吳勝文

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概述

在我國的混凝土規(guī)范和水工程混凝土規(guī)范[1-2]中都明確規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)的功能要求包括:安全性、適用性和耐久性,足見耐久性問題是結(jié)構(gòu)滿足其功能要求的重要性能.但從功能和作用上來講,耐久性是為安全性和適用性服務(wù)的,可能也正因?yàn)榇?使得在以往的乃至現(xiàn)在的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在著重強(qiáng)度而輕耐久性設(shè)計(jì)的現(xiàn)象[3],從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題日益突出,許多混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞不是由于強(qiáng)度而是由于耐久性的不足所致[4].

據(jù)1985年對全國大型混凝土及鋼筋混凝土水閘、水壩的調(diào)查:32座大壩全部都存在裂縫及滲漏病害;68.7%存在空蝕和沖刷磨損破壞;18.8%存在凍融破壞;36.2%存在水質(zhì)侵蝕;40.6%存在因鋼筋銹蝕引起的混凝土順筋脹裂.46座鋼筋混凝土建筑物中,有順筋脹裂的占47.5%1)全國水工混凝土建筑物耐久性及病害處理調(diào)查報告[R],水利水電科學(xué)研究所,北京,1986..據(jù)1986年國家統(tǒng)計(jì)局和建設(shè)部對全國城鄉(xiāng)28個省、市、自治區(qū)的323個城市和5000個鎮(zhèn)進(jìn)行普查的結(jié)果,當(dāng)時全國現(xiàn)有建筑面積約5×109m2,其中約23×108m2需分期分批進(jìn)行鑒定加固,近1×109m2急需維修加固才能使用[5].建設(shè)部的調(diào)查結(jié)果還表明,國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25～30年后即需大修,處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15～20年[6],后續(xù)的一些針對水工混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查都說明混凝土老化與病害是相當(dāng)嚴(yán)重的,不少工程完建后只有15～20年時間,就發(fā)生了嚴(yán)重的老化與病害[7].

國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料表明,由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的,這對歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家已構(gòu)成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),而處于基本建設(shè)高峰期的中國,如果不充分認(rèn)識到耐久性問題的重要性,不重視混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)和檢測,那么若干年過后因耐久性不足而給國家造成的經(jīng)濟(jì)損失,會嚴(yán)重影響和制約我國社會經(jīng)濟(jì)又好又快的發(fā)展.對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失,國外學(xué)者曾用“五倍定律”進(jìn)行了形象地描述[3].因此,從建筑物的“百年大計(jì)”來講,混凝土的耐久性應(yīng)比強(qiáng)度更為重要[4].隨著環(huán)境的變遷和功能要求的提高,耐久性問題會愈來愈突出,因此對混凝土的耐久性問題應(yīng)予以足夠的重視.

對于水工混凝土,由于受到所處環(huán)境水的影響,比一般大氣環(huán)境下的混凝土耐久性更為復(fù)雜.一般認(rèn)為,導(dǎo)致水工混凝土耐久性失效的原因主要有:①混凝土的低強(qiáng)度風(fēng)化;②堿—骨料反映;③滲漏溶蝕;④凍融破壞;⑤水質(zhì)侵蝕;⑥沖刷磨損和空蝕;⑦混凝土的碳化與鋼筋銹蝕;⑧由荷載、溫度、收縮等原因產(chǎn)生的裂縫以及止水失效等引起滲漏病害的加劇[7].

由于影響因素的復(fù)雜,目前混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是針對影響耐久性能的主要因素提出相應(yīng)的對策,即以概念設(shè)計(jì)為主.一般是采取一定的措施來保證耐久性,我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范(GB50010-2002)和水工混凝土規(guī)范(SL191-2008)在條文中針對混凝土耐久性設(shè)計(jì)所作出的一些規(guī)定即是如此.

2 工程概況

浙江省地處我國東南沿海,為抵御臺風(fēng)暴潮的襲擊,全省共修筑海塘 2132 km,其中浙東海塘1732 km,錢塘江海塘400 km.海塘保護(hù)圈內(nèi)的經(jīng)濟(jì)總量和財政收入占全省的80%左右,海塘不僅是浙江沿海地區(qū)的生命線和幸福線,也是全省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的安全屏障.由于以前修建的海塘標(biāo)準(zhǔn)過低,每次臺風(fēng)都給浙江省帶來了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,其中尤以1994年的“9417”號強(qiáng)臺風(fēng)和 97年的“9711”號強(qiáng)臺風(fēng)為甚.在“9711號”臺風(fēng)過后,浙江省委、省政府痛定思痛,作出了“建千里海塘、保千萬生靈”和“全民動員興水利,萬眾一心修海塘”的重大決策,計(jì)劃把沿海防御能力偏低的1000多km重要海塘建設(shè)成高標(biāo)準(zhǔn)海塘,重要城市達(dá)到100年一遇的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),多數(shù)地段達(dá)到50年一遇標(biāo)準(zhǔn).通過5年多艱苦卓絕的努力,共投資50多億元,至2002年底全省共建成標(biāo)準(zhǔn)海塘1280 km.

本次所做的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測標(biāo)段位于錢塘江標(biāo)準(zhǔn)海塘下沙段七格至120丁壩之間,該區(qū)域海塘最高水位主要由臺風(fēng)期的暴潮增水和高潮位組合所控制,并受上游洪水影響.因此,該段海塘除受流水作用外,還承受涌潮等高速水流沖刷作用.該段海塘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,工程等級為一等,工程于1997年開建,1998年完建.海塘結(jié)構(gòu)型式為斜坡式,沿海塘每隔數(shù)十米不等受涌潮沖擊厲害的彎道處筑有丁壩.海塘斷面和丁壩結(jié)構(gòu)型式,見圖1、圖2.

圖1 海塘斷面圖

圖2 丁壩結(jié)構(gòu)圖

3 耐久性檢測及分析

3.1 檢測內(nèi)容和方法

在查閱該段海塘相關(guān)文獻(xiàn)資料和現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,決定對海塘上坡、馬道、下坡以及丁壩上下游面和丁壩頂部等部位進(jìn)行檢測,具體的檢測內(nèi)容和方案為:

3.1.1 裂縫檢測

裂縫檢測的主要目的是掌握對海塘混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有影響的裂縫的分布及長度、寬度等.

3.1.2 混凝土強(qiáng)度檢測

采用回彈法和鉆芯法相結(jié)合的方法對檢測段海塘結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測.主要以無損檢測的回彈法為主,并在少量部位輔以鉆芯法.

3.1.3 混凝土碳化深度測定

選擇具有代表性的部位,布置1到3個測孔,作為該段海塘混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度值.測孔直徑為12 mm,清洗后向孔內(nèi)噴灑1%濃度的酚酞試液,根據(jù)顏色變化來測定混凝土的碳化深度.另外,鉆孔取芯的混凝土芯樣有較好的暴露表面供滴定酚酞用,在做強(qiáng)度檢測前先用酚酞試液來滴定混凝土碳化深度.

3.1.4 氯離子含量檢測

選擇海塘上下坡和馬道及丁壩迎水面、背水面和表面6個部位進(jìn)行電鉆取粉,在實(shí)驗(yàn)室利用RCT氯化物快速測定儀測試混凝土中游離氯離子含量,其值以其占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示.

3.1.5 抗?jié)B性檢測

采用GWT-4000滲水性測試儀,對海塘上坡、下坡及丁壩頂面進(jìn)行現(xiàn)場混凝土抗?jié)B性檢測.

3.2 檢測結(jié)果及分析

3.2.1 裂縫

從外觀檢測發(fā)現(xiàn),該段海塘及丁壩表面總體狀況良好,沒有發(fā)現(xiàn)碳化裂縫,也沒有堿—集料反應(yīng)而出現(xiàn)的裂縫,但在有些區(qū)域發(fā)現(xiàn)有縱橫交錯的表面裂縫,這可能是由于溫度應(yīng)力和混凝土干縮變形所引起.這些表面裂縫對結(jié)構(gòu)本身無什么影響,但裂縫的存在及發(fā)展會對海塘的抗?jié)B性有很大的影響.

3.2.2 混凝土強(qiáng)度

根據(jù)對海塘和丁壩用回彈法和鉆芯法所得的檢測值,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,其結(jié)果見表1和表2.

表1 海塘混凝土強(qiáng)度

表2 丁壩混凝土強(qiáng)度

由表可知,用回彈法測得的強(qiáng)度值略高于鉆芯法測得的強(qiáng)度值.以鉆芯法測得的混凝土強(qiáng)度值來換算混凝土強(qiáng)度等級,海塘處混凝土相當(dāng)于C19.5,比原設(shè)計(jì)值C20略低,丁壩處混凝土相當(dāng)于C20.7,比原設(shè)計(jì)值C20略高,這主要是丁壩所處位置較海塘潮濕,混凝土中水泥水化更為充分的緣故.檢測結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度對耐久性無影響.

3.2.3 混凝土碳化深度

現(xiàn)場布孔檢測和取回的芯樣酚酞滴定,均表明無明顯混凝土碳化現(xiàn)象.

3.2.4 氯離子含量

根據(jù)現(xiàn)場取得的混凝土粉樣,在實(shí)驗(yàn)室用硝酸銀滴定法測得的氯離子含量隨深度的分布,見圖3至圖8.圖中的直線為氯離子含量y=與深度x的線性擬合,通過擬合的直線很容易求得表面氯離子含量,并由Fick第二定律可求得相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù),6個檢測部位的表面氯離子含量和擴(kuò)散系數(shù),見表3.

圖3 海塘上坡氯離子含量

圖4 海塘馬道氯離子含量

圖5 海塘下坡氯離子含量

圖6 丁壩迎水面氯離子含量

圖7 丁壩頂面氯離子含量

圖8 丁壩背水面氯離子含量

表3 各檢測處表面氯離子含量和擴(kuò)散系數(shù)

由表3可知,無論是表面氯離子含量還是氯離子擴(kuò)散系數(shù)均較小,而該結(jié)構(gòu)中鋼筋又埋置較深,故不會產(chǎn)生因氯離子侵入而導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕.

3.2.5 抗?jié)B性

根據(jù)測得的滲水量及相應(yīng)的時間,用GWT-4000滲水性測試儀所提供的相關(guān)公式,分別求得三處的滲水速度及滲透系數(shù),見表4.

由表4數(shù)據(jù)可知,該段海塘混凝土的抗?jié)B性能較差,這種較差的抗?jié)B性除對混凝土本身的溶出性侵蝕有很大不利外,還對海塘的抗?jié)B性有較大影響,從海塘背水面局部有粘土流失的情況來看,很大程度上與此有關(guān).

表4 表面滲水速度和滲透系數(shù)表

4 結(jié)論及建議

(1)從本次檢測結(jié)果來看,該標(biāo)段海塘混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能良好.

(2)影響該標(biāo)段海塘混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素是混凝土表面裂縫和抗?jié)B性.因此,后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)混凝土裂縫發(fā)展和滲透性監(jiān)測,必要時采取防護(hù)和加固措施.建議在以后的海塘建設(shè)中加強(qiáng)對混凝土的早期養(yǎng)護(hù),并提高海塘護(hù)面混凝土的抗?jié)B等級.

(3)錢塘江海塘混凝土的耐久性除受一般自然環(huán)境的物理化學(xué)變化影響外,更是由海塘所獨(dú)處的自然環(huán)境——涌潮所決定,涌潮對海塘的巨大沖刷和碰撞比起一般水工建筑物來尤為更甚.因此,建議在海塘結(jié)構(gòu)中,采用高標(biāo)號硅酸鹽大壩水泥、堅(jiān)硬粗骨料、強(qiáng)度等級不低于C30的混凝土,且施工時注意振搗密實(shí).

(4)鑒于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性對結(jié)構(gòu)功能的重要性,除在設(shè)計(jì)、施工階段予以足夠重視外,建議還應(yīng)加強(qiáng)對服役混凝土結(jié)構(gòu)的檢測和評估,建立耐久性定期檢測和評估機(jī)制,以確保其設(shè)計(jì)生命周期的實(shí)現(xiàn)以及避免因發(fā)生嚴(yán)重耐久性不足時而導(dǎo)致更大的維修經(jīng)濟(jì)損失.

(5)目前的好多混凝土耐久性檢測技術(shù)都是對結(jié)構(gòu)有損或微損的,在檢測的同時對結(jié)構(gòu)本身造成了新的破壞,因此建議大力開發(fā)無損檢測手段,這樣不但可避免因檢測對結(jié)構(gòu)造成的破壞,還可提高檢測的精度和效率.

[1]中華人民共和國水利部.SL/T 191-96水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,1997.

[2]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2002(4):371-380.

[4]程云虹,劉 斌.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀及趨勢[J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003(6):600-605.

[5]盧 木.混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J].工業(yè)建筑,1997,27(5):1-6.

[6]土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性[J].工程科技論壇,北京:清華大學(xué),2001.

[7]河海大學(xué).水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,1996:299-304.