建筑物多以混凝土結構組成，而這些混凝土結構多處在氣候惡劣的環(huán)境中，受泥沙、水流、物理、化學、氣溫等影響因素頗多�；炷�土的破壞以碳化、凍融破壞為常見，致使許多建筑物的運行壽命大為縮短，造成極大浪費。所以有必要進一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機理及防治措施。
２混凝土碳化、凍融破壞機理分析

　　1．混凝土碳化機理
　　水泥中的礦物以硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，約占總重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸鈣凝膠約占總體積的50%，氫氧化鈣約占25%，水泥石的強度主要取決于水化硅酸鈣，在混凝土中水泥石的含量占總體積的25%。
　　混凝土具有毛細管—孔隙結構的特點，這些毛細管—孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細孔和凝膠孔，以及水泥石和集料接觸處的孔穴等等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率一般不少于8－10%。
　　混凝土的碳化是指大氣中的二氧化碳首先滲透到混凝土內部的孔隙中，而后溶解于毛細孔中的水分，與水泥水化過程中所產生的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等水化產物相互作用，生成碳酸鈣等產物。所以，混凝土碳化是由于混凝土存在著孔隙，里面充滿著水分和空氣，在混凝土的氣相、液相、固相中進行著一個十分復雜的多相物理化學連續(xù)過程。
　　混凝土碳化有增加混凝土強度和減少滲透性的作用，這可能是因為碳化放出的水分促進水泥的水化及碳酸鈣沉淀減少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后，其堿性降低，加快鋼筋腐蝕。
    混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕�？諝庵校茫希矚鉂B透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹�？梢�，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。
　　混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質，不僅在嚴寒地區(qū)混凝土建筑物有抗凍的要求，溫熱地區(qū)混凝土建筑物同樣會遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經歷時間長久會發(fā)生表層削落，結構疏松等破壞現象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫等，都發(fā)生過不同程度的凍融破壞。所以對混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對混凝土凍融破壞的機理，目前的認識尚不完全一致，按照公認程度較高的，由美國學者T．C．Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉變成冰，體積膨脹９％，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；其二是當毛細孔水結成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
　　另外凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構，只有當經過反復多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
３混凝土碳化、凍融破壞影響及防治

　　2．混凝土碳化影響因素
　　水工建筑物混凝土碳化的影響因素較多，有內在因素，也有外界因素。
　　2．1　影響混凝土碳化的內在因素
　　2．1．1　水泥品種
　　不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學成分不同，直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對碳化速度有重要影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗?jié)B性，減弱碳化速度，但含氯鹽的防凍、早強劑則會嚴重加速鋼筋銹蝕，應嚴格控制其用量。
　　2．1．2　集料品種和級配
　　集料品種和級配不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響著混凝土的密實性。材質致密堅實，級配較好的集料的混凝土，其碳化的速度較慢。
　　2．1．3　磨細礦物摻料的品種和數量
　　如具有活性水硬性材料的摻料，其不能自行硬化，但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強較穩(wěn)定的膠結物質，使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下，摻料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。
　　2．1．4　水泥用量
　　增加水泥用量，一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備，使其抗碳化性能增強，碳化速度隨水泥用量的增大而減少。
　　2．1．5　水灰比
　　在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學物質較多的浸入混凝土體內，加快混凝土碳化。
　　2．1．6　施工質量
　　施工質量差表現為振搗不密實，造成混凝土強度低，蜂窩、麻面、空洞多，為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化。
　　2．1．7　養(yǎng)護質量
　　混凝土成型后，必須在適宜的環(huán)境中進行養(yǎng)護。養(yǎng)護好的混凝土，具有膠凝好、強度高、內實外光和抗侵蝕能力強，能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內，延緩碳化速度。
　　2．2　影響混凝土碳化的外界因素
　　2．2．1　酸性介質
　　酸性氣體（如CO2）滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應，導致水泥石逐漸變質，混凝土的堿度降低，這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗研究已證明，混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系數隨二氧化碳濃度的增加而加快。
　　混凝土中鋼筋銹蝕的另一個重要和普通的原因是氯離子（CL-）作用。氯離子在混凝土液相中形成鹽酸，與氫氧化鈣作用生成氯化鈣，氯化鈣具有高吸濕性，在其濃度及濕度較高時，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生潰燦性銹蝕。
　　2．2．2　溫度和光照
　　混凝土溫度驟降，其表面收縮產生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面便開裂，導致形成裂縫或逐漸脫落，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件，加速混凝土碳化。
　　陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，二氧化碳在空氣中的擴散系數較大，為其與氫氧化鈣反應提供了有利條件，陽光的直接照射，加速了其化學反應和碳化速度。
　　2．2．3　含水量和相對濕度
　　周圍介質的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數的大小。過高的濕度（如100%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴散到水泥石中，過低的濕度（如25%），則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進行；當周圍介質的相對濕度為50~70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及周圍介質的相對濕度。實際工程中混凝土結構下部的碳化程度較上部輕，主要是濕度影響的結果。
　　2．2．4　凍融和滲漏
　　在混凝土浸水飽和或水位變化部位，由于溫度交替變化，使混凝土內部孔隙水交替地凍結膨脹和融解松弛，造成混凝土大面積疏松剝落或產生裂縫，導致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失，在混凝土表面結成碳酸鈣結晶，引起混凝土水化產物的分解，其結果是嚴重降低混凝土強度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

　　3．混凝土碳化的簡易測試
　　采用化學測試法。即先鑿掉混凝土保護層，然后滴入或涂抹酚酞劑，看混凝土是否變色（碳化），若發(fā)現有碳化情況，則可迅速地測試出其碳化深度。
　　3．1　酚酞劑的配制
　　根據實踐試驗結果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈淺色；用96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈深色。二者均可用來測試混凝土的碳化情況。
　　3．2　混凝土碳化判定及其深度檢測
　　首先將所需檢測的混凝土表面打鑿到需要的測試深度，然后把表面清理干凈，涂抹或滴入已配制好的酚酞劑。當酚酞劑涂抹或滴入混凝土內1~2分種后，便有反應。若混凝土變紅色，則混凝土未碳化；若混凝土不變色，則混凝土已碳化。因為酚酞劑內含有大量酒精，容易揮發(fā)，所以在測試和觀察時速度要快，要盡快量出混凝土內碳化與非碳化的界面尺寸，以便得到準確的碳化深度。
　　3．3　混凝土碳化檢測值的取得
　　由于水工建筑中混凝土結構物的部位不同，其碳化程度也不盡相同，所以在進行混凝土碳化測試時，一定要多測幾次，以其平均值為混凝土碳化檢測值。
　　3．4　測試混凝土碳化鑿開面的處理
　　在混凝土碳化測試工作完成后，對檢測混凝土碳化的鑿開面應用環(huán)氧樹脂砂漿或環(huán)氧混凝土作填補封閉處理。

　　4．混凝土碳化的防止措施
　　混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，關鍵是應采取防止措施。
　　4．1　設計方面
　　根據水工建筑物中不同的結構形式和不同的環(huán)境因素，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，應盡量避免一律采用2－3cm。
　　4．2　施工方面
　　混凝土質量好壞，施工是關鍵。一是要認真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質地硬實和級配良好的砂和石料；施工中除砂要篩、石要洗外，還要特別注意剔除集料中的有害物質。二是在混凝土中可摻入優(yōu)質適宜的外加劑，如減水劑、阻水劑等，以改善混凝土的某些性能，提高其強度和密實性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴格控制混凝土的水灰比，要求是小水灰比，低塌落度，要把水的用量控制在滿足配料和施工需要的最低范圍內，盡量減少混凝土的自由水。四是振搗和養(yǎng)護，振搗一定要充分并嚴格按照規(guī)定標準進行，必要時可作表面處理；養(yǎng)護一定要及時，一旦混凝土達到初凝時，就應立即進行養(yǎng)護，并堅持按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護，控制好環(huán)境的溫度和濕度，以使混凝土在適宜的環(huán)境中進行養(yǎng)護。五是鋼筋混凝土保護層厚度，施工時要將鋼筋用事先預制好的高標號砂漿墊塊墊好，使鋼筋的混凝土保護層厚度滿足設計要求。六是施工縫要做到少留或不留，必須要留的，應作好接縫處的工藝處理。
　　4．3　使用方面
　　對于水工建筑物在使用上不要隨意改變原設計的使用條件。因為水工建筑物使用條件的改變，直接關系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構件的容易碰撞部位，更應當設置包角和隔層保護。
　　4．4　管理方面
　　對于水工建筑中混凝土構件的管理，主要是定期檢查、加強維護。對于容易產生碳化的混凝土構件，則應派專人定期觀察及測試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細記錄。若發(fā)現混凝土表面有開裂、剝落現象時，則應及時利用防護涂料對混凝土表面進行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對不允許其裂縫繼續(xù)擴大，必要時可作混凝土補強處理。
    5.1混凝土凍融破壞影響因素及防治
    5.1.1混凝土凍融破壞影響因素
　　混凝土凍融破壞的影響因素是多方面的。一是組成混凝土的主要材料性質的影響，如；水泥的品種、水泥中不同礦物成份對混凝土的耐久性影響較大，又如骨料的影響，除了骨料本身的質量對混凝土的抗凍性的影響以外，骨料的滲透性和吸濕性對混凝土的抗凍性也有決定性的作用，由于濕度和強度的變化，會產生含針狀物巖石體積的變化，這將會損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面，同時骨料的化學性能對混凝土的耐久性也將產生一定的影響；二是外加劑的影響，在混凝土施工過程中摻入引氣劑或減水劑對改善混凝土的內部結構，改善混凝土的內部孔隙結構可起到緩沖凍脹的作用，大大降低凍脹應力，提高混凝土的抗凍性；三是施工工藝影響，配合比、混凝土的施工、硬化條件等都與混凝土的耐久性有密切的關系，同時混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個重要因素。此外混凝土的表面、邊角和工作縫部位處于最不利的工作條件，所以混凝土模板種類、性質和表面加工情況以及工作縫的處理對混凝土的耐久性也有很大的影響；四是防止受水位變化影響，寒冷季節(jié)水位變化會引起混凝土的嚴重凍融破壞需采取有力措施防止；五是嚴格控制施工質量，混凝土施工質量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質量關，不允許出現蜂窩、麻面，力求密實，表面光滑。
    5.1.2混凝土凍融破壞的防治
　　對于混凝土凍融破壞的防治，結合我們的施工實踐，總結出了如下幾點：
（１）預防措施。一是在混凝土施工中應根據不同情況選擇含有不同礦物成份和不同性能的水泥、骨料和外加劑，從材料方面確保混凝土的耐久性；二是嚴格混凝土制作配合比，一定要根據結構類型和所處的環(huán)境條件，試驗確定關鍵參數，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分僅為其重量的２５％左右，若水量增加，多余的水就游離析出，產出孔隙，飽和后易受凍脹破壞；另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性最有效的途徑之一；三是人為地優(yōu)化建筑物混凝土構件周圍的環(huán)境條件，以減少或改善致使混凝土凍融的各種不利因素。
（２）治理措施。①水泥砂漿修補，適用于輕微的表層破壞；②預縮砂漿修補，所謂預縮砂漿是指經拌和好之后再歸堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂漿，此種方法適高速水流區(qū)混凝土表面的損壞；③噴漿修補，多用于混凝土凍融破壞化較嚴重的部位；噴混凝土修補，是指經施高壓將混凝土拌料以高速運動注入被修補的部位，其密度及抗?jié)B性較一般混凝土好，且具有快速，高效的特點；④環(huán)氧材料修補，一般有環(huán)氧基液、環(huán)氧砂漿和環(huán)氧混凝土等，這種材料具有較高的強度和抗蝕、抗?jié)B能力，并與混凝土結合力較強，但價格較貴，施工工藝復雜，材料配比嚴格，此法可與其它修補方法配合使用，效果更佳；總之我們應當根據水工建筑物所處的環(huán)境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補方法，才能獲得較好的效果。