献县枢纽水工建筑物混凝土碳化分析

贾海鹰

前言

献县枢纽始建于1966年，1967年完工，在经历“96·8”洪水后，工程于2000年进行了改建。2000年9月献县枢纽除险加固工程开工建设，2002年12月工程竣工验收。工程等别为 Ⅱ等，工程规模为大（2）型。枢纽是子牙河系重要的防洪枢纽工程，位于献县县城西北，在子牙河和子牙新河的进口处，上承滹沱河、滏阳河、滏阳新河来水，使洪水主要由子牙新河下泄，控制子牙河不再担负主要的泄洪任务，只作为供水、排水及相机泄洪的河道。它利用进洪闸和节制闸调节控制子牙新河和子牙河泄量，从而实现通过子牙河供水兴利和相机泄洪的作用。是献县泛区泄洪的重要工程，也是子牙河系三大枢纽工程之一。

1. 基本情况

献县枢纽经过40多年的运行，随着运行年限的增长，混凝土建筑物部位普遍出现老化现象，主要表现在混凝土的碳化和内部钢筋锈蚀。枢纽机架桥部位多出出现长度超过25cm的开裂，形成顺筋裂缝，有些部位出现3~5mm的鼓起甚至有锈水渗出。进洪闸公路桥及桥墩、机架桥及桥墩、闸底部位混凝土出现面积大于0.015m2疏松甚至剥落，造成部分钢筋裸露在混凝土外面，锈蚀程度比较严重。闸墩底部及闸底水位变化区混凝土结构碳化深度普遍较深，一般为20～60mm，最大甚至超过90mm，远均超过钢筋保护层厚度，结构钢筋普遍锈蚀。特别是混凝土结构变形缝部分碳化现象更为明显，混凝土表面出现疏松剥落、裂缝鼓起，甚至有锈水渗出。这些现象降低了献县枢纽运行的安全度。

2. 混凝土碳化概念及危害

2.1 混凝土碳化概念

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀，又称为混凝土的中性化，是指混凝土中原呈碱性的氢氧化钙，在空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，逐渐变成呈中性的碳酸钙的过程，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。 是造成混凝土使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程，其化学反应为：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碳化后，碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜Fe2O3和Fe3O4(钝化膜)遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，加快了混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

2.2混凝土碳化危害

混凝土碳化有混凝土“癌症”之说，混凝土碳化碳化后使内部的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积比原来膨胀2~4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，锈蚀越严重，铁锈越多，膨胀力越大，最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝。裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内，从而又加速了碳化和钢筋的锈蚀。

3.混凝土碳化影响因素

水工建筑物混凝土碳化的影响因素较多，既有水泥及骨料品种、水泥用量、水灰比、施工质量、养护质量等内在因素，也有周围介质的浓度高低及湿度大小、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法等外界因素。这里主要是探讨周边环境等外界因素对枢纽混凝土碳化的影响。

3．1 酸性介质

酸性水体、气体（如CO2）渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，与混凝土中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应，导致混凝土逐渐变质，混凝土的碱度降低，这是引起混凝土碳化的直接原因。由于近年来上游服装、化工、电镀等工业产生的大量工业污水排入滹沱河、滏阳河、滏阳新河中，水体严重污染，造成水体常年呈酸性PH＜6，且水体中含有大量的氯离子（CL-），这些废水汇集到枢纽上游，加速了混凝土的碳化。特别是浸水部位闸墩底部混凝土中钢筋锈蚀情况尤其明显，水体中的氯离子（CL-）在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙，氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃灿性锈蚀。

3．2温度和光照

环境温度引起混凝土温度骤升骤降，导致其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落。节制闸机架桥、公路桥等向阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，特别是在昼夜温差较大的情况下，温度骤升骤降，容易形成细微裂缝，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速了其化学反应和碳化速度，出现露筋情况，造成阳面比阴面混凝土碳化情况更加明显。

3．3含水量和相对湿度

混凝土碳化速度跟混凝土的含水量及周围环境介质的相对湿度有密切联系。周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。当周围介质的相对湿度为50~70%，混凝土碳化速度最快。过高的湿度（如95%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如15%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；枢纽混凝土结构近水部位碳化程度比较明显，这主要是受湿度影响的结果。

3．4冻融和渗漏

在混凝土浸水区或水位变化部位，由于温度交替变化，特别是初冬初春季节，混凝土内部孔隙水交替的冻结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度，恶化钢筋锈蚀条件。

4.混凝土碳化的防止措施

4．1设计及施工方面

设计上应根据水工建筑物中不同的结构形式和所处的不同环境因素，分别对混凝土的保护层采取不同的厚度，对近水部位增加厚度，应尽量避免一律采用2~3cm。

施工中为保证混凝土的质量。一要认真选择混凝土材料。水泥选用抗碳化能力强的硅酸盐水泥；集料选用质地硬实和级配良好的砂石料；施工中要进行筛洗以及剔除集料中的有害物质。二要掺入适宜的优质减水剂、阻水剂等，提高强度和密实性、抗渗性、抗冻性。三要严格控制水灰比，尽量减少混凝土的自由水，把水的用量控制在满足配料和施工需要的最低范围内。四要充分振捣并严格按照规定标准进行，必要时可作表面处理。五要养护及时，一旦混凝土达到初凝时应立即进行养护，控制好环境的温度和湿度，按不同水泥品种所要求的时间养护。六要保证钢筋混凝土保护层厚度，使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。七要做到少留或不留施工缝，必须要留的应作好接缝处的工艺处理，对水上部位可采用SR嵌缝膏进行表面封闭；对水下部位可采用SBS改性沥青灌注封闭。

4．2运行使用方面

在枢纽运行使用过程中，水工建筑物使用条件的改变，直接关系到外界水体、气体、温度、湿度等因素变化所引起的混凝土内部某些情况的变化，尤其是对于混凝土构件的容易碰撞部位，更应当设置包角和隔层保护。水工建筑物要严格按照原设计的使用条件运行。

4．3日常管理方面

对于枢纽水工建筑中混凝土构件的管理，主要是定期检查、加强维护。对于容易产生碳化的混凝土构件，应派专门技术人员定期观察及测试温度、湿度，检查裂缝情况和碳化深度，并作好详细记录。若发现混凝土表面有开裂、剥落现象时，则应及时利用防护涂料对混凝土表面进行封闭或采取使混凝土表面与大气隔离措施，绝对不允许其裂缝继续扩大，必要时可作混凝土补强处理。

4.4 水污染治理方面

近年来，随着上游服装、化工、电镀、制革等工业的快速发展，产生的大量未经处理工业污水排入被称为“冀南母亲河”的子牙河中，特别是96·8后污染情况加剧，导致枢纽混凝土的碳化速度明显变快，大大缩短了工程运行寿命。因此，应通过完善水污染防治法律法规，健全污染治理组织机构，加大水污染的治理的力度通过限排等手段，使河流水质达到标准，减缓沿途枢纽碳化速度，延长工程运行寿命。

5．结束语

影响水工建筑物中混凝土碳化的因素很多，问题比较复杂，预防防治措施还有待于进一步研究。以上所述的枢纽水工建筑物混凝土碳化的因素与对策，也适用于其他建筑物中混凝土碳化的研究。

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