1 前言
水工建筑物多以混凝土結構組成，而這些混凝土結構多處在氣候惡劣的環(huán)境中，受泥沙、水流、物理、化學、氣溫等影響因素頗多。混凝土的破壞以碳化、凍融破壞為常見，致使許多水工建筑物的運行壽命大為縮短，造成極大浪費。如吉林省豐滿水電站，大壩某處水平施工縫張口寬達1cm以上；又如唐?？h雙九河嘴東擋潮閘始建于1976年，到1986年許多混凝土構件已產生很多裂縫，鋼筋*露；還有我省寶雞峽灌區(qū)混凝土渠道某些渠道某些區(qū)段也發(fā)生嚴重凍融破壞等等，所以有必要進一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機理及防治措施。
2 混凝土碳化、凍融破壞機理分析
2.1 混凝土的碳化
混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕?？諝庵校茫希矚鉂B透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當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?？梢?，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。
2.2 混凝土的凍融
混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質，不僅在嚴寒地區(qū)混凝土建筑物有抗凍的要求，溫熱地區(qū)混凝土建筑物同樣會遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經歷時間長久會發(fā)生表層削落，結構疏松等破壞現(xiàn)象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫等，都發(fā)生過不同程度的凍融破壞。所以對混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對混凝土凍融破壞的機理，目前的認識尚不完全一致，按照公認程度較高的，由美國學者T.C.Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉變成冰，體積膨脹9%，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；其二是當毛細孔水結成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
另外凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構，只有當經過反復多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
3 混凝土碳化、凍融破壞影響及防治
3.1 混凝土碳化影響因素及防治
3.1.1 混凝土碳化影響因素
影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影響較大的是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同；其次，影響混凝土碳化主要還與周圍介質中ＣＯ2的濃度高低及濕度大小有關，在干燥和飽和水條件下，碳化反應幾乎終止，所以這是除水泥品種影響因素以外的一個非常重要的原因；再次，在滲透水經過的混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物質，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋時，石灰的溶解度就會增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2對抵抗溶出侵蝕則十分有利。因為它們在混凝土表面形成一種碳化保護層；另外，混凝土的滲透系數(shù)、透水量、混凝土的過度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結構尺寸、水壓力及養(yǎng)護方法與混凝土的碳化都有密切的關系。
水工建筑物多以混凝土結構組成，而這些混凝土結構多處在氣候惡劣的環(huán)境中，受泥沙、水流、物理、化學、氣溫等影響因素頗多。混凝土的破壞以碳化、凍融破壞為常見，致使許多水工建筑物的運行壽命大為縮短，造成極大浪費。如吉林省豐滿水電站，大壩某處水平施工縫張口寬達1cm以上；又如唐?？h雙九河嘴東擋潮閘始建于1976年，到1986年許多混凝土構件已產生很多裂縫，鋼筋*露；還有我省寶雞峽灌區(qū)混凝土渠道某些渠道某些區(qū)段也發(fā)生嚴重凍融破壞等等，所以有必要進一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機理及防治措施。
2 混凝土碳化、凍融破壞機理分析
2.1 混凝土的碳化
混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕?？諝庵校茫希矚鉂B透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當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?？梢?，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。
2.2 混凝土的凍融
混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質，不僅在嚴寒地區(qū)混凝土建筑物有抗凍的要求，溫熱地區(qū)混凝土建筑物同樣會遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經歷時間長久會發(fā)生表層削落，結構疏松等破壞現(xiàn)象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫等，都發(fā)生過不同程度的凍融破壞。所以對混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對混凝土凍融破壞的機理，目前的認識尚不完全一致，按照公認程度較高的，由美國學者T.C.Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉變成冰，體積膨脹9%，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；其二是當毛細孔水結成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
另外凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構，只有當經過反復多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
3 混凝土碳化、凍融破壞影響及防治
3.1 混凝土碳化影響因素及防治
3.1.1 混凝土碳化影響因素
影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影響較大的是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同；其次，影響混凝土碳化主要還與周圍介質中ＣＯ2的濃度高低及濕度大小有關，在干燥和飽和水條件下，碳化反應幾乎終止，所以這是除水泥品種影響因素以外的一個非常重要的原因；再次，在滲透水經過的混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物質，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋時，石灰的溶解度就會增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2對抵抗溶出侵蝕則十分有利。因為它們在混凝土表面形成一種碳化保護層；另外，混凝土的滲透系數(shù)、透水量、混凝土的過度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結構尺寸、水壓力及養(yǎng)護方法與混凝土的碳化都有密切的關系。