水利工程中混凝土结构的耐久性与防护技术

摘 要：水利工程中混凝土结构因长期承受水荷载、冻融循环、侵蚀介质耦合作用，耐久性劣化问题显著，直接影响工程长期安全与服役寿命。针对这一挑战，本文从自然环境、材料结构、施工运维及荷载动力等维度剖析耐久性关键影响因素，在此基础上，探讨了涵盖高性能混凝土制备、涂层防护与阴极保护结合、耐久性导向设计及智能监测修复的技术，以期为水利工程混凝土结构在复杂环境下的耐久性控制提供参考。

关键词：水利工程；混凝土；结构；耐久性；防护

1 前言

水利工程作为保障国家水资源安全、支撑经济社会发展的重要基础设施，在防洪、灌溉、发电、供水等领域发挥着不可替代的作用。混凝土结构因其良好的力学性能和施工适应性，成为水利工程中应用最为广泛的结构形式，涵盖大坝、水闸、渡槽、输水管道等关键构筑物。然而，水利工程混凝土结构长期处于复杂服役环境，不仅承受水压力、荷载波动等力学作用，还面临冻融循环、水质侵蚀、干湿交替、温度梯度等多重环境因素的耦合影响，导致混凝土材料劣化、钢筋锈蚀、裂缝扩展等耐久性问题频发，严重威胁结构长期安全与服役寿命。因此，进行水利工程中混凝土结构的耐久性与防护技术研究具有十分重要的现实意义。

2 水利工程混凝土结构耐久性的影响因素

2.1 自然环境

水利工程混凝土结构受自然环境影响显著，冻融循环中水位变动区混凝土饱水状态使孔隙水结冰膨胀产生内部应力，反复作用致结构剥蚀开裂，除冰盐或卤水环境下盐类增加内渗透压，加剧冻融与化学侵蚀耦合破坏；水质侵蚀时，硫酸盐与水泥水化产物反应生成钙矾石或石膏致体积膨胀，氯离子破坏钢筋钝化膜引发锈蚀，软水侵蚀与碳酸化协同降低混凝土碱度削弱结构；温度湿度梯度下，大体积混凝土温控不足引发温度裂缝，干湿交替加速孔隙结构劣化，降低密实性与耐久性[1]。

2.2 材料与结构

水利工程混凝土自身性能缺陷中，水胶比直接决定孔隙大小及数量，水胶比高则孔隙率大、抗渗性低，骨料级配不良会在骨料与水泥浆界面形成裂隙及孔穴，进一步降低抗渗能力，长期潮湿环境使碱骨料反应更易发生，活性骨料与碱反应生成膨胀物质致结构开裂，矿物掺合料虽可改善密实度与耐蚀性，但部分活性成分可能加剧特定侵蚀；钢筋腐蚀风险方面，氯离子在混凝土中通过扩散、对流、毛细吸附等路径迁移，工程环境不同主导路径有别，阴极保护失效时钢筋表面钝化膜破坏形成局部腐蚀坑，保护层厚度不足会加速氯离子侵入，基于Fick定律的寿命预测模型显示其直接影响锈胀开裂时间计算。

2.3 施工与运维

水利工程混凝土施工质量缺陷中，振捣不密实会形成蜂窝麻面及连通孔隙，成为侵蚀介质渗入内部的通道，降低结构密实性与抗渗能力，养护不足致使混凝土早期强度发展受限，收缩应力集中引发裂缝，为水分及有害离子侵入创造条件；运维管理缺失时，裂缝监测滞后导致侵蚀介质沿裂缝持续深入，加剧内部材料劣化，防腐涂层老化后未及时修复，其防护功能丧失，钢筋直接暴露于侵蚀环境，锈蚀风险显著增加，进而引发混凝土胀裂等连锁破坏，严重影响结构耐久性[2]。

2.4荷载与动力

水利工程混凝土结构受荷载与动力因素影响时，动荷载作用下水流脉动压力持续作用于混凝土，使内部微裂缝逐渐扩展贯通，降低结构完整性，振动荷载与腐蚀介质协同作用，加速孔隙结构劣化及有害离子渗透，加剧材料力学性能衰退；结构变形协调不足时，基础不均匀沉降引发的应力集中会导致混凝土产生贯穿性裂缝，此类裂缝为侵蚀介质提供直接通道，水分、盐类等有害物质沿裂缝深入内部，引发钢筋锈蚀及混凝土化学侵蚀，进一步扩大裂缝并削弱结构承载能力，显著影响耐久性。

3 水利工程混凝土结构防护技术

3.1 材料性能优化技术

水利工程高性能混凝土制备中，低水胶比配合比设计通过控制水胶比≤0.45减少孔隙数量与尺寸，提升密实度及抗渗性能，复合掺合料体系将粉煤灰与矿渣微粉结合，发挥颗粒填充与活性效应，改善水泥石结构并增强耐蚀性，引气剂的应用使混凝土含气量保持在3%-5%，微气泡阻断毛细孔通道，有效提升冻融循环下的抗剥落能力。

抗侵蚀功能材料开发聚焦耐硫酸盐水泥，其铝酸三钙含量≤5%的成分设计可抑制硫酸盐与水化产物反应生成膨胀性物质，降低侵蚀破坏风险，氯离子吸附剂如纳米SiO₂通过物理吸附与化学作用阻滞氯离子迁移，在混凝土内部形成多重屏障，延缓氯离子到达钢筋表面的时间，为钢筋提供长期防腐保护，提升结构耐久性[3]。

3.2 结构防护与表面处理技术

水利工程涂层防护体系中，环氧基重防腐涂料采用厚度≥200μm的多层涂装工艺，形成致密保护膜阻隔侵蚀介质，聚脲弹性涂层在水下区兼具抗渗性与柔韧性，适应结构变形并阻止水分渗透，硅烷浸渍剂通过封闭混凝土表面孔隙，使吸水率≤0.01mm/min，提升表层抗渗能力与耐久性。

阴极保护技术中，牺牲阳极法在闸门钢筋保护中根据镁合金阳极电化学特性计算布置间距，通过阳极自身腐蚀保护钢筋免受锈蚀，外加电流法针对大型结构设置辅助阳极，其材料需满足长期服役的耐久性要求，通过外部电流施加使钢筋处于阴极状态，有效抑制电化学腐蚀过程，延长结构使用寿命[4]。

3.3 结构设计与施工工艺改进

水利工程耐久性导向结构设计中，增大混凝土保护层厚度至水位变动区≥70mm，可有效延缓侵蚀介质到达钢筋表面的时间，排水防渗构造通过盲沟疏导渗水、止水带阻断水分迁移路径，形成多重屏障阻隔侵蚀介质侵入，后浇带设置结合力学模型优化，合理划分施工区段以减少温度收缩应力，降低裂缝产生概率。

施工质量控制关键技术中，智能温控系统对大体积混凝土实施温差≤25℃的实时监控，通过调节冷却循环水控制内外温差，避免温度裂缝，真空作业法抽取表层混凝土多余水分，使孔隙率降低15%-20%，显著提升密实度与抗渗性，冬季施工采用早强剂加速强度发展并配合保温覆盖维持养护温度，防止冻融损伤，保障混凝土早期性能稳定。

3.4运维监测与修复技术

水利工程耐久性监测体系构建中，光纤传感器以±0.01mm的精度实时捕捉裂缝位移变化，动态追踪裂缝发展趋势，电化学检测技术通过半电池电位法定位钢筋腐蚀区域，为精准评估锈蚀程度提供依据，大数据平台整合多源监测数据，利用BP神经网络模型预测结构耐久性演化规律，实现全周期性能评估。

劣化结构修复技术中，灌浆修复依据环氧树脂灌浆料粘度与渗透能力匹配特性，填充混凝土内部裂缝及孔隙，恢复结构整体性，喷射混凝土加固采用纤维增强材料提升新旧材料界面粘结强度，增强修复层抗裂性能，局部置换技术对新旧混凝土界面进行粗糙度处理，确保结合面粘结力满足设计要求，有效恢复结构承载能力与耐久性[5]。

4 结语

综上所述，水利工程混凝土结构耐久性受自然环境、材料性能、施工质量及运维管理等多因素耦合影响，冻融循环、水质侵蚀、钢筋锈蚀及裂缝扩展是主要劣化形式。为了提高其耐久性，这就需要采取低水胶比配合比设计、复合掺合料改性、涂层防护与阴极保护技术结合、施工过程温控与密实度优化，以及全周期监测修复等措施，进而提升结构抗侵蚀能力与服役寿命。未来研究需聚焦复杂侵蚀环境（如酸碱复合污染、动荷载耦合）下的劣化机理，推进纳米材料、微生物矿化等新型防护技术的工程应用，结合数字孪生与智能监测技术构建全寿命周期预测与决策体系，进一步提升水利工程混凝土结构的安全性与可靠性。

参考文献：

[1]达举龙. 水利工程如何提高混凝土的耐久性[J]. 产品可靠性报告， 2025， （03）： 111-112.

[2]高瑞. 基于高性能混凝土水利堤坝结构的耐久性分析[J]. 水泥， 2025， （02）： 99-101.

[3]代玉华. 水利工程人工骨料坚固性对混凝土耐久性能影响分析[J]. 黑龙江水利科技， 2022， 50 （04）： 16-19+195.

[4]唐付磊. 基于水利工程高性能混凝土的耐久性试验研究[J]. 黑龙江水利科技， 2022， 50 （01）： 20-22.

[5]张祖银. 水利工程泄水建筑物抗冲耐磨混凝土耐久性分析[J]. 建材与装饰， 2019， （10）： 294-295.