混凝土耐久性的研究

来源:用户上传      作者: 雷琴

　　【摘要】混凝土结构的耐久性所涉及的研究内容可分为环境、材料、构件和结构四个层次，目前相对而言材料和构件部分的研究较为深入，本文就材料和构件对混凝土耐久性的影响作了着重阐述。
　　【关键词】耐久性；材料；构件；结构
　　一、混凝土耐久性在材料层次上的影响因素及其对策
　　1．混凝土碳化。混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种形式，它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀。同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。所以说，混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构物可靠度的重要指标。混凝土碳化的主要化学反应式如下：
　　
　　式中：α为碳化速度系数；D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；t1、t2为测定D1和预测D2时的碳化时间。碳化速度系数α体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、气孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳的浓度有关。混凝土的碳化一般是不可避免的，但是采取适当措施可以延缓碳化速度，如：（1）降低W/C，提高混凝土的密实度；（2）选择水化时产生Ca(OH)2数量多的水泥；（3）掺加引气剂和减水剂，引气剂能形成许多独立的微小气泡，隔断连通的毛细管，减水剂能降低W/C，减少毛细孔数量，细化毛细孔径。
　　2．侵蚀性化学物质的腐蚀。一些化学溶液在浓度高于一定值时对混凝土的性能有显著的不良影响，常见的侵蚀性化学物质有硫酸盐和氯离子。土壤、地下水或工业冷却水中以及海水中的硫酸盐对混凝土会造成硫酸盐侵蚀。海洋中的氯离子以海水、海雾等形式渗入混凝土中，影响混凝土结构的使用性能和寿命。冬季向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水，以化雪和防冰。这些自然或人为的因素，使氯离子进入混凝土结构内部，从而引起氯离子侵蚀。硫酸盐侵蚀的机理是：环境水中的SO42-与硬化水泥浆中的氢氧化钙Ca(OH)2和水化铝酸钙3CaO・Al2O3・6H2O发生化学反应，生成过量的硫酸钙(石膏CaSO4・2H2O)和钙矾石3CaO・Al2O3・3CaSO4・31H2O，由于石膏和钙矾石结晶膨胀，其体积较同体积的反应物增大一倍以上，它在水泥石内产生很大的膨胀应力，从而导致水泥石结构膨胀开裂，严重时可使水泥石无任何强度，呈豆腐渣状，破坏极为严重，而且SO42-浓度越大对混凝土的侵蚀越严重。
　　防止混凝土发生硫酸盐侵蚀主要有以下措施：（1）降低水泥熟料中的C3A与C3S含量，以减少硬化水泥浆中的氢氧化钙Ca(OH)2和水化铝酸钙3CaO・Al2O3・6H2O含量；（2）在混凝土中掺入适量的火山灰质矿物掺合料――粉煤灰、矿渣微粉、硅粉等取代部分水泥，可有效地改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；（3）控制水灰比，提高混凝土密实性和抗渗性；（4）掺入优质外加剂。氯离子侵入混凝土，能加速钢筋的锈蚀，其机理为：（1）破坏钝化膜；（2）形成腐蚀电池；（3）去极化作用；（4）导电作用。大量的研究表明，提高混凝土的密实度，加大保护层的厚度，能有效阻止外部氯离子渗达钢筋表面，避免钢筋锈蚀。
　　3．冻融破坏。混凝土的冻融破坏是指混凝土在负温和正温的交替循环作用下，使混凝土从表层开始发生剥落、结构疏松、强度降低，直到破坏的一种现象。混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。应该指出的是，在正常情况下，毛细孔中的水结冰并不至于使混凝土内部结构遭到严重破坏。但是当处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因素有关，其中最主要的因素是它的孔结构。而混凝土的孔结构及强度又取决于混凝土的水灰比、有无外加剂和养护方法等。混凝土结构常用的几种抗冻措施有：掺用引气剂、减水剂或引气减水剂；严格控制水灰比，提高混凝土密实度；加强早期养护或渗入防冻剂，防止混凝土早期受冻等。
　　4．集料的化学反应。混凝土中集料的化学反应会影响混凝土结构的性能，一些反应对性能是有益的，但有些反应通过产生异常的内部膨胀会引起严重的破坏，如开裂、位移和强度损失等。常见的化学反应有方镁石和石灰的水化反应、集料中硫酸钙与水泥中含铝相的反应、碱－集料反应和黄铁矿等铁的硫化物的氧化反应。对于方镁石或石灰的集料分布较少，为减少危害，可采取更换集料的措施。集料中的硫酸钙对混凝土性能的影响表现为内部硫酸盐侵蚀。硫酸钙含量较低时，可采取换用C3A含量低的抗硫酸盐硅酸盐水泥，或者掺加火山灰和矿渣等材料；如硫酸钙含量较高，则应避免使用此类集料。集料中黄铁矿、磁黄铁矿的氧化可使混凝土结构受到破坏。防止此类破坏的关键是控制H2O和O2进入混凝土，通常这种要求难以做到。通过掺加火山灰和矿渣等材料可减缓O2进入混凝土的速率，进而延缓黄铁矿等的氧化速率。相比之下，碱――集料反应则更为常见。碱――集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的可溶性碱，和混凝土空隙中及集料中能与碱反应的活性成分在硬化混凝土中逐渐发生的一种化学反应。碱――集料反应发生于混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱之间，其反应产物为硅胶体。这种硅胶体遇水膨胀，产生很大的膨胀压力，从而引起混凝土开裂。这种膨胀压力取决于集料中活性氧化硅的最不利含量。
　　混凝土发生碱――集料反应破坏：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物；而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱――集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱――集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，如空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，又会使裂缝扩大；若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这样就造成了混凝土工程的综合性破坏。预防碱――骨料膨胀反应的措施通常是消除其发生反应的必要条件：（1）选择非活性骨料；（2）控制水泥含碱量（包括外加剂和掺合料引入的碱）不超过0 6%；（3）防止外界水分渗入混凝土。三个条件缺少一个即不会发生碱――骨料膨胀反应。
　　5．钢筋锈蚀。由于混凝土的碳化、硫酸盐、氯离子的侵蚀等作用，使钢筋与混凝土间的钝化膜受到破坏，引起钢筋锈蚀。锈蚀后钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面减小，钢筋脆化，最后导致混凝土结构破坏。为防止混凝土中钢筋锈蚀，首先就是要最大限度的保证混凝土自身密实完好、保持高碱度和防止有害离子入侵。其基本措施包括选择良质水泥、增加水泥用量、降低水灰比、使用优良外加剂、掺合料、增加混凝土保护层厚度等。另外，在较严酷的腐蚀环境条件下（如海洋环境或使用防冰盐、盐碱地、某些工业环境等），还可采用一些附加措施，如：采用混凝土外涂层、钢筋阻锈剂、特种钢筋或者阴极保护等方法。

　　二、混凝土耐久性在构件层次上的研究
　　混凝土耐久性在构件层次上的研究是混凝土结构耐久性研究的前提和基础，其主要包括三个方面：混凝土锈胀开裂的研究、锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究和构件承载力变化的研究。钢筋锈蚀将引起混凝土保护层开裂，其过程比较复杂，目前对混凝土锈胀开裂的研究主要集中在混凝土锈蚀开裂的临界锈蚀率的计算。钢筋与混凝土这两种材料共同作用的基础，在于它们之间具有足够的粘结强度，使得钢筋与混凝土两者之间可以传递应力并协调变形。因此锈蚀后的粘结退化是关系到钢筋与混凝土两者之间能否保持原有共同作用的重要问题。目前的研究主要集中在：锈蚀程度对粘结性能的影响、锈蚀钢筋与混凝土粘结力的计算等。钢筋锈蚀后混凝土构件承载力的变化研究，是将科研成果应用于实际工程最为关键和重要的一步。目前国内外研究者对锈蚀后的钢筋混凝土构件的承载力学性能进行了大量的试验研究。试验表明，受腐蚀钢筋混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土粘结性能的变化三种因素有关。混凝土耐久性在结构层次上的研究进展。混凝土结构耐久性研究的目的就是要解决拟建混凝土结构的耐久性设计和现役混凝土结构的耐久性评估，故而在结构层次上对耐久性的研究主要是在这两个方面展开的。
　　1．拟建混凝土结构耐久性设计研究。对拟建混凝土结构进行耐久性设计，提高结构的安全性和耐久性已成为全世界关注的重大课题。目前，主要理论有：（1）在进行混凝土结构耐久性设计之前，首先要进行结构的工作环境分类，然后确定结构的设计使用寿命，最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。针对这部分的研究比较多。但基于这种理论的计算方法与现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致。（2）混凝土结构耐久性设计应包括两部分：计算和验算部分以及构造要求部分。
　　2．现役混凝土结构耐久性评估研究。混凝土结构耐久性评估的目的，是评价混凝土结构现在的工作性态是否能满足设计的要求，以及对其今后的耐久性变化进行预测，即包括对现役混凝土结构的耐久性评定和耐久寿命预测两个方面。对于混凝土结构耐久性的评定，目前的研究主要有：（1）综合考虑耐久性的各种影响因素，对耐久性损伤指标进行加权处理的耐久性评定；（2）借助于模糊数学的手段提出的模糊综合评定法；（3）基于可靠度的耐久性评定法等。对于寿命预测的研究，目前主要的理论有：（1）碳化寿命理论，这种理论假设碳化深度和钢筋混凝土保护层的变动规律服从正态分布，建立了钢筋锈蚀率与龄期的关系，得到构件寿命预测模型；（2）开裂寿命理论，这种理论以钢筋锈蚀引起钢筋表面混凝土出现裂缝作为失效准则，预测结构构件的寿命；（3）应用统计可靠度理论，这种理论将抗力作为时变随机变量，将荷载视为随机变量或随机过程，分析抗力衰减的结构可靠度，通过可靠度指标变化函数预测结构构件的寿命。
　　
　　参考文献
　　[1]刘庆宽，王楠，王海龙．《钢筋混凝土结构耐久性及裂缝问题研究的现状》．石家庄铁道学院学报．2002（9）
　　[2]王军强，沈德建．《水工混凝土结构钢筋锈蚀机理及防锈蚀设计》．建筑技术开发．2003（1）

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