水工混凝土工程耐久性设计研究

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1、水工混凝土工程耐久性设计研究-工程事故分析水工混凝土工程耐久性设计研究　摘要：随着社会的发展与进步，重视水工混凝土工程耐久性设计具有重要的意义。本文主要介绍水工混凝土工程耐久性设计研究的有关内容。　　关键词：水工,混凝土,工程,耐久性,设计　　引言　　水工混凝土结构主要包括混凝土大坝、水闸、堤防、隧道、渡槽等。这些水工混凝土能否长期安全运行，关系大江、大河、水库的防洪渡汛等国计民生大事。因此水工混凝土耐久性问题一直是政府管理部门和科研机构研究的重点。由于我国各地水文地质环境差异大，一些地方的水工混凝土长期受有害物质的侵蚀，混凝土结构腐蚀现象非常严重，导致结构工程达不到设计

2、使用期限的要求就无法继续使用，严重的造成生命财产的损失。因此，分析水工混凝土结构的侵蚀机理，研究提高水工混凝土结构耐久性的途径，使其满足预定的使用功能和服务使用寿命，是目前混凝土结构耐久性研究的一个紧迫课题。　　1混凝土结构耐久性的概念　　混凝土结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀作用的抵抗能力。耐久性好的混凝土结构暴露于使用环境时，具有保持原有形状、质量和适用性的能力。结构的耐久性与与结构的使用寿命总是紧密联系的，结构的耐久性越好，则使用寿命越长。　　设计永久性水工建筑物时，耐久性是结构必须满足的功能之一。在水工混凝土结

3、构的设计基准期内，要求结构或构件在正常使用和维修条件下，随时间变化而满足预定功能的要求。一般水工混凝土结构的使用寿命都要求大于50年，但以上资料表明，因材质劣化造成失效以致破坏崩塌的事故频繁发生，用于混凝土结构修补、重建和改建的费用日益增大，耐久性问题越来越受到人们的重视。因此，在设计水工钢筋混凝土结构时，除了进行承载力计算、抗裂、裂缝开展宽度和变形验算外，还必须进行耐久性的设计。　　2混凝土侵蚀机理研究　　2.1混凝土的组成分析　　混凝土中的胶凝材料水泥，按照其成分和用途不同，可分为硅酸盐水泥、掺合料硅酸盐水泥(包括普通、矿渣、粉煤灰和火山灰等)、铝酸盐水泥、膨胀水泥等

4、。但在土木工程混凝土结构中用量最多的是硅酸盐水泥，又称波特兰水泥。该水泥熟料(粉状)的主要成分为：　　硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写为C3S)，含量37%～6O%：　　硅酸二钙(2CaO·SiO2，简写为C2S)，含量15%N37%：　　铝酸三钙(3CaO·AI2O3，简写为C3A)，含量7%～15%：　　铁铝酸四钙(4CaO·AI2O3·得Fe203，简写为C4AF)，含量10%～18%。　　上述4种矿物中硅酸钙(包括硅酸三钙、硅酸二钙)是主要的，占70%以上。这些矿物是依靠水泥原料中提供的CaO、SiO2、FeO3、AlO3等氧化物在高温下互相进行化学作用而形成的

5、。硅酸盐水泥熟料与水发生反应形成水化物并放出一定的热量，　　反应化学式如下：　　2(3CaO·得SiO2)+6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2　　2(2CaO·得SiO2)+4H20==3CaO·2SiO2·得3H2O+Ca(OH)2　　3CaO·得Al2O3+6H20==3Ca·AI2O3·6H2O　　4CaO·得Al2O3·Fe2O3+7H20==3CaO·AI2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O　　从上述反应式中可以看出，生成的水化产物主要有：水化硅酸三钙3CaO·得2SiO·得3H2O;氢氧化钙Ca(OH)2;水化铝酸三钙3Ca·

6、AI2O3·6H2O;水化铁酸钙CaO·Fe2O3·H2O。　　因而，混凝土中的水泥发生化学反应后形成的水泥石，主要是由水化硅酸三钙和水化铁酸钙两种凝胶，以及氢氧化钙等晶体固相组成，是一种复杂的混合物。其中，氢氧化钙约占总量的25%;此外，水泥中还含有KO、Na2O等碱金属氧化物杂质，这些氧化物水化生成KOH和NaOH。所以，混凝土的基体本身就是一种高碱性的混合物。部分水中含有较多的可溶盐类，最主要的有NaCI、Na2SO、MgSO。这些盐类的存在对混凝土产生两种破坏作用：硫酸盐对混凝土的侵蚀和氯盐对钢筋的侵蚀。　　2.2硫酸盐的腐蚀　　Na2SO、MgSO4等与混凝土中

7、的水化产物Ca(OH)反应生成CaSO4，CaSO4又迅速与水泥石中的水化铝酸钙作用生成钙矾石。反应过程如下(以MgSO为例)。　　MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4　　3CaSO4+4CaO·AI2O3·12H2O+20H2O=3CaO·得Al203·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2　　生成钙矾石后，固相体积是原来的1.5倍以上，在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的开裂破坏。　　2.3氯盐的腐蚀　　水中的NaCI、MlgCI2与水泥的水化产物Ca(OH)2作用，生成CaCI2、Mg(OH)2等