刍议水工建筑物混凝土的耐久性（李泽源,潘志富）

摘　要: 对于建于上世纪50～70年代的水利工程，现在都面临着混凝土耐久性差的问题。混凝土的孔隙率高、水泥石中的水化物稳定性差、水化物大量的游离石灰是影响混凝土耐久性的主要因素。水工混凝土耐久性差的问题要从结构设计、混凝土组成材料和配合比设计、混凝土的施工、混凝土的强度等方面解决。

关键词: 混凝土；耐久性；措施

在水利与建筑工程中，混凝土是用途最广、用量最大的建筑材料之一。目前现有的水利工程混凝土耐久性差是一个普遍问题，当时的社会条件、技术力量、材料设备、经济能力等因素，是造成耐久性差的主要原因。

一、水工混凝土耐久性的概述

混凝土耐久性是指在设计使用的年限内抵抗外界环境或本身所产生侵蚀作用的能力，它包括混凝土的质量、环境介质的侵蚀作用和安全使用期三个方面。就混凝土本身质量来说，大致有低水灰比、富配合、振捣密实、充分湿养护、无裂缝的水工钢筋混凝土，一般都很耐久；关于环境介质的侵蚀，包括物理、化学、水溶液、大气、气体等介质的侵蚀作用以及混凝土碳化、氯离子侵入引起的钢筋锈蚀、高速水流冲刷和气蚀、固体碰撞磨损等；而安全使用期，根据建筑物的规模，一般要求50～100年。我国水利上经济规范（SD-139-85）规定，钢筋混凝土及混凝土水工建筑物的使用期，大型为80年，小型为50年。

混凝土对大型工程来说意义尤其重大，若耐久性不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150～200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修；而对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30～50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40～50%以上。

回看中国，我国上世纪50年代所建设的混凝土工程已使用40多年。如果平均寿命按30～50年计，那么在今后的10～30年间，为了维修这些建国以来所建的基础设施，耗资必将是极其巨大的。而我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿人民币以上。据此来看，约30～50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，提高混凝土耐久性，降低巨额的维修和重建费用已是工程技术人员必须要认真面对的课题。

二、影响混凝土耐久性的因素分析

影响混凝土耐久性的主要因素大致可以分为以下几点：首先，在混凝土工程中为了满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的25～40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水份、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足；其次，水泥石中的水化物稳定性不足也会对耐久性产生影响。水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在水化物中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低、稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。

三、提高混凝土耐久性的措施

根据对影响混凝土耐久性的主要因素的分析，就可以找出提高混凝土耐久性的主要技术途径。如上分析，要提高混凝土的耐久性，必须降低混凝土的孔隙率，特别是毛细管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果纯粹的降低用水量，混凝土的工作性将随之降低，又会导致捣实成型困难，同样造成混凝土结构不致密，甚至出现蜂窝等宏观缺陷，不但混凝土强度降低，而且混凝土的耐久性也同时降低。所以正确的设计、施工是提高混凝土耐久性根本措施。

1.结构设计

设计时应对混凝土及钢筋混凝土结构所处环境，提出各部位不同的耐久性要求。

(1）耐久性。现行的水工钢筋混凝土设计规范，对不同工作条件下的抗渗、抗冻、抗侵蚀等都有具体要求。设计时应该规定混凝土水灰比的最大值。

(2）设计强度。水工混凝土在满足耐久性的要求下，实际强度一般都超过结构强度。闸墩（水位变化范围）、底板、消力池、胸墙、公路桥、栏杆等结构，耐久性应该要求比较高，设计标号尽量选用大一点。

(3）保护层强度。水工钢筋混凝土设计规范，对最大保护层厚度有具体规定。在江苏省常规保护层设计厚度，闸墩50～70mm，薄的墙、桥、胸墙等30～50mm，可以满足耐久性要求，桥面板、栏杆等细薄构件，如果保护层设计厚度小于20mm的，混凝土标号尽量高点。

(4）裂缝问题。裂缝对混凝土耐久性不利，国内有关规范只允许裂缝宽度，一般温和环境中0.3mm；中等环境中0.2mm，恶劣环境中0.1mm。我国许多专家通过试验认为钢筋锈蚀与裂缝无关。根据江苏省调查资料表明裂缝小于0.2mm对钢筋锈蚀没有影响；大于0.3mm时有锈蚀可能，但是事例很少。

2.混凝土组成材料和配合比设计

(1）混凝土组成材料。

骨料：要求选用级配优良，无有害杂质的粗细骨料。

水泥：要选用满足耐久性要求的品种和标号。有抗冻、耐摩要求的，应该选用硅酸盐水泥。

外加剂：加气剂可以显著提高效果。

高混凝土抗冻性，减水剂可以在不增加水泥用量的情况下降低混凝土的水灰比。

(2）水灰比是影响混凝土耐久性的主要因素。水灰比大，混凝土中开口毛细管多，降低了混凝土的耐久性。只有减小水灰比和增加湿养护时间，才能减少连通的毛细管体系，美国T-Copwders在1959年提出水灰比和湿养护时间关系如表1：

依据江苏省的自然条件，考虑水工建筑物的耐久性，混凝土最大允许水灰比和最小水泥用量宜采用表2数值：

在耐久性要求较高的部位，水灰比以不超过0.55为宜。

3.混凝土的施工

正确的施工是保证混凝土耐久性的最后一环，从原材料的采购、加工、保管、配料、拌和、运输、浇捣、养护每道工序都必须严格程序，要遵守操作规程。

4.消除混凝土自身的结构破坏因素

除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化性过热过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱骨料反映等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、S03、C1-等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，以提高混凝土的耐久性。

5.保证混凝土的强度

尽管强度与耐久性是不同概念，但又密切相关，它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构，都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下，随着水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，其强度不断提高。与此同时，随着孔隙率降低，混凝土的抗渗性提高，因而各种耐久性指标也随之提高。在现在的高性能混凝土中，除掺入高效减水剂外，还掺入了活性矿物材料，它们不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除内部破坏因素的条件下，随着混凝土强度的提高，其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。

总之，提高混凝土的耐久性是混凝土发展的必然趋势。

参考文献：

[1]王应鼎.建筑材料[M]，水利电力出版社，1983.

[2]DLT 5144-2001.水工混凝土施工规范.国家电力公司科技司，2001.

[3]邹琼 何艳.绿色建筑评析.资源开发与市场[ j]，2004.

[4]刘伟.绿色建筑生命周期成本分析研究.重庆大学硕士学位论文，2006.

[5]左东启 王世夏 林益才.水工建筑物[M]，河海大学出版社，1995.

作者简介：李泽源（1958-），男，工程师。

来源：《中国水能及电气化》2008年第7期