碳化对不同地区混凝土水闸影响研究

陈 明

(安徽三洲水利建设有限公司,安徽 宿州 234000)

0 引 言

随着我国水利建设的发展,混凝土水闸结构越来越多。混凝土碳化作为常见的病害之一,影响着混凝土水闸结构的安全性和耐久性,许多学者对此进行了相关研究[1-2]。徐飞等[3]进行了碳化试验,并基于神经网络算法,提出了混凝土碳化深度预测模型,结果表明预测效果比较理想。刘燕等[4]进行了不同轴向应力作用下的碳化试验,并对轴向应力作用下的碳化混凝土微观结构进行了研究。张君博等[5]考虑到海洋环境的影响,对沿海地区混凝土结构的碳化深度和耐久性进行了研究。

为研究沿海地区混凝土水闸结构与内地的差异以及混凝土碳化对水闸结构耐久性的影响,本文根据多个水闸碳化深度的实际调研情况,分析沿海水闸与内地水闸的差异,对比水闸不同部位的碳化情况。研究成果可为混凝土水闸的安全运营和维修提供参考与借鉴。

1 水闸的作用

水闸是修建在河道和渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物。关闭闸门,可以拦洪、挡潮或抬高上游水位,以满足灌溉、发电、航运、水产、环保、工业和生活用水等需要;开启闸门,可以宣泄洪水、涝水、弃水或废水,也可对下游河道或渠道供水。在水利工程中,水闸作为挡水、泄水或取水的建筑物,应用广泛。

2 水闸运行风险因素

2.1 软土地基

水闸通常修建于淤泥、松软充填土等地质环境中。由于软土的一些特性,导致水闸容易出现较大的不均匀沉降、开裂甚至失稳等病害。主要不利影响体现在3个方面:①强度和稳定性问题。软土地基由于其较低的抗剪强度,难以承受水闸上部的荷载,因此可能出现局部或整体的剪切破坏,导致水闸失稳、倾覆。②由于软土地基的高压缩性,使得软土地基上的水闸容易出现过大的沉降变形,对水闸的正常使用产生影响,严重时会引起上下游底板接缝错动。③由于软土灵敏度较高,容易受到外部荷载干扰,如车辆振动、地震等,导致软土出现液化,进而使水闸失稳。

2.2 碳化作用

碳化是混凝土结构普遍存在的病害之一,主要包含3个阶段:①化学反应阶段。该阶段反应较快,受CO2浓度和混凝土中可碳化物质的影响;②CO2在混凝土中扩散阶段。该阶段由混凝土水灰比和水泥水化程度控制;③Ca(OH)2扩散阶段。其扩散速度受Ca(OH)2浓度和混凝土含水量控制。

图1为碳化混凝土本构关系曲线。从图1中可以看出,混凝土碳化越高,其峰值强度也越高。但会降低其延性,不利于混凝土结构的抗震,且碳化会影响到混凝土内部钢筋的质量,对钢筋混凝土结构的整体性能造成损害。

图1 碳化混凝土本构关系曲线

3 碳化对水闸的影响

本文通过收集沿海18座水闸的检测数据,分析碳化对沿海水闸的影响,同时与内地水闸碳化数据进行对比。主要研究的水闸部位为水闸闸墩和排架。

3.1 碳化时间

图2为沿海和内地两个地区闸墩和排架两个部位碳化深度随时间的变化情况。从图2(a)和图2(b)中可以看出,随着时间的增加,内地水闸碳化深度呈现出缓慢减小的趋势,与理论上的碳化规律恰好相反。年限较近时,碳化深度较高,接近25mm,后随时间增加缓慢减小,年限超过50a后,基本碳化深度在10mm以下。图2(c)中可以看出,沿海水闸闸墩碳化深度呈现出随着时间增加碳化深度增长的趋势。从图2(d)中可以看出,随着时间的增加,沿海水闸排架碳化深度基本保持稳定,未呈现出明显的上升或下降趋势。与内地水闸相比,沿海水闸一开始碳化深度较低,普遍在15mm以下;随着时间的增加碳化深度不断增长,在50a后,闸墩碳化深度达到23mm左右,排架碳化深度也在15mm左右,表现出明显的差异。

图2 不同地区碳化随时间变化情况

出现这种现象可能是由于内地水闸目前大多采用商业混凝土的原因,含有大量的外加剂,导致新闸碳化较高。而沿海地区水闸碳化受海洋环境影响较大,加速了混凝土的碳化,虽然新闸碳化深度不高,但并未随服役年限的增加而下降,反而缓慢上升。

3.2 水闸构件

图3为收集的沿海和内地各18个水闸在闸墩和排架部位的碳化深度情况。从图3(a)中可以看出,沿海地区水闸闸墩和排架部位相比,基本上是排架碳化值更大,最大值接近60mm,而闸墩碳化深度最大值约为41mm。从图3(b)中可以看出,内地水闸同样是排架部位碳化值较高,但没有沿海地区变化幅度剧烈,且峰值较小,排架和闸墩峰值分别为24.2和23.8mm,表明海洋环境对混凝土水闸结构的影响较为严重。在水闸运行过程中,应注重水闸排架的保护,尤其是沿海地区,更应采取必要的防混凝土碳化措施。

图3 水闸不同部位碳化深度对比

在水闸运行过程中,若出现碳化较为严重的构件,如混凝土裂缝过大、露筋、钢筋锈蚀严重甚至出现断裂等现象,应进行拆除重建。而碳化深度较小,且小于钢筋保护层厚度的,应采取一定的措施应对,如通过优质涂料进行封闭或通过高强砂浆找补。

在进行混凝土浇筑时,应采取相应的防碳化措施,如对混凝土水灰比、钢筋保护层厚度和氯化物含量进行严格控制,并通过机械进行振捣,保证混凝土密实性。浇筑完成后,可通过活性掺合料和减水剂等对混凝土表面进行涂覆。保证混凝土模板选取规范,混凝土强度达到预期后再进行拆模,防止过早拆模,并加强混凝土的养护。

4 结 论

本文根据多个水闸碳化深度的实际调研情况,对比了沿海水闸与内地水闸的差异,并对水闸不同部位的碳化差异进行了分析。结论如下:

1)由于目前大多采用商业混凝土的原因,含有大量的外加剂,导致新闸碳化较高,实际内地水闸碳化深度呈现出随服役年限增加而缓慢减小的趋势,与理论上的碳化规律恰好相反。沿海地区水闸碳化受海洋环境影响较大,加速了混凝土的碳化,随着时间的增加碳化深度不断增长。

2)无论是沿海还是内地,水闸排架碳化深度普遍高于闸墩。但由于海洋环境对混凝土水闸结构的影响,导致数值上沿海地区碳化深度更大。因此在实际工程中,应注重水闸排架的保护,尤其是沿海地区,更应采取必要的防混凝土碳化措施。