李 燦

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103）

1 影響水工建筑物結構耐久性的因素

1.1 工作環(huán)境

化學傷害、混凝土碳化等因素會導致水工建筑結構耐久性的降低。依據(jù)工作的環(huán)境科學地對混凝土結構形式、構造和原材料等方面進行選擇，把控好混凝土施工的過程，確保施工質量，達到提升水工建筑物結構的耐久性。主要對建筑物結構所處地區(qū)的水文地質條件等環(huán)境因素進行監(jiān)測，結合相關規(guī)定，確定建筑物工作環(huán)境的類別，為后續(xù)的各項工作提供重要依據(jù)。

1.2 結構設計

通過研究表明，對建筑物的結構及尺寸等進行科學的設計與調整，對水工建筑物結構的質量，特別是耐久性具有一定的影響。依據(jù)地基基本承載能力、荷載分布等因素設立永久縫，可以有效預防水工建筑結構裂縫的產生。合理設計鋼筋保護層的厚度，有效的提升水工建筑結構的耐久性能。確定了整體結構強度等級后，在綜合多方面因素后設計出鋼筋保護層的厚度，厚度的設計要滿足建筑物結構耐久性的相關技術要求。

1.3 材料及施工質量

在施工的過程中，如果對混凝土的配比出現(xiàn)嚴重偏差，會使混凝土的質量嚴重下降，容易出現(xiàn)裂縫，影響施工進程。原材料包括膠凝材料、骨料、外加劑等。在膠凝材料的選擇上，碼頭的水工建筑物處于經(jīng)常受水流沖刷，會經(jīng)歷寒冷惡劣氣候的區(qū)域，適合選用高強度的中、低熱水泥。選擇清潔程度高、質地堅硬、質量較高的骨料會對水工建筑物的抗耐性產生重大影響。各種原材料在使用之前都應經(jīng)過嚴密檢查，合格后方可投入使用。

2 混凝土結構耐久性的評估方法及評估指標

2.1 耐久性的評估方法

2.1.1 劣化速度法

劣化速度法是一種用來估計建筑物壽命的方法，基于實際測試數(shù)據(jù)，通過分析建筑物在使用中的損壞速率，預測建筑物將來可能出現(xiàn)損壞的時間點，用耐久性系數(shù)K’n來表示K’n=Ts/Tm，其中Ts為實際剩余耐久年限；Tm為目標使用年限。建筑結構物在自然環(huán)境下，當其一半以上結構物面積處于影響耐久性的腐蝕狀態(tài)，且通過維修及部分更換也無法恢復設定的工作性能時，就認為達到了耐久性的極限，剩余耐久年限就是到達了這種極限所剩余的時間。

2.1.2 劣化度法

劣化度法是根據(jù)混凝土結構在使用過程中的劣化程度評估其耐久性的狀況。這種方法主要通過對混凝土結構進行檢測，獲取樣本數(shù)據(jù)，然后進行分析，得出混凝土建筑的劣化速率，用剩余耐久系數(shù)Kh來表示，即Kh=Ts/Tc，其中Tc為設計壽命。這種評估方法實際上反映了建筑物目前耐久性的狀態(tài)，是對建筑物破損狀態(tài)的評估。

以上兩種對建筑物耐久性評估的方法在實際應用中，可以按照自身的情況選擇評估方法。

2.2 耐久性的評估指標

水工建筑物結構耐久性的評估指標主要有混凝土碳化、裂縫、凍融、地基損壞及其他因素。主要對前兩種指標進行分析。一是混凝土碳化。為了了解碳化對建筑物耐久性的影響，可以使用如下的評估方法：定義Kx=1-0.9（Dmax/R）2；其中Kx為劣化系數(shù)，R為混凝土保護層厚度，mm；Dmax為最大碳化深度，mm。二是裂縫。裂縫的出現(xiàn)會導致鋼筋腐蝕速度的加劇，各種氣體及水分會通過裂縫進入混凝土內部并發(fā)生碳化反應。碼頭水工建筑物所處的自然環(huán)境相對較復雜，裂縫的存在將導致建筑物內外水分和滲漏沿著裂縫進入建筑物的內部，從而引起腐蝕和損傷；還可能使結構的強度受損，減少建筑物的抗震及承載能力。

碼頭水工建筑物所在的自然環(huán)境比較復雜，與水接觸的面積較大。一旦開裂達到一定程度，就會加快鋼筋的腐蝕速度，影響建筑的安全和使用壽命。研究表明，裂縫的寬度對建筑結構的耐久性有一定的影響。

3 提高混凝土耐久性有效措施

3.1 使用高性能混凝土提高建筑物耐久性

抵抗海水對混凝土結構的腐蝕性，專家建議可選擇高效外加劑與粉體技術來提高混凝土的性能。研究表明，選用在混凝土中加入大摻量磨細礦渣粉的技術，可以有效提升水工混凝土建筑結構的耐久性。礦渣粉可以有效提升混凝土的綜合性能，有效延緩混凝土內Cl-的滲透性，一定程度上保護鋼筋免受腐蝕的作用。為了提高碼頭水工建筑結構的耐久性可以選用大摻量磨細礦渣粉混凝土技術。

3.2 提高水工建筑物耐久性的其他措施

一是增加混凝土保護層厚度。經(jīng)研究表明，在其他外在條件相同的情況下，混凝土保護層的厚度增加時，混凝土耐碳化年限會升高；有效推遲鋼筋失鈍的時間。由此可知，可以通過增加混凝土保護層的厚度來提升混凝土結構耐久性。二是控制建筑物的沉降量。碼頭水工建筑由于建立在淤泥較厚的軟基上，比較容易出現(xiàn)大幅度沉降及沉降不均勻的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象容易使結構出現(xiàn)裂縫，導致鋼筋結構的腐蝕程度加劇。在具體的施工過程中，可以建立合理的地基設計方案與施工技術，確保地基的穩(wěn)定性和均勻性，采用加固或加厚地基的方法，以提高地基的承載力和抗沉降能力。三是強化混凝土養(yǎng)護。通過工程實踐對比發(fā)現(xiàn)，對建筑物進行保濕養(yǎng)護可以有效減少裂縫的產生。由于混凝土結構位于碼頭，海風比較大，長時間的風吹容易使一些保養(yǎng)不到位的部位出現(xiàn)裂縫。

4 水工建筑物結構健康監(jiān)測

4.1 健康監(jiān)測系統(tǒng)的構成

為了對建筑物結構進行健康監(jiān)測，可以在建筑物的節(jié)點上安裝能夠檢測到信號的傳感器節(jié)點。通過傳感器節(jié)點對相關數(shù)據(jù)進行收集，通過對數(shù)據(jù)的分析可以有效反映出該建筑物結構的健康狀況。數(shù)據(jù)采集完成后，需要通過無線通信將數(shù)據(jù)回傳給匯聚節(jié)點，通過對基站接收到的數(shù)據(jù)進行匯總分析，從而實現(xiàn)對建筑物結構的實時監(jiān)測。

4.2 建筑物結構健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

建筑物結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由傳感器節(jié)點及匯聚節(jié)點構成。傳感器由ADXL202 雙軸加速度傳感器、NRF24L01無線收發(fā)器及MSP430F149 單片機構成。ADXL202 使用低電壓供電，能量消耗少，工作電流較小，可以抵抗1 000 g 的沖擊。NRF24L01 無線收發(fā)器具有電流能耗較低、頻率范圍較大等特點。MSP430F149 單片機是一種能耗較低的混合信號處理器，電壓使用1.8-3.6 V 低電壓。匯聚節(jié)點由微處理器、無線收發(fā)、電源三個模塊構成。匯聚節(jié)點需要長期的電源支持，可以使用外接交流電和鋰電池共同工作的供電設計。

4.3 建筑物結構健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議在保證安全的情況下，可以使用停等協(xié)議及16位冗余校驗碼（CRC-16），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送時差錯的校驗。在系統(tǒng)最前端工作的傳感器節(jié)點無法持續(xù)供電，所以節(jié)電的能耗就尤為重要。傳感器節(jié)點的電池電量是有限的，所以節(jié)點分為工作及休眠兩種狀態(tài)，需根據(jù)電池的電量及相應的計算來進行分配。

4.4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊

建筑物的健康監(jiān)測包含兩個部分：結構監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測。在實際應用中，會依據(jù)不同建筑物的特點及規(guī)定布置對應的結構監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測傳感器。以HC-G50激光測距傳感器為例，該傳感器的測量距離更為精確，測量范圍為0.20～50 m，分辨率為0.10 mm?，F(xiàn)場的計算機負責接入傳感器信號，并根據(jù)不同傳感器特點完成數(shù)據(jù)的采集及儲存。

5 結語

水工混凝土結構的耐久性關系到建筑物的安全及使用年限，所以要對影響水工混凝土結構耐久性的因素進行一定的了解及研究。通過不同的耐久性評估方法對建筑物的整體狀況做出評估，再結合建筑物的原材料、構造、施工等環(huán)節(jié)，對其耐久性做出優(yōu)化及提升，從而達到提高建筑物安全性及經(jīng)濟性的作用。