浅谈提升水工混凝土耐久性的技术措施

朱炳喜 许旭东

（江苏省水利科学研究院，江苏 扬州 225002）

0 引言

江苏地处江淮，滨临黄海，属亚热带向暖温带过渡地区，气温正负交替频繁，水环境复杂。水工混凝土受碳化、冻融、氯离子侵蚀、化学侵蚀等劣化作用，导致钢筋锈蚀、混凝土剥蚀破坏，水下部位混凝土还有冲蚀、磨蚀等问题。

为了适应水利现代化建设需要，规范水利工程设计、施工、运行等阶段与混凝土耐久性有关的技术工作，江苏省制定并颁布实施地方标准《水利工程混凝土耐久性技术规范》（DB32/T 2333-2013）（以下文简称《规范》）。

笔者简要分析部分工程混凝土碳化较快原因，提出提升水工混凝土耐久性的主要技术措施，希望有助于《规范》的理解和实施。

1 部分工程混凝土碳化检测分析

1.1 混凝土碳化速度统计

表1 为近年来江苏省建设的26座大中型水利工程60 个构件混凝土碳化速度系数统计结果和预测碳化至钢筋表面的时间。其中，混凝土设计强度等级为C25～C35，保护层厚度为40 mm。从表1 可见，近45%的构件钢筋受保护时间不足50年。

1.2 混凝土碳化速度较快原因分析

（1）对混凝土耐久性认识不够

大部分技术人员对混凝土认识还停留在传统的思维阶段，认为强度满足设计要求混凝土即合格，对现代混凝土材料组成、生产方式、浇筑和养护技术认识不够，因而对混凝土的材料组成、配合比设计、养护方式还延续传统的思维模式。

（2）设计文件缺乏深度

设计文件缺少针对混凝土所处环境进行耐久性设计，基本未提出混凝土耐久性指标。实施过程中主要由施工单位负责混凝土原材料选择和配合比设计，对混凝土强度和价格关心较多，对拌和物性能、耐久性考虑较少，没有针对混凝土设计年限和所处环境对配合比提出要求或进行论证。

对作为混凝土质量基础、与耐久性关系最密切的原材料指标，如水泥标准稠度用水量、骨料级配和粒形、外加剂与水泥适应性以及材料质量匀质性等没有提出具体要求。

（3）混凝土原材料质量波动影响大

混凝土原材料来源复杂，质量波动大，将对混凝土质量造成较大影响。

以水泥为例，28 d 抗压强度每降低1 MPa，混凝土水胶比需相应降低0.01～0.015，胶凝材料用量增加5～10 kg/m3；水泥标准稠度用水量每增加1%，混凝土用水量增加6～8 kg/m3。表2 计算了水泥强度波动、标准稠度用水量变化对C25 混凝土强度的影响。尽管施工中通过各种因素的综合叠加、相互抵消，因水泥质量波动引起混凝土强度变化不一定有这么大，但表2 数据说明水泥质量波动对混凝土质量的影响程度是比较大的。

（4）外加剂与水泥适应性差、减水率不高

水泥粒形、细度、石膏品种、温度等影响着与外加剂的适应性，《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）对水泥早期强度要求提高，迫使水泥越来越细，C3A、C3S 等早强和高强矿物组分越来越多，水泥早期水化热释放快，水泥温度也偏高。水泥与外加剂适应性变差，表现在：减水率降低，混凝土坍落度损失加快，实际用水量增加，抗裂性变差，裂缝自愈能力降低。

外加剂减水率影响混凝土用水量，也影响混凝土碳化速率。某工程C25 混凝土分别使用减水率12%、20%的减水剂，混凝土用水量分别为190 kg/m3、173 kg/m3，虽然混凝土强度均满足设计要求，但6.5年混凝土自然碳化深度前者是后者的1.4 倍。

表1 60 个构件混凝土碳化检测结果

表2 水泥标准稠度用水量、强度波动对C25 混凝土性能影响

（5）混凝土用水量大、水胶比高

水泥标准稠度用水量、掺合料需水性、骨料粒形与级配、外加剂减水率及其与水泥的适应性以及混凝土坍落度大小等影响混凝土用水量。

现阶段C25、C30 混凝土用水量基本在175～200 kg/m3之间，水胶比0.45～0.55，高 于GB/T50476-2008、CECS01－2004 等规范对混凝土水胶比和用水量的限值。施工过程中未能根据原材料质量的变化调整配合比，多数情况下保持水泥、砂、石、外加剂等用量不变，通过调整用水量使混凝土坍落度满足要求。

混凝土干燥后多余水份蒸发，在混凝土中形成孔隙，用水量越大，混凝土孔结构越不合理，孔径大于100 nm 的有害孔、多害孔越多，而无害孔、少害孔却在减少，腐蚀介质更易于在混凝土中渗透扩散。

（6）混凝土养护时间不足

施工速度普遍加快使混凝土常常得不到充分的早期养护，导致表层混凝土早期失水快，胶凝材料得不到充分水化，混凝土易产生有害孔、多害孔以及可见或不可见的裂缝。

一般要求未掺矿物掺合料混凝土养护时间不少于14 d，掺矿物掺合料混凝土养护时间不少于21 d，大掺量矿物掺合料混凝土养护时间不少于28 d。目前，大部分商品混凝土中粉煤灰、矿渣粉的掺量（含水泥中掺入的混合材料）已接近甚至达到大掺量矿物掺合料的掺量范围，而混凝土养护时间普遍达不到上述要求。

（7）表层混凝土水胶比高于内部混凝土

混凝土浇筑与振捣过程中，胶凝材料、水和集料中的微细颗粒，容易在靠近模板处聚集，造成表层混凝土的胶凝材料和含水量高，水胶比大于内部混凝土约0.06。

2 提升混凝土耐久性技术措施

提升水工混凝土耐久性要根据工程所处环境、设计年限、施工条件，通过正确的设计技术、优选材料、优化配合比、精心施工，推广应用新材料、新技术、新工艺，提高混凝土抗劣化能力。

2.1 确定混凝土设计使用年限

设计阶段需根据工程规模、重要性，合理确定混凝土设计使用年限。大型、中型和小（1）型水利工程混凝土设计使用年限分别不低于100年、50年和30年，扩建、改建、加固工程混凝土设计使用年限宜选择30年或50年。

2.2 混凝土耐久性能设计

《规范》将混凝土所处环境类别分为：碳化环境、冻融环境、氯化物环境和化学侵蚀环境，将环境作用等级分为11 级。

设计阶段应依据工程所在地的气候、水质、土质等环境条件，确定混凝土所处环境类别及其作用等级。根据混凝土设计使用年限、环境作用等级进行耐久性设计，提出混凝土耐久性指标和结构构造、施工措施、检查维护等要求。

混凝土最低强度等级、抗碳化、抗冻、抗渗、抗氯离子渗透等耐久性能以及钢筋保护层厚度应符合《规范》的规定。要求构件细部构造应有利于防腐，构件截面几何形状应力求简单、平顺，减少棱角、突变和应力集中，混凝土表面应有利于排水。

2.3 施工阶段实现混凝土耐久性能途径

（1）总体要求

施工单位应编制混凝土耐久性质量控制施工方案，根据结构型式、施工条件、原材料状况和耐久性能要求进行配合比设计，抗裂要求较高的混凝土应进行抗裂性能试验。

施工阶段应按照低用水量、低水胶比、适宜胶凝材料总量原则设计混凝土，从原材料优选和配合比优化入手，降低混凝土用水量与水泥用量，降低混凝土水化热温升，提高混凝土体积稳定性和抗裂性，改善混凝土孔结构、降低混凝土孔隙率。

（2）重视原材料质量

水泥更要关注细度、匀质性、标准稠度用水量、温度以及与外加剂适应性，同样是符合国家标准的水泥，在混凝土中水泥用量、拌和物工作性能、强度、裂缝控制、耐久性以及与外加剂适应性存在较大差异。

水泥宜使用普通水泥和硅酸盐水泥，配制大掺量矿物掺合料混凝土宜使用硅酸盐水泥，有温控要求时不宜使用早强水泥。水泥标准稠度用水量宜<28%、初凝时间<3.5 h，比表面积300～350 m2/kg。水泥熟料矿物组成宜选择在C3S≤55%、C2S≤20%、C3A≤8%、C4AF≥15%。

骨料要求表面洁净，表面裹粉、裹泥需冲洗干净；含泥量应符合SL27 和SL234 的要求，不得含有泥块、风化石、软弱颗粒；吸水率大的骨料配制混凝土会有较大的长期收缩，影响混凝土抗裂性，因此，饱和面干吸水率应小于2%，干湿交替或冻融环境吸水率宜小于1%。

良好级配和粒形的骨料可降低混凝土用水量20%、减少干缩100×10-6mm/m。如果石子中缺少5～10 mm 乃至5～15 mm 的颗粒、砂的级配不符合级配区要求，会造成混凝土用水量偏高、胶凝材料用量和浆骨比增大，混凝土易开裂，因此，需重视骨料的级配与粒形。粗骨料宜采用两级配或三级配，表观密度大于2550 kg/m3，空隙率小于40%。

为保证混凝土浇筑密实、骨料与水泥石的粘结，钢筋混凝土中粗骨料最大粒径应根据所处环境、保护层厚度、钢筋最小净距、施工工艺等综合确定，并宜使用较小粒径的粗骨料。

（3）使用矿物掺合料

混凝土中掺入粉煤灰、矿渣粉，既节约水泥、降低水化热，又可利用其形态效应、火山灰活性、微填料作用改善混凝土拌和物和易性、提高混凝土强度与密实性。矿渣粉具有吸附氯离子的作用，沿海工程混凝土中推荐使用。

单掺粉煤灰可能降低混凝土早期强度、混凝土碳化加快，单掺矿渣粉会加速混凝土早期水化热温升，因此，宜采用复掺技术。粉煤灰、矿渣粉的品质及其掺量应符合《规范》的规定。

（4）混凝土配合比

混凝土最大用水量、最大水胶比、胶凝材料用量、混凝土拌和物含气量等应符合《规范》的规定。

（5）限制混凝土中有害物质含量

为防止使用过程中有害物质对混凝土产生影响，混凝土中水溶性氯离子、碱、三氧化硫的含量应符合《规范》的规定。

为防止碱骨料反应，未经论证不得使用碱活性骨料。钢筋混凝土不应使用含有氯化物的早强剂和防冻剂。预应力混凝土不应使用含有亚硝酸盐、碳酸盐的防冻剂。

（6）重视钢筋保护层厚度

钢筋锈蚀先从最外侧的分布筋或箍筋开始，因此，钢筋保护层所指的钢筋对象包括主筋、箍筋或分布筋。

钢筋保护层厚度应符合《规范》的规定。钢筋开始锈蚀时间大体上与保护层厚度的平方成正比，以保护层厚度30 mm 为例，5 mm 的施工负偏差就可能使钢筋开始锈蚀的时间缩短约30%，因此，施工过程中应注意控制保护层厚度，不允许出现负偏差。

（7）重视混凝土养护

混凝土养护质量是保证混凝土强度和耐久性的一道关键工序，混凝土养护技术包括保温养护和保湿养护，要求养护方法合适、养护时间足够。良好养护对保混凝土证强度发展、改善孔结构、防裂具有重要作用。

混凝土养护方法和养护时间应符合《规范》的规定。建议推广在浇筑阶段采用能排除混凝土表层水而养护阶段又起到保湿、保温等功能的新型模板结构，解决混凝土早期保湿、保温养护难以到位难题。

（8）混凝土温度裂缝控制

混凝土温度裂缝控制应采用内降温外保温、提高混凝土抗裂能力等综合措施。水泥和矿渣的表面积、水泥的C3A 含量和温度、混凝土用水量和水胶比、胶凝材料用量、入仓温度、混凝土温度监测与温差控制、保温措施等应符合《规范》的规定，重要结构在配合比设计阶段应进行抗裂性能对比试验；采取设置冷却水管、埋入块石等综合措施。施工前宜对混凝土内部温度、温度应力进行估算。

（9）混凝土缺陷处理

混凝土耐久性检验项目不符合设计和规范要求，混凝土产生裂缝等施工缺陷，应进行论证和处理。

2.4 混凝土防腐蚀附加措施

（1）使用密实抗蚀剂

胶凝材料水化后浆体的孔隙需要用更细的材料填充，掺入超细粉体密实抗蚀剂可填充混凝土内毛细孔隙并参与水化反应，促使混凝土强度、密实性进一步提高。

（2）推广混凝土表层致密化技术

混凝土表层致密化技术，即：在普通模板内侧粘贴具有透水、透气功能的透水衬里模板布，混凝土浇筑过程中通过振捣压力、静水压力、模板布毛细作用，排除混凝土表面水和空气，降低表层水胶比，在混凝土表面形成厚度约20 mm 致密硬化层，模板布吸收的水份对表层混凝土可起到良好的保温保湿养护，减少细微裂缝产生，明显减少混凝土表面气孔。

金牛山水库泄洪闸下游翼墙试点应用混凝土表层致密化技术，C25混凝土300 d 龄期回弹强度推定值53～58 MPa，碳化深度0～1 mm，对比混凝土回弹强度27 MPa，碳化深度3～14 mm。

（3）使用阻锈剂

沿海工程水变区及其以上结构推广应用钢筋阻锈剂。

（4）混凝土表面浸渍

混凝土表面喷涂硅烷，吸入混凝土表层数毫米并与混凝土中Ca（OH）2反应，使毛细孔憎水或填充部分毛细孔，能降低混凝土吸水性，使Cl-进入混凝土内部的迁移速率降低，适用于沿海水上混凝土。

（5）表面涂层保护技术

混凝土表面涂覆环氧、聚氨酯等涂料，可阻止腐蚀因子向混凝土内部渗透扩散，涂层使用时间10～20年。

2.5 运行检测维修

（1）运行阶段应按SL75、SL255的规定进行管理；监测混凝土周边环境，当环境条件发生较大变化后，应及时评估混凝土耐久性能；避免混凝土上部结构长期积水或经常处于干湿交替状态。

（2）新建、扩建工程每隔15～20年对混凝土进行1 次耐久性能检测，加固、改建工程每隔5～10年进行1次耐久性能检测；混凝土接近设计使用年限应及时进行安全鉴定。

（3）混凝土出现耐久性损伤应及时维修，混凝土维修应符合GB 50367和JGJ/T 259 等规定。

3 结语

提高水工混凝土耐久性需要政府部门的推动、社会各界的关注以及科研、设计、施工等单位的共同努力。

优选混凝土材料、控制混凝土用水量与水胶比，精心施工、加强养护、防止裂缝产生、推广应用混凝土表层致密化等新技术，是有效提升混凝土耐久性能的有效途径。相信《规范》的实施，将有助于推动水工混凝土耐久性设计、施工、运行等阶段工作，实现混凝土设计使用年限目标。