碳化对水工钢筋混凝土结构耐久性的影响

碳化对水工钢筋混凝土结构耐久性的影响

　　摘要混凝土的碳化是引起钢筋锈蚀、影响混凝土耐久性的重要原因之一。阐述了混凝土碳化原因及碳化处理方法,并结合工程质量实例提出了防止混凝土碳化或放慢碳化速度所采取的一些措施。
　　关键词碳化;钢筋混凝土;结构耐久性;影响因素;治理
　　
　　混凝土耐久性问题是公认的难题。水闸建成运行后,如何加强混凝土构筑物的保养、维修,提高其耐久性,是水利工程管理单位值得深入研究的问题[1]。由于钢筋混凝土构筑物长期暴露在自然环境中,空气中的CO2在适当的温度、湿度下浸入到硬化的水泥浆细孔中,与混凝土中Ca(OH)2 反应形成CaCO3,使混凝土碱度降低。这种CO2从混凝土表面浸入到混凝土内部的过程称为碳化。碳化使混凝土碱度降低,减弱对钢筋的保护作用,使钢筋容易锈蚀,锈蚀形成的铁锈体积膨胀(为原来的2~8倍),对混凝土保护层施加膨胀力。又由于碳化层产生的碳化收缩,对其内部形成压力,而表面碳化层产生拉力,也能够使结构表面产生微小裂纹。这种收缩裂纹成为空气和水的通道,加快了混凝土的碳化,当钢筋暴露在大气中时,锈蚀过程将加快,最后导致截面减小,严重降低结构强度,影混凝土建筑物的寿命[2]。
　　1混凝土碳化的主要影响因素
　　1.1混凝土含水量及周围介质的相对湿度
　　混凝土碳化过程与混凝土含水量及周围介质的相对湿度有关[3]。这是因为CO2与Ca(OH)2反应所释放的水必定要向外扩散,以保持混凝土内部大气之间的湿度平衡。如果外界湿度大或介质相对湿度接近100% 时,混凝土中的水向外扩散的速度大幅度降低或停止,混凝土中的微孔隙被水充满,则CO2向内部扩散的过程实际上终止,碳化也就很难进行。当空气湿度为50%~70%时,混凝土的孔隙尚未被水充满,CO2可以向混凝土内扩散,而混凝土孔隙的湿度不仅为Ca(OH)2向外扩散提供了必备条件,并且使化学反应进行较快。
　　1.2环境温度
　　混凝土碳化速度与温度有关[4]。当温度较低时,水变成冰,化学反应无法进行,碳化实际上停止,随温度的升高,碳酸的扩散易于进行,Ca(OH)2及CO2的扩散速度和化学反应速度均加大,从而使混凝土的碳化过程加快。
　　2工程治理实例
　　2.1工程概况
　　引滦工程尔王庄管理处联结井闸自运行以来,由于先天的混凝土强度偏低、振捣不实、保护层厚度不足等原因致使混凝土保护层疏松脱落,箍筋部分裸露锈蚀,碳化深度4~6 cm,普遍出现了箍筋、顺筋锈胀裂缝,回弹仪测强为11~22 MPa。因其耐久性问题比较严重,列为2000年尔王庄管理处维修加固的重点。
　　2.2施工工艺

　　工程的治理原则是:治理后具备原有承载力、整体性和耐久性,防止进一步损坏结构和构件,尽量避免大动大补,并尽可能保持原有结构外观。处理方法以实际出发,在安全可靠的前提下,力求简单易行、经济合理。
　　2.2.1工艺流程。凿除混凝土→钢筋除锈→基层清理→刷MCI迁移性钢筋防锈剂(2020)→刷界面剂(第1遍)→抹钢纤维砂浆(第1遍)→化学灌浆→刷界面剂(第2遍)→抹钢纤维砂浆(第2遍)→刷界面剂(第3遍)→抹钢纤维砂浆(第3遍)→养护→刷MCI2021→刷防碳化涂料(3遍)。
　　2.2.2修补材料。①钢纤维砂浆。配比为水泥∶砂∶钢纤维∶硅粉∶减水剂∶水=1∶1.5∶0.08∶0.1∶0.05∶0.38。钢纤维砂浆是一种性能优良的新型复合材料。乱向分布的短纤维阻碍内部裂缝的扩展和宏观裂缝的发生,从而使抗拉、抗弯、抗剪强度等显著提高。其抗冲击、抗疲劳、耐久性也有较大改善。掺入硅粉和减水剂的钢纤维砂浆可以提高砂浆的密实性、抗压强度、抗渗性、耐久性,改善混凝土拌合物的和易性。②MCI—2020迁移性钢筋防锈剂。MCI—2020是一种通过涂抹在混凝土表面,可自行渗透扩散至内部钢筋表面,形成单分子保护膜,保护钢筋不被腐蚀。即使它不与钢筋直接接触,也能在混凝土中渗透扩散一定距离,达到钢筋表面,从而有效抑制钢筋腐蚀,延长结构的使用寿命。③界面剂。ZV型混凝土修补胶与水泥调和而成,其配比为1∶1。使用时均匀涂抹在混凝土表面,力求薄而不淌,待浆液不粘手时,即可进行下一道工序。
　　2.3化学灌浆
　　对于联接井闸南侧的4棵机架桥柱,由于其内部混凝土强度低于C15,且有蜂窝、孔隙,直接影响了钢筋混凝土柱的承载力,必须采取化学灌浆处理。①灌浆压力。0.35~0.45 MPa。②灌浆材料。环氧树脂∶固化剂=2∶1(体积比)。③预埋灌浆嘴。灌浆嘴用“水不漏”预埋,2~3个嘴子内部架桥(预留通道),用来排气。
　　2.4混凝土表面涂料涂覆
　　在混凝土表面涂料涂覆,可使混凝土与CO2、Cl-、O2和H2O隔离,是防止钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的一种常用的有效措施。一般在预测到钢筋混凝土结构将受到锈蚀损害时采用,也可以在经局部修补的较轻微锈蚀的钢筋混凝土结构上起保护作用。目前在我国水利工程中使用较普遍的为环氧树脂厚浆涂料。在此项联结井闸补强加固工程中,根据钢筋混凝土的不同损坏程度,采用化学灌浆、钢纤维砂浆、MCI迁移性钢筋防锈剂等综合治理方法。因此,在混凝土表面涂料涂覆时,采用一般的外檐涂料,并在涂料中掺入BC01胶,使其更牢固、不褪色。
　　3小结
　　混凝土结构损坏如果得不到及时处理,损坏就会日益加剧,极易诱发各种危险事故。因此,应对碳化机理、碳化的影响因素、碳化对钢筋混凝土结构物的损坏原因进行分析,并针对碳化引起水工建筑物的缺陷采取治理措施。
　　
　　4参考文献
　　[1] 肖佳,勾成福.混凝土碳化研究综述[J].混凝土,2010(1):40-44,52.
　　[2] 刘磊.SBR砂浆在嶂山闸混凝土表面防碳化处理的应用[J].治淮,2010(1):27-29.
　　[3] 王玉琳.混凝土碳化影响因素研究综述[J].淮海工学学报:人文社会科学版,2002(2):42-44,48.
　　[4] 史瑞琴.水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏及防治浅析[J].黑龙江科技信息,2008(23):233.

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