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碳化對水工鋼筋混凝土結構耐久性的影響
摘要混凝土的碳化是引起鋼筋銹蝕、影響混凝土耐久性的重要原因之一。闡述了混凝土碳化原因及碳化處理方法,并結合工程質(zhì)量實(shí)例提出了防止混凝土碳化或放慢碳化速度所采取的一些措施。
關(guān)鍵詞碳化;鋼筋混凝土;結構耐久性;影響因素;治理
混凝土耐久性問(wèn)題是公認的難題。水閘建成運行后,如何加強混凝土構筑物的保養、維修,提高其耐久性,是水利工程管理單位值得深入研究的問(wèn)題[1]。由于鋼筋混凝土構筑物長(cháng)期暴露在自然環(huán)境中,空氣中的CO2在適當的溫度、濕度下浸入到硬化的水泥漿細孔中,與混凝土中Ca(OH)2 反應形成CaCO3,使混凝土堿度降低。這種CO2從混凝土表面浸入到混凝土內部的過(guò)程稱(chēng)為碳化。碳化使混凝土堿度降低,減弱對鋼筋的保護作用,使鋼筋容易銹蝕,銹蝕形成的鐵銹體積膨脹(為原來(lái)的2~8倍),對混凝土保護層施加膨脹力。又由于碳化層產(chǎn)生的碳化收縮,對其內部形成壓力,而表面碳化層產(chǎn)生拉力,也能夠使結構表面產(chǎn)生微小裂紋。這種收縮裂紋成為空氣和水的通道,加快了混凝土的碳化,當鋼筋暴露在大氣中時(shí),銹蝕過(guò)程將加快,最后導致截面減小,嚴重降低結構強度,影混凝土建筑物的壽命[2]。
1混凝土碳化的主要影響因素
1.1混凝土含水量及周?chē)橘|(zhì)的相對濕度
混凝土碳化過(guò)程與混凝土含水量及周?chē)橘|(zhì)的相對濕度有關(guān)[3]。這是因為CO2與Ca(OH)2反應所釋放的水必定要向外擴散,以保持混凝土內部大氣之間的濕度平衡。如果外界濕度大或介質(zhì)相對濕度接近100% 時(shí),混凝土中的水向外擴散的速度大幅度降低或停止,混凝土中的微孔隙被水充滿(mǎn),則CO2向內部擴散的過(guò)程實(shí)際上終止,碳化也就很難進(jìn)行。當空氣濕度為50%~70%時(shí),混凝土的孔隙尚未被水充滿(mǎn),CO2可以向混凝土內擴散,而混凝土孔隙的濕度不僅為Ca(OH)2向外擴散提供了必備條件,并且使化學(xué)反應進(jìn)行較快。
1.2環(huán)境溫度
混凝土碳化速度與溫度有關(guān)[4]。當溫度較低時(shí),水變成冰,化學(xué)反應無(wú)法進(jìn)行,碳化實(shí)際上停止,隨溫度的升高,碳酸的擴散易于進(jìn)行,Ca(OH)2及CO2的擴散速度和化學(xué)反應速度均加大,從而使混凝土的碳化過(guò)程加快。
2工程治理實(shí)例
2.1工程概況
引灤工程爾王莊管理處聯(lián)結井閘自運行以來(lái),由于先天的混凝土強度偏低、振搗不實(shí)、保護層厚度不足等原因致使混凝土保護層疏松脫落,箍筋部分裸露銹蝕,碳化深度4~6 cm,普遍出現了箍筋、順筋銹脹裂縫,回彈儀測強為11~22 MPa。因其耐久性問(wèn)題比較嚴重,列為2000年爾王莊管理處維修加固的重點(diǎn)。
2.2施工工藝
工程的治理原則是:治理后具備原有承載力、整體性和耐久性,防止進(jìn)一步損壞結構和構件,盡量避免大動(dòng)大補,并盡可能保持原有結構外觀(guān)。處理方法以實(shí)際出發(fā),在安全可靠的前提下,力求簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟合理。
2.2.1工藝流程。鑿除混凝土→鋼筋除銹→基層清理→刷MCI遷移性鋼筋防銹劑(2020)→刷界面劑(第1遍)→抹鋼纖維砂漿(第1遍)→化學(xué)灌漿→刷界面劑(第2遍)→抹鋼纖維砂漿(第2遍)→刷界面劑(第3遍)→抹鋼纖維砂漿(第3遍)→養護→刷MCI2021→刷防碳化涂料(3遍)。
2.2.2修補材料。①鋼纖維砂漿。配比為水泥∶砂∶鋼纖維∶硅粉∶減水劑∶水=1∶1.5∶0.08∶0.1∶0.05∶0.38。鋼纖維砂漿是一種性能優(yōu)良的新型復合材料。亂向分布的短纖維阻礙內部裂縫的擴展和宏觀(guān)裂縫的發(fā)生,從而使抗拉、抗彎、抗剪強度等顯著(zhù)提高。其抗沖擊、抗疲勞、耐久性也有較大改善。摻入硅粉和減水劑的鋼纖維砂漿可以提高砂漿的密實(shí)性、抗壓強度、抗滲性、耐久性,改善混凝土拌合物的和易性。②MCI—2020遷移性鋼筋防銹劑。MCI—2020是一種通過(guò)涂抹在混凝土表面,可自行滲透擴散至內部鋼筋表面,形成單分子保護膜,保護鋼筋不被腐蝕。即使它不與鋼筋直接接觸,也能在混凝土中滲透擴散一定距離,達到鋼筋表面,從而有效抑制鋼筋腐蝕,延長(cháng)結構的使用壽命。③界面劑。ZV型混凝土修補膠與水泥調和而成,其配比為1∶1。使用時(shí)均勻涂抹在混凝土表面,力求薄而不淌,待漿液不粘手時(shí),即可進(jìn)行下一道工序。
2.3化學(xué)灌漿
對于聯(lián)接井閘南側的4棵機架橋柱,由于其內部混凝土強度低于C15,且有蜂窩、孔隙,直接影響了鋼筋混凝土柱的承載力,必須采取化學(xué)灌漿處理。①灌漿壓力。0.35~0.45 MPa。②灌漿材料。環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑=2∶1(體積比)。③預埋灌漿嘴。灌漿嘴用“水不漏”預埋,2~3個(gè)嘴子內部架橋(預留通道),用來(lái)排氣。
2.4混凝土表面涂料涂覆
在混凝土表面涂料涂覆,可使混凝土與CO2、Cl-、O2和H2O隔離,是防止鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕的一種常用的有效措施。一般在預測到鋼筋混凝土結構將受到銹蝕損害時(shí)采用,也可以在經(jīng)局部修補的較輕微銹蝕的鋼筋混凝土結構上起保護作用。目前在我國水利工程中使用較普遍的為環(huán)氧樹(shù)脂厚漿涂料。在此項聯(lián)結井閘補強加固工程中,根據鋼筋混凝土的不同損壞程度,采用化學(xué)灌漿、鋼纖維砂漿、MCI遷移性鋼筋防銹劑等綜合治理方法。因此,在混凝土表面涂料涂覆時(shí),采用一般的外檐涂料,并在涂料中摻入BC01膠,使其更牢固、不褪色。
3小結
混凝土結構損壞如果得不到及時(shí)處理,損壞就會(huì )日益加劇,極易誘發(fā)各種危險事故。因此,應對碳化機理、碳化的影響因素、碳化對鋼筋混凝土結構物的損壞原因進(jìn)行分析,并針對碳化引起水工建筑物的缺陷采取治理措施。
4參考文獻
[1] 肖佳,勾成福.混凝土碳化研究綜述[J].混凝土,2010(1):40-44,52.
[2] 劉磊.SBR砂漿在嶂山閘混凝土表面防碳化處理的應用[J].治淮,2010(1):27-29.
[3] 王玉琳.混凝土碳化影響因素研究綜述[J].淮海工學(xué)學(xué)報:人文社會(huì )科學(xué)版,2002(2):42-44,48.
[4] 史瑞琴.水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞及防治淺析[J].黑龍江科技信息,2008(23):233.
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