骨料反应产生的膨胀和钢筋混凝土中钢筋的腐蚀。混凝土损坏的物理作用和化学作用是互相促进、彼此重叠的。

表1 混凝土强度、保护层及混凝土碳化深度测试结果

该工程建成投入使用已近四十年，混凝土结构劣化主要问题在于混凝土中钢筋的锈胀引起的裂缝，由于裂缝的存在加速了劣化过程，使得工作桥梁及交通桥梁处于工作的危险状态，对于交通桥梁应立即进行封闭管制，防止安全事故的发生。混凝土强度及碳化深度测试结果表明，局部混凝土强度低于设计要求，需重新进行复核计算，并采取相应的措施进行补强加固处理。

3 混凝土劣化主要问题及处理方案

综合以上，对造成结构混凝土劣化的原因为混凝土保护层厚度偏薄，结构构件受力钢筋锈蚀，钢筋截面损失较大，承载力不足等。为确保工程安全使用，建议对交通桥板进行更换，对工作桥梁进行修补、加固及防护，方法如下：凿除破损拱肋深50mm增补钢筋，喷砂除锈至钢筋原色或除去老混凝土面层2～3mm，在修补处喷涂聚合物防碳化砂浆薄层，喷射提高一个强度等级的普通砂浆至修补处，在所有混凝土表面喷涂4～5mm厚防碳化砂浆浇水养护，如有必要，外表面以碳纤维进行加固。

4 结语

对投入使用多年工程的混凝土结构的评价是保证工程长期安全运行的必要程序。本文有步骤地对结构混凝土劣化进行检测与分析评价，对混凝土的工作状态进行划分，抓住主要劣化原因，并提出相应措施，以确保工程运行使用安全，对混凝土结构构件有针对性地进行加固及防碳化处理。水工混凝土老化评价体系的研究尚属初级阶段，许多关键问题，如多种因素共同作用的混凝土耐久性试验方法，混凝土耐久性的理论评估模型、评价标准等，需在以后的研究和工程实践中不断补充、完善

（专栏编辑：张 婷）