水闸混凝土结构病害成因分析及防治措施

摘要：混凝土的碳化、裂缝、渗漏、剥蚀和内部钢筋的锈蚀是水闸混凝土最常见的老化病害形式，这五种病害给水闸的安全运用留下了隐患，严重影响了工程效益的发挥。本文对水闸混凝土结构不同类型病害形式的危害及成因进行了讨论和分析，并对不同类型病害形式的工程防治措施进行了归纳。

关键词：水闸混凝土；老化病害；成因分析；防治措施

中图分类号：TU528.36 文献标识码：A 文章编号：

概述

采用混凝土或钢筋混凝土结构修建的水闸建筑物统称为水闸混凝土。水闸混凝土经多年的运用，在复杂的自然条件和外力作用下，其材料性能和受力状态不断变化，老化病害严重，主要表现为混凝土的碳化，裂缝、渗漏、剥蚀和内部钢筋的锈蚀。水闸混凝土结构的老化病害使得混凝土现有承载力不足，给水闸的安全运用留下了隐患，病害险情不断发生，影响了其工程效益的发挥。

混凝土的碳化和剥蚀使钢筋表面的钝化膜遭到破坏，失去对钢筋的屏障作用，从而导致钢筋锈蚀。钢筋的锈蚀将引起混凝土握裹力下降和钢筋有效截面积的减少，并可能由于因锈蚀产生的膨胀而造成混凝土保护层的崩落，影响整体结构的稳定。贯穿裂缝或深层裂缝的形成会破坏结构的整体性，改变原设计的应力分布图形以及混凝土建筑物的受力条件，从而有使局部甚至整体结构发生破坏的可能，而垂直深层裂缝不但影响结构稳定，还可能成为渗漏的通道。渗漏的形成可能引起地基的渗流变形，降低闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性。上述混凝土的老化病害对水闸安全运行的影响和危害不容忽视，因此需要深刻分析病害的的形成原因才能“对症下药”，提出有效的防护修补措施。

1 病害成因分析

1.1 混凝土碳化机理

由于混凝土是一个多孔体，其内部存在着大小不同的毛细管孔隙、气泡甚至缺陷等，空气中的二氧化碳（CO2）首先渗透到混凝土内部充满空气的毛细管中，然后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程所产生的氢氧化钙（Ca(OH)2）和硅酸二钙（C2S）等水化产物相互作用，生成碳酸钙（CaCO3），使混凝土孔隙溶液PH值降低。混凝土的碳化是在气相、液相和固相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程。水闸混凝土碳化的影响因素主要有混凝土的水泥用量、水灰比、密实度、空气中CO2的浓度及环境的相对湿度等。CO2的浓度越高碳化越快，当大气相对湿度为50%左右时，碳化最快，湿度过高或过低都会阻碍碳化的发展。

1.2 裂缝成因分析

裂缝主要由荷载、温度、干缩、地基变形、钢筋锈蚀、碱骨料反应、地基冻胀、混凝土质量差、水泥水化热温升等原因引起。常见的水闸混凝土裂缝类型有沉降裂缝、温度裂缝、应力裂缝、施工裂缝和腐蚀裂缝。

沉降裂缝主要是由于水闸底板、铺盖、护坦和边墙因不能适应不均匀沉降而开裂形成裂缝，或闸室的胸墙以及梁板构件因相邻闸墩不均匀沉降导致支座相对变位而开裂形成裂缝。

温度裂缝则是由于混凝土的温度变形受约束而产生的。如底板、铺盖、护坦受地基约束，特别是受岩基的约束；闸墩底部受底板约束；固结于闸墩的上部结构受闸墩的约束，简支结构受支座摩阻力的约束等，这些受约束的混凝土构件在温度变化过程中因不能自由伸缩，常常在温降时因拉力过大而开裂形成裂缝；经常露出水面的铺盖、护坦和底板，因冬夏温差过大，循环胀缩而开裂形成裂缝。

应力裂缝主要因设计配筋不够，施工质量差，或长期超载运行以及地震作用等产生的裂缝，多属深层裂缝，其走向基本与应力方向垂直。

施工裂缝，顾名思义，主要是由于施工过程中对工作缝面处理不善而引起的，特别是在水闸改建和扩建过程中新旧混凝土接合处理不好容易产生施工裂缝。

腐蚀裂缝主要是由于海洋环境的腐蚀作用使钢筋锈蚀而产生的混凝土顺筋裂缝。由于海水中氯离子（CL－）含量很高，而沿海水闸混凝土结构经常受外海潮浪冲击和浸泡，并长期处于含盐雾的大气中，使水闸混凝土中氯离子含量超标。海水中氯离子逐渐向钢筋混凝土结构内渗透，造成钢筋钝化膜破坏，从而引起钢筋锈蚀，钢筋的体积膨胀则造成面层混凝土的胀裂，因此，氯盐是威胁沿海水闸混凝土建筑物耐久性的最危险物质。

1.3 渗漏的成因分析

渗漏主要是由混凝土密实性较差，裂缝、伸缩缝止水失效等原因引起，主要类型有点渗漏、线渗漏和面渗漏。

1.4 剥蚀的成因分析

剥蚀是从混凝土的外观破坏形态着眼，对水闸混凝土结构物表面区混凝土发生麻面、露石、起皮松软和剥落等老化病害的统称。剥蚀主要是由冻融、冲磨气蚀、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱骨料反应及低强风化等原因导致的。根据不同的破坏机理，可将剥蚀分为冻融剥蚀、冲磨和空蚀、钢筋锈蚀、水质侵蚀、风化剥蚀、对裂缝修补、渗漏处理、剥蚀破坏、碱骨料反应破坏等。

1.5 内部钢筋锈蚀成因分析

混凝土结构中钢筋的锈蚀实际上是钢筋电化学反应的结果。导致钢筋锈蚀的原因有两个：第一是混凝土的碳化深度超过混凝土保护层厚度，使钢筋表面的钝化膜遭到破坏而引起锈蚀；第二是大量氯离子（CL－）等酸性离子的侵蚀作用。CL－有相当高的活性，对钢筋有很强的吸附作用，是一种钢筋的活化剂。当CL－渗透超过混凝土保护层而达到钢筋表面时，就会置换钢筋钝化膜中的氧元素，使钝化膜破坏，从而使钢筋处于活化状态，继而产生电化学锈蚀。

2 病害防治的工程措施

2.1 混凝土碳化防护处理

从混凝土和钢筋混凝土的大气作用下碳化与锈蚀的机理和影响因素可知，提高混凝土的抗碳化性，阻止或抑制混凝土的中性化，就能防护钢筋发生锈蚀，延长钢筋混凝土工程的使用期限。目前国内外对既有受损的混凝土和钢筋混凝土建筑物，程度严重的采取钢筋和混凝土双重加固、修补和表面封闭的综合防护措施，即对于碳化深度超过混凝土保护层，钢筋已产生锈胀破坏的部位，要在彻底清除的基础上用粘结性好、密实度高的水泥砂浆或混凝土进行局部修补，恢复结构物的整体外形，再用粘结性强的防碳化柔性涂料对整个钢筋混凝土结构进行全面的封闭，以防止空气中的CO2和水、氧气继续顺利进入混凝土，达到整体防护的效果；对于程度不严重的钢筋有效面积未减少的，大都采用表面封闭法，即在混凝土表面做涂料，阻断CO2向其内部侵蚀扩散的途径，减缓混凝土的碳化速度。常用的修补封闭材料有：树脂系列、聚合五系列、水泥系列。

2.2 裂缝的控制及修补

在水闸的修建或扩建过程中，需要从施工方面控制混凝土裂缝的产生，主要的防裂措施有：

2.2.1 优化混凝土配合比的设计，尽量加大骨料粒径，减少水泥用量，严格控制拌制混凝土的水灰比；

2.2.2 合理紧凑安排好混凝土浇筑进度，尽量缩短墩（岸）墙和底板之间混凝土浇筑的时间差，以减少老混凝土对新混凝土的约束，避免和减少混凝土产生裂缝的机会；

2.2.3 加强高温季节和低温季节对混凝土的养护和保护，以减少混凝土表层温度梯度及内外温差，连续保持混凝土表面温度，防止产生裂缝。

水闸混凝土裂缝修补，目的是恢复其整体性、耐久性和抗渗性，一般宜在低水头和易于修补材料凝固的环境下进行。对于受温度影响的裂缝宜在低温季节修补，对于不受温度影响的裂缝，则宜在裂缝已稳定的情况下修理。常见的裂缝修补措施有化学灌浆补强法和灌浆补强及防碳化处理的综合加固处理方法，对贯穿性裂缝还需采用表面黏贴碳纤维补强加固技术以恢复结构的整体性与耐久性。

2.3 渗漏处理的方法

对于不同的渗漏，处理方法不尽相同。选择渗漏处理的方法应从渗漏修补的目的、环境条件、施工期、经济性等方面考虑。

点渗漏的处理方法有直接堵漏法、下管堵漏法、木楔堵漏法、灌浆堵漏法等，应根据水压力的大小和孔洞大小来选择。线渗漏的处理是指变形缝渗漏的处理和渗漏裂缝的处理。处理水闸混凝土建筑物变形缝止水失效而造成的渗漏，常用的方法有：嵌填止水密封材料法、环氧黏贴橡胶板等止水材料法、锚固橡胶板等止水材料法、灌浆堵漏法。渗漏裂缝表面修补处理方法主要有：表面覆盖法、凿槽填充法、灌浆法等。无渗漏水或水头较低、渗水压力低、渗漏水量小是，是修补渗漏裂缝的最佳时机，修补处理宜在裂缝温度的状况下进行，若修补处理时有渗漏水逸出，则应先导渗止漏，然后再选择合适的修补处理方法，进行内部或表面防渗处理。

2.4剥蚀破坏处理

混凝土剥蚀破坏的原因有很多，因此，剥蚀破坏处理应通过对水闸混凝土建筑物的剥蚀破坏的诊断和危害性分析进行修补决策，选用合适的处理措施。但无论选用何种修补处理措施，所采用的修补方法都是“凿旧补新”，即清除受到剥蚀作用损伤的老混凝土，浇筑回填能满足特定耐久性要求的修补材料，在“补新”前应主要修补体与老混凝土接合面处理，老混凝土表面要求做到毛、潮、净。

2.5钢筋锈蚀防护处理

由钢筋锈蚀成因可知，防止钢筋外的混凝土保护层不出现老化病害就可以防止内部钢筋的锈蚀，而混凝土保护层的病害防治如前所述，在此不再赘述。

3 结语

本文所讨论和分析的不同类型病害形式的形成原因，是“对症下药”的前提条件，为水闸除险加固改造设计提供依据。水闸除险加固设计既要做到充分利用其现有承载力，节省投资，又不损害原有结构；而除险加固施工应以少影响或不影响工程运用和效益发挥为原则。因此，本文所归纳的不同类型病害形式的工程防治措施对今后水闸的改建或扩建设计和施工都具有重要的参考意义。

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