賈海鷹

前言

獻縣樞紐始建于1966年，1967年完工，在經(jīng)歷“96·8”洪水后，工程于2000年進行了改建。2000年9月獻縣樞紐除險加固工程開工建設(shè)，2002年12月工程竣工驗收。工程等別為 Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。樞紐是子牙河系重要的防洪樞紐工程，位于獻縣縣城西北，在子牙河和子牙新河的進口處，上承滹沱河、滏陽河、滏陽新河來水，使洪水主要由子牙新河下泄，控制子牙河不再擔(dān)負主要的泄洪任務(wù)，只作為供水、排水及相機泄洪的河道。它利用進洪閘和節(jié)制閘調(diào)節(jié)控制子牙新河和子牙河泄量，從而實現(xiàn)通過子牙河供水興利和相機泄洪的作用。是獻縣泛區(qū)泄洪的重要工程，也是子牙河系三大樞紐工程之一。

1. 基本情況

獻縣樞紐經(jīng)過40多年的運行，隨著運行年限的增長，混凝土建筑物部位普遍出現(xiàn)老化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在混凝土的碳化和內(nèi)部鋼筋銹蝕。樞紐機架橋部位多出出現(xiàn)長度超過25cm的開裂，形成順筋裂縫，有些部位出現(xiàn)3~5mm的鼓起甚至有銹水滲出。進洪閘公路橋及橋墩、機架橋及橋墩、閘底部位混凝土出現(xiàn)面積大于0.015m2疏松甚至剝落，造成部分鋼筋裸露在混凝土外面，銹蝕程度比較嚴重。閘墩底部及閘底水位變化區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度普遍較深，一般為20～60mm，最大甚至超過90mm，遠均超過鋼筋保護層厚度，結(jié)構(gòu)鋼筋普遍銹蝕。特別是混凝土結(jié)構(gòu)變形縫部分碳化現(xiàn)象更為明顯，混凝土表面出現(xiàn)疏松剝落、裂縫鼓起，甚至有銹水滲出。這些現(xiàn)象降低了獻縣樞紐運行的安全度。

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種化學(xué)腐蝕，又稱為混凝土的中性化，是指混凝土中原呈堿性的氫氧化鈣，在空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，逐漸變成呈中性的碳酸鈣的過程，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過程中。 是造成混凝土使用機能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其化學(xué)反應(yīng)為：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。混凝土碳化本身對混凝土并無破壞使用，其主要危害是由于混凝土碳化后，堿性降低使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對鋼筋起保護作用的致密氧化膜Fe2O3和Fe3O4(鈍化膜)遭到破壞，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，加快了混凝土中鋼筋銹蝕，同時，混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2混凝土碳化危害

混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，混凝土碳化碳化后使內(nèi)部的堿度降低，當(dāng)碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。當(dāng)鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)生的體積比原來膨脹2~4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，銹蝕越嚴重，鐵銹越多，膨脹力越大，最后導(dǎo)致混凝土開裂形成順筋裂縫。裂縫的產(chǎn)生使水和CO2得以順利的進入混凝土內(nèi)，從而又加速了碳化和鋼筋的銹蝕。

3.混凝土碳化影響因素

水工建筑物混凝土碳化的影響因素較多，既有水泥及骨料品種、水泥用量、水灰比、施工質(zhì)量、養(yǎng)護質(zhì)量等內(nèi)在因素，也有周圍介質(zhì)的濃度高低及濕度大小、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結(jié)構(gòu)尺寸、水壓力及養(yǎng)護方法等外界因素。這里主要是探討周邊環(huán)境等外界因素對樞紐混凝土碳化的影響。

3．1 酸性介質(zhì)

酸性水體、氣體（如CO2）滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，與混凝土中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土逐漸變質(zhì)，混凝土的堿度降低，這是引起混凝土碳化的直接原因。由于近年來上游服裝、化工、電鍍等工業(yè)產(chǎn)生的大量工業(yè)污水排入滹沱河、滏陽河、滏陽新河中，水體嚴重污染，造成水體常年呈酸性PH＜6，且水體中含有大量的氯離子（CL-），這些廢水匯集到樞紐上游，加速了混凝土的碳化。特別是浸水部位閘墩底部混凝土中鋼筋銹蝕情況尤其明顯，水體中的氯離子（CL-）在混凝土液相中形成鹽酸，與氫氧化鈣作用生成氯化鈣，氯化鈣具有高吸濕性，在其濃度及濕度較高時，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生潰燦性銹蝕。

3．2溫度和光照

環(huán)境溫度引起混凝土溫度驟升驟降，導(dǎo)致其表面收縮產(chǎn)生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面便開裂，導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落。節(jié)制閘機架橋、公路橋等向陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，特別是在晝夜溫差較大的情況下，溫度驟升驟降，容易形成細微裂縫，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件，加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度，出現(xiàn)露筋情況，造成陽面比陰面混凝土碳化情況更加明顯。

3．3含水量和相對濕度

混凝土碳化速度跟混凝土的含水量及周圍環(huán)境介質(zhì)的相對濕度有密切聯(lián)系。周圍介質(zhì)的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。當(dāng)周圍介質(zhì)的相對濕度為50~70%，混凝土碳化速度最快。過高的濕度（如95%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴散到水泥石中，過低的濕度（如15%），則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進行；樞紐混凝土結(jié)構(gòu)近水部位碳化程度比較明顯，這主要是受濕度影響的結(jié)果。

3．4凍融和滲漏

在混凝土浸水區(qū)或水位變化部位，由于溫度交替變化，特別是初冬初春季節(jié)，混凝土內(nèi)部孔隙水交替的凍結(jié)膨脹和融解松弛，造成混凝土大面積疏松剝落或產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失，在混凝土表面結(jié)成碳酸鈣結(jié)晶，引起混凝土水化產(chǎn)物的分解，其結(jié)果是嚴重降低混凝土強度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

4.混凝土碳化的防止措施

4．1設(shè)計及施工方面

設(shè)計上應(yīng)根據(jù)水工建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和所處的不同環(huán)境因素，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，對近水部位增加厚度，應(yīng)盡量避免一律采用2~3cm。

施工中為保證混凝土的質(zhì)量。一要認真選擇混凝土材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質(zhì)地硬實和級配良好的砂石料；施工中要進行篩洗以及剔除集料中的有害物質(zhì)。二要摻入適宜的優(yōu)質(zhì)減水劑、阻水劑等，提高強度和密實性、抗?jié)B性、抗凍性。三要嚴格控制水灰比，盡量減少混凝土的自由水，把水的用量控制在滿足配料和施工需要的最低范圍內(nèi)。四要充分振搗并嚴格按照規(guī)定標準進行，必要時可作表面處理。五要養(yǎng)護及時，一旦混凝土達到初凝時應(yīng)立即進行養(yǎng)護，控制好環(huán)境的溫度和濕度，按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護。六要保證鋼筋混凝土保護層厚度，使鋼筋的混凝土保護層厚度滿足設(shè)計要求。七要做到少留或不留施工縫，必須要留的應(yīng)作好接縫處的工藝處理，對水上部位可采用SR嵌縫膏進行表面封閉；對水下部位可采用SBS改性瀝青灌注封閉。

4．2運行使用方面

在樞紐運行使用過程中，水工建筑物使用條件的改變，直接關(guān)系到外界水體、氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內(nèi)部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構(gòu)件的容易碰撞部位，更應(yīng)當(dāng)設(shè)置包角和隔層保護。水工建筑物要嚴格按照原設(shè)計的使用條件運行。

4．3日常管理方面

對于樞紐水工建筑中混凝土構(gòu)件的管理，主要是定期檢查、加強維護。對于容易產(chǎn)生碳化的混凝土構(gòu)件，應(yīng)派專門技術(shù)人員定期觀察及測試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開裂、剝落現(xiàn)象時，則應(yīng)及時利用防護涂料對混凝土表面進行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對不允許其裂縫繼續(xù)擴大，必要時可作混凝土補強處理。

4.4 水污染治理方面

近年來，隨著上游服裝、化工、電鍍、制革等工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的大量未經(jīng)處理工業(yè)污水排入被稱為“冀南母親河”的子牙河中，特別是96·8后污染情況加劇，導(dǎo)致樞紐混凝土的碳化速度明顯變快，大大縮短了工程運行壽命。因此，應(yīng)通過完善水污染防治法律法規(guī)，健全污染治理組織機構(gòu)，加大水污染的治理的力度通過限排等手段，使河流水質(zhì)達到標準，減緩沿途樞紐碳化速度，延長工程運行壽命。

5．結(jié)束語

影響水工建筑物中混凝土碳化的因素很多，問題比較復(fù)雜，預(yù)防防治措施還有待于進一步研究。以上所述的樞紐水工建筑物混凝土碳化的因素與對策，也適用于其他建筑物中混凝土碳化的研究。

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