周元斌 蔣 濤 黃 毅 呂曉波 王 珩

（1 江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處；2 南京水利科學(xué)研究院）

水利工程的耐久性檢測(cè)與評(píng)估，是耐久性評(píng)價(jià)體系的重要環(huán)節(jié)，同類工程的耐久性資料的收集，有助于對(duì)混凝土耐久性做出更全面、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[1]。在耐久性評(píng)價(jià)中，一般使用經(jīng)驗(yàn)法、類比法、加速試驗(yàn)法、數(shù)學(xué)模型法和概率分析法進(jìn)行預(yù)測(cè)，如針對(duì)單一環(huán)境的壽命預(yù)測(cè)[2]和失效概率計(jì)算[3]，也有多種環(huán)境下的綜合評(píng)價(jià)，主要為模糊評(píng)價(jià)[4]，但評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值和權(quán)重?cái)?shù)的確定存在多種方法，數(shù)學(xué)原理較為復(fù)雜[5][6]，不便于實(shí)際工程采用。2019 年，由南京水利科學(xué)研究院主編的《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定規(guī)范》（SL 775-2019）頒布實(shí)施，為水利行業(yè)內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)提供了有力參考。本文結(jié)合實(shí)際工程，在宏觀細(xì)觀檢測(cè)的基礎(chǔ)上，分析耐久性失效的原因，并采用規(guī)范中推薦的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型結(jié)合的方法，進(jìn)行耐久性評(píng)定。

劉老澗新閘位于宿遷市宿豫縣仰化鄉(xiāng)境內(nèi)的京杭運(yùn)河中運(yùn)河段上，建于1976 年，屬于劉老澗樞紐的組成部分，是劉老澗樞紐排泄沂、泗洪水的控制建筑物。主要作用是與京杭運(yùn)河宿遷、泗陽控制樞紐相配，保證中運(yùn)河800～1000m3/s 洪水及時(shí)順利下泄，確保駱馬湖安全，并保證劉老澗至宿城段運(yùn)河航運(yùn)交通和兩岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水。劉老澗新閘共5 孔，每孔凈寬5.0m，設(shè)計(jì)行洪流量400m3/s。閘室底板為150#混凝土反拱底板，內(nèi)填漿砌石結(jié)構(gòu)，中墩門槽段為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余為預(yù)制混凝土墩殼內(nèi)填塊石混凝土結(jié)構(gòu)；閘室邊墩及上、下游翼墻均為漿砌石重力式結(jié)構(gòu)；閘上設(shè)5m寬交通橋，工作橋采用250#預(yù)制混凝土板式結(jié)構(gòu)。

劉老澗新閘經(jīng)多年運(yùn)行存在閘室結(jié)構(gòu)整體性差，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度低，工作橋排架配筋不足，交通橋老化，檢修便橋老化、露筋，閘門漏水嚴(yán)重，電氣設(shè)備老化等問題，影響工程安全運(yùn)行。2015 年7 月，江蘇省水利廳組織對(duì)劉老澗新閘進(jìn)行安全鑒定，評(píng)定該閘為三類閘，部分運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程質(zhì)量等級(jí)安全性分級(jí)為C 級(jí)，且按流域防洪規(guī)劃要求，該閘行洪規(guī)模不滿足要求。2020 年底，該閘進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，借此機(jī)會(huì)，對(duì)劉老澗新閘各主要部位混凝土耐久性進(jìn)行了一系列檢測(cè)與評(píng)價(jià)工作，通過試驗(yàn)，得到現(xiàn)場(chǎng)混凝土材料長(zhǎng)期服役后的各項(xiàng)性能，并評(píng)價(jià)其混凝土長(zhǎng)期服役后的耐久性，不但可以復(fù)核建設(shè)時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)合理性，還可為今后在同一地區(qū)類似條件下的水利工程的混凝土設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，也是對(duì)該規(guī)范的有效性和可用性進(jìn)行了一次實(shí)踐檢驗(yàn)。

1 取樣及試驗(yàn)方法

在新閘混凝土結(jié)構(gòu)重要部位取樣并取芯，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、氣泡參數(shù)和砂漿孔結(jié)構(gòu)分析?；炷寥硬课患熬幪?hào)見表1，其中抗壓強(qiáng)度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試樣數(shù)量分別3 個(gè)。

表1 混凝土取樣部位及編號(hào)

碳化深度測(cè)試方法按《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定規(guī)范》（SL775-2018）進(jìn)行。具體為在混凝土樣品表面打3 個(gè)孔，并呈“品”字形排列，且孔距大于2 倍孔徑，用毛刷和皮球?qū)⒖變?nèi)清理干凈，噴灑1%濃度的酚酞溶液，孔內(nèi)周邊面上未變色部分即為碳化部分，結(jié)果取3 個(gè)測(cè)值的平均值。鋼筋保護(hù)層厚度按《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（SL713-2015）進(jìn)行，采用電磁感應(yīng)法結(jié)合微破損法，結(jié)果取3 個(gè)測(cè)值的平均值。抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、氣泡參數(shù)測(cè)試試件由取芯后切割得到，芯樣直徑為100mm。砂漿孔結(jié)構(gòu)試件為碳化深度以下隨機(jī)敲下的帶有自然斷面的不含粗骨料的砂漿顆粒。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 芯樣抗壓強(qiáng)度

芯樣抗壓強(qiáng)度按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T 352-2020）進(jìn)行，各部位的抗壓強(qiáng)度結(jié)果和當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)見表2。其中，250# 混凝土的強(qiáng)度控制值約為24.5MPa，150#混凝土的強(qiáng)度控制值約為14.7MPa。

表2 混凝土各部位芯樣抗壓強(qiáng)度

從混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果看，混凝土強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，尤其工作橋和閘墩水下及底板部位，經(jīng)過數(shù)十年的服役，強(qiáng)度發(fā)展較多，甚至有2～3 倍的增長(zhǎng)。即使考慮到混凝土抽樣的隨機(jī)性和代表性，混凝土強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 碳化深度及保護(hù)層厚度

保護(hù)層厚度及碳化深度平均值見表3，內(nèi)部有鋼筋的是工作橋和閘墩部位，經(jīng)過檢測(cè)，工作橋的鋼筋保護(hù)層厚度在20～32mm 范圍內(nèi)，平均為28mm，閘墩外殼混凝土的鋼筋保護(hù)層厚度在28～7mm 之間；碳化深度因測(cè)點(diǎn)不同而不同，范圍在0～31.5mm 之間，離散性較大。其中閘墩水上部位，個(gè)別碳化深度達(dá)到31.5mm，達(dá)到了鋼筋保護(hù)層最小厚度。

表3 混凝土鋼筋保護(hù)層厚度及碳化深度

2.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

氯離子擴(kuò)散系數(shù)是衡量混凝土滲透性的重要指標(biāo)，與透水性存在一定的正相關(guān)性，因此，也可以用來表征其抗?jié)B性能。各部位芯樣進(jìn)行飽水后，按照SL/T 352-2020 進(jìn)行RCM 法氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果見表4?？梢婇l墩水上部位和水位變動(dòng)區(qū)部位的混凝土由于強(qiáng)度較低，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)也較大，不利于抵御外界侵蝕性物質(zhì)的滲透。

表4 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

2.4 砂漿孔結(jié)構(gòu)分析

砂漿孔徑分布測(cè)試結(jié)果見圖1 及表5。圖1 中橫坐標(biāo)為孔徑（nm），縱坐標(biāo)為壓入汞的體積對(duì)孔徑的微分，表示單位孔徑下的孔體積，孔徑分布圖采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖1 各部位混凝土砂漿孔徑分布

表5 混凝土砂漿孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

從各部位砂漿孔結(jié)構(gòu)分布來看，閘墩水上和閘墩水位變動(dòng)區(qū)的總孔隙率較大，平均孔徑和中位孔徑也較大，工作橋部位總孔隙率較小，但平均孔徑和中位孔徑大，均不利于耐久性的提高。

總孔隙率乘以有害孔或大孔比例得到有害孔和大孔孔隙率，將不同孔隙率與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比（見圖2），不同孔隙率的相關(guān)性由高到低為：總孔隙率＞大孔孔隙率＞有害孔孔隙率。其中總孔隙率和大于5000nm 大孔孔隙率與抗壓強(qiáng)度線性相關(guān)性較高，大于0.8，即總孔及大孔的多少較小孔更顯著影響著混凝土的強(qiáng)度。

圖2 不同孔隙率與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性

將不同孔徑的孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比（見圖3），不同孔隙率的相關(guān)性由高到低分別為：大于50nm 有害孔＞總孔隙率＞大于5000nm 大孔孔隙率，其中有害孔孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)性大于0.72，總孔隙率和大孔孔隙率的相關(guān)性僅為0.57 和0.24。

圖3 不同孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)性

由于碳化深度的影響因素較多，不僅與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與溫濕度等碳化條件、所處環(huán)境及碳化時(shí)間相關(guān)，因此無法找到孔結(jié)構(gòu)與碳化深度的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此不做探討。

2.5 氣泡參數(shù)分析

氣泡參數(shù)是衡量混凝土抗凍性能的指標(biāo)之一，測(cè)試結(jié)果見圖4 及表6。圖中橫坐標(biāo)為氣泡切割弦長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為各弦長(zhǎng)氣泡的占比及分計(jì)含氣量。

表6 混凝土氣泡參數(shù)

圖4 各部位混凝土氣泡弦長(zhǎng)和含氣量分布

從氣泡參數(shù)分析結(jié)果看，混凝土含氣量高低不一，但氣泡間距系數(shù)均較小，滿足抗凍混凝土的要求。

3 耐久性分析及評(píng)價(jià)

工程上常見的耐久性因素有：碳化、氯離子、硫酸鹽等化學(xué)侵蝕及凍融等。耐久性評(píng)價(jià)需要結(jié)合構(gòu)件材料的屬性及外在環(huán)境條件，并考慮到設(shè)計(jì)年限來綜合判斷。

混凝土碳化是混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題之一，碳化不僅降低混凝土堿度，破壞鋼筋鈍化膜，同時(shí)還可能加劇混凝土的收縮。碳化速率的影響因素較多，主要是孔結(jié)構(gòu)與溫濕度，而孔結(jié)構(gòu)與滲透性等其他性能又有不可分割的關(guān)系[7]?；炷恋臐B透性是耐久性的重要指標(biāo)[8]，滲透性決定了環(huán)境有害物質(zhì)侵入的難易程度，一般氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土的滲透性能正相關(guān)[9]，因此有人提出采用氯離子滲透性能來評(píng)定混凝土耐久性[10]。但就具體工程結(jié)構(gòu)來說，氯離子滲透性是其材料的本質(zhì)屬性[11]，其耐久性評(píng)定還要結(jié)合具體的環(huán)境條件來判斷。凍融耐久性同樣要結(jié)合材料本身的抗凍性和環(huán)境的凍融循環(huán)次數(shù)來綜合判斷。

3.1 工程所處環(huán)境

本區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的季風(fēng)環(huán)流特征，四季分明，春季干燥多風(fēng)，雨量集中在炎熱的夏季，秋季晴爽，冬季寒冷干燥。冬季自11 月中旬至3 月下旬，旬平均氣溫在10℃以下，1 月份天氣最冷，平均氣溫為-0.7℃，極端最低氣溫為-21.9℃；夏季最熱月是7 月，月平均氣溫27.3℃，極端最高氣溫39.9℃；年平均氣溫14.1℃，日平均氣溫≤5℃的日數(shù)為96 天。最熱天月平均相對(duì)濕度84%。年平均總降水量922mm。其夏季5～9 月平均降水量為500mm，最大日降水量199mm，最大三日雨量260mm，全年雷暴雨日數(shù)35 天。全年積雪日數(shù)12 天，最大積雪深度24㎝，冰雹總次數(shù)16 次（1953 年～1973 年）。年平均風(fēng)速3.3m/s，30年一遇最大風(fēng)速23.7m/s，全年大風(fēng)（≥8 級(jí)）日數(shù)12天。多年平均蒸發(fā)量1050mm。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果（表7），并分別參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）中環(huán)境水的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50476-2019）中關(guān)于水中氯離子濃度、硫酸鹽濃度、鎂離子濃度、二氧化碳濃度、酸堿度的劃分，判定閘站環(huán)境水對(duì)混凝土和鋼筋為無化學(xué)腐蝕。

表7 環(huán)境水分析結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)耐久性因素分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件分析影響其耐久性的主要因素。

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，各部位的氯離子擴(kuò)散系數(shù)整體較大，但由于該工程所處環(huán)境中并沒有氯離子侵蝕，因此，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大并不會(huì)直接影響其耐久性。但對(duì)照混凝土砂漿孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果，說明混凝土的密實(shí)度一般，孔結(jié)構(gòu)不利于抵御外界腐蝕性介質(zhì)。

分析該地區(qū)的凍融循環(huán)情況，宿遷地區(qū)冬季最冷月份為1 月，平均氣溫-0.7℃，按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50476-2019），低于微凍區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，按朱紅光等[12]觀點(diǎn)，屬于少凍區(qū)，年當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)僅2～6次，甚至更低[13]。美國(guó)學(xué)者T C Powers 在20 世紀(jì)50 年代提出，用氣泡間距系數(shù)衡量混凝土的抗凍性[14]，GB/T50476-2019 中對(duì)引氣混凝土的氣泡間距系數(shù)要求，對(duì)于高度飽水的混凝土，平均氣泡間距系數(shù)不大于0.25mm，胡江等[15]研究結(jié)果也認(rèn)為，混凝土要獲得較好的抗凍耐久性，氣泡間距系數(shù)不大于0.3mm，本工程混凝土樣均能滿足，因此，凍融循環(huán)破壞不是本工程的主要耐久性問題。

根據(jù)樣品檢測(cè)結(jié)果（表3），本工程混凝土的碳化問題較為嚴(yán)重，最嚴(yán)重的是閘墩水上部位，這主要是由于碳化反應(yīng)速度在相對(duì)濕度40%～70%時(shí)最快，而閘墩的水上部位恰好滿足這一條件，同時(shí)水上部位溫度也較高；其次是閘墩水位變動(dòng)區(qū)，由于經(jīng)歷干濕循環(huán)，濕度較大，CO2較易進(jìn)入，其嚴(yán)重程度與工作橋相當(dāng)。在《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50476-2019）及《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定規(guī)范》（SL 775-2018）中，水上部位可認(rèn)為是與冷凝水、露水、蒸汽頻繁接觸的結(jié)構(gòu)或與水接觸的大氣區(qū)，其環(huán)境條件與水位變動(dòng)區(qū)同屬I-C 作用等級(jí)。閘墩水位變動(dòng)區(qū)的碳化低于閘墩水上部位，但明顯高于閘墩水下和底板部位，而這兩個(gè)部位屬于長(zhǎng)期浸沒水中環(huán)境，幾乎不發(fā)生碳化，屬于I-A 作用等級(jí)。水位變動(dòng)區(qū)的碳化深度并沒有想象的高，可能一方面與取樣的離散性有關(guān)，另一方面，水位變動(dòng)區(qū)的水位變化頻度如果不大和水下時(shí)間較長(zhǎng)，也會(huì)使得碳化反應(yīng)程度不深。

另一方面，從混凝土抗壓強(qiáng)度看，混凝土強(qiáng)度受碳化影響不大，并未像某些工程那樣出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度退化[16]。

3.3 耐久性評(píng)價(jià)

本研究采用的評(píng)價(jià)方法是依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定規(guī)范》（SL775-2018），該規(guī)范的耐久性評(píng)定方法是將各種環(huán)境進(jìn)行分類和分級(jí)，按照結(jié)構(gòu)重要程度先針對(duì)單一環(huán)境進(jìn)行單獨(dú)評(píng)級(jí)，然后結(jié)合合理使用年限進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

根據(jù)前述分析，影響該工程混凝土耐久性的最大因素是碳化，按SL775-2018，碳化環(huán)境下，鋼筋開始銹蝕時(shí)間按式⑴計(jì)算：

tc——鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間，a；

ts——特定條件下（各項(xiàng)影響系數(shù)為1.0 時(shí)）構(gòu)件自鋼筋開始銹蝕到保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間，a，對(duì)室外桿件取ts=1.9，室外墻、板取ts=3.9；對(duì)室內(nèi)桿件取ts=3.8，室內(nèi)墻、板取ts=11.0；

Hc——保護(hù)層厚度對(duì)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的影響系數(shù)；

Hf——混凝土強(qiáng)度對(duì)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的影響系數(shù)；

Hd——鋼筋直徑對(duì)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的影響系數(shù)；

HT——環(huán)境溫度對(duì)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的影響系數(shù)；

HRH——環(huán)境濕度對(duì)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的影響系數(shù)；

Hm——局部環(huán)境對(duì)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的影響系數(shù)。

該水閘閘墩水上部位的碳化深度平均值最大，因此，選用該部位進(jìn)行耐久性壽命計(jì)算，該閘墩水上環(huán)境為：年平均溫度14℃，環(huán)境平均濕度60%；保護(hù)層厚度33mm，平均碳化深度19.3mm，鋼筋直徑為16mm，建成時(shí)間為45 年，通過查表得到式⑴和⑵的相關(guān)參數(shù)見表8。計(jì)算得出該閘墩水上部位的鋼筋開始銹蝕時(shí)間為33.1年，從開始銹蝕到保護(hù)層開裂時(shí)間為41.8 年，因此保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間為74.9 年（33.1+41.8=74.9）。

表8 耐久性評(píng)價(jià)計(jì)算用的系數(shù)

一般水閘的合理使用年限為50 年，該水閘已服役45 年，其閘墩部分結(jié)構(gòu)在服役了33 年時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了鋼筋銹蝕，因此，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性可評(píng)為C 級(jí)，這與前期的安全鑒定C 級(jí)相吻合。目前，該水閘一方面無法滿足防洪需求及使用要求，另一方面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)安全問題，拆除是合理的。

4 結(jié)論

通過對(duì)劉老澗新閘主體部位混凝土的取樣和檢測(cè)，得出混凝土的抗壓強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、氣泡參數(shù)和砂漿孔結(jié)構(gòu)性能。

⑴總孔孔隙率和大孔孔隙率與混凝土的強(qiáng)度高度相關(guān)，有害孔孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)高度相關(guān)。

⑵閘墩水上和閘墩水位變動(dòng)區(qū)兩部位抗壓強(qiáng)度較低，碳化深度較大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較高，總孔隙率較大，不利于混凝土抵御環(huán)境侵蝕能力。經(jīng)計(jì)算，閘墩水上部位的鋼筋開始銹蝕時(shí)間為33.1 年，而實(shí)際已運(yùn)行了45 年，因此耐久性評(píng)級(jí)為C 級(jí)。

⑶由于該地區(qū)主要耐久性因素是碳化，因此，在提高混凝土密實(shí)性之外，應(yīng)適當(dāng)增加易碳化部位的保護(hù)層厚度，提高混凝土抗銹蝕能力和延緩銹蝕速度。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注提升閘墩水上部位和水位變動(dòng)區(qū)混凝土的耐久性。