公路结构物混凝土耐久性研究.doc

公路结构物水泥混凝土耐久性研究动态陈拴发，胡长顺（长安大学公路学院 西安市 710064） 摘 要：水泥混据土是一种耐久性材料，对其性能的研究不仅涉及到材料科学和结构工程科学的课题，也涉且到公路建设的可持续发展问题。近年来，由于公路结构物混凝土早期破坏的事例越来越多，昂贵的重建和维修费用曰使公路管理部门不堪重负，井直接影响到新建项目的实施，也促使人们对混凝土的耐久性提出了更高的要求。本文从目前公路混凝土结构物的使用现状，分析了混凝土结构的破坏机理，并提出了相应的发展对策。 关键词：公路结构物；水泥混凝土；耐久性；高性能混凝土 在交通运输事业快速发展的今天，长期以来一直被认为是耐久性材料的混凝土已成为公路建设应用最为广泛的基础材料。它在工程性能、节能、经济和生态等方面的卓越性能也成为整个土木界不可取代的和应用量最大的建筑材料。从1824年发明波特兰水泥之后，1850年出现了钢筋水泥混凝土，1940年又采用了预应力钢筋水泥混凝土，这些突破性技术的发展，使得公路结构物尤其是大跨度桥梁在世界各地得到了蓬勃发展。但随着水泥混凝土的广泛使用，越来越多的事例已经表明，混凝土工程结构并非都是很耐久的，混凝土也并非是一种长寿命的工程材料，尤其从目前的使用情况来看，其使用寿命远低于设计寿命。沉重的重建和维修费用已使人们认识到混凝土出现了“耐久性危机”，从而促使人们重视混凝土的耐久性。1 混疆土的耐久性 水泥混凝土的耐久性是混凝土在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力，或混凝土抵抗气候作用、化学侵蚀、磨损或任何其他破坏过程的能力。这种能力主要取决于以下3个方面：（1）混凝土抵抗腐蚀性介质侵入的能力；（2）硬化水泥浆体的孔隙率及施工时引入的空气量；（3）水泥混凝土的体积稳定性。 从目前的研究来看，引起混凝土耐久性不良的主要因素或类型有：(1)冻融作用；(2)硫酸盐介质的化学腐蚀；(3)钢筋锈蚀；(4)碱一集料反应；(5)磨损。1.1 冻融作用 混凝土孔隙中的水在负温情况下受到冻结，伴随着这种相变，毛细孔壁受到膨胀压力，而剩余的水分流到附近的孔隙和毛细孔中，在水运动的过程中，产生液体压力，井在缺陷处产生应力集中。如果液体压力或冰的膨胀应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土将产生不可愈合的裂缝，并成为混凝土内部新的缺陷。反复的冻融作用，最终将在膨胀应力和液体压力的双重作用下使混凝土产生累积损伤而发生疲劳破损，并使混凝土表层出现剥落、崩裂等现象。大量的研究表明，当路(桥)面有除冰盐存在时，加之冻融复合作用，将大大加速路面、桥梁等结构物的破坏。1986年北美、欧洲，日本等16个国家组成技术专家组，对所属国家的约80万座道路桥梁(以1985年计，服务时间为1829年)进行子细致而全面的现场调查，经分析和测试后认为；在寒冷地区，特别是除冰盐或含盐环境产生的冻融作用及导致的钢筋锈蚀是公路结构物破坏或失效的最主要原因，对这类破坏的防治与修补也是混凝土结构中最棘手的问题从目前我国已经出现较多的固除冰盐与冻融破坏复合作用的路面与桥面的破坏情况来看，除冰盐对路面及桥面的破坏在我国已成为严寒地区公路混凝土结构耐久性的一个新的和潜在的严重问题。例如黑龙江某高速公路建成通车的第一个冬季使用除冰盐，就导致路面严重剥蚀，而北京、天津许多立交桥的破坏，经分析破坏主因就是除冰盐诱发所致。 关于混凝土冻融破坏的机理目前的研究还在不断深入，但以美国学者丁cPowers的水压力理论和渗透压理论最为精湛。该理论可以证明以下几点： (1)冻结是从温度低的表层开始，表层混凝土中毛细管水先冻结； (2)伴随着水分冻结而发生膨胀，挤压未冻结的水分，向未受凉的混凝土内部移动； (3)向内部流动的水，在通过微孔的过程中发生粘性阻力，形成水的压力梯度，这种水的移动压力超过混凝土的抗拉强度，就产生混凝土的劣化。 混凝土中适量引气，改善孔结构，可以缓和水流压力，从而有效的防止混凝土的冻害。1.2 磨损 公路工程混凝土常常处于比较严酷的工作环境条件中，但出现磨损破坏主要有2种情况；路面混凝土受到车轮轮胎、行人等反复摩擦作用而造成路表磨损，桥墩、排水设施等结构物表面受夹带泥砂、砾石的水流的冲刷、摩擦作用致使混艇土表面磨损以及桥墩局部在高速水流压力作用下的“空蚀”，从而导致混凝土出现漏筋、结构强度下降等病害。 对公路结构物来讲，混凝土的磨损主要取决于机械磨耗与空蚀。研究表明，路面混凝土的抗机械磨耗性能取决于它的强度和硬度，特别是面层混凝土的强度和硬度。路面受反复摩擦时，首先被磨损的是最表面的硬化水泥浆体薄层或者说是水泥砂浆面层，接着粗集料就成了抵抗磨损的主要部分。因为在道路混凝土施工中，由于混凝土的泌水和离析，水泥浆和细颗粒浮在表面，形成一软弱薄层，强度很低，对抗磨损特别不利。因此，粗集料的强度和硬度成为影响耐磨性的重要因素。 “空蚀”是高速水流在方向和速度发生急剧变化时，造成紧靠速度变化处的下游表面产生很大的负压区，形成水气空腔，在混凝土表面产生一个局部的高能量冲击。当冲击力超过混凝土材料的内聚力或者冲击作用超过混凝土的疲劳极限时，混凝土内部产生裂缝并发展，最终导致混凝土表面剥落。同时，高速水流中夹带的砂石对混凝土表面尤其是桥梁的墩柱等部位产生的摩擦、切削和冲击作用也会造成较大的破坏。1.3 硫酸盐化学侵蚀 混凝土是一种多孔材料，长期暴露在大气、土壤、水和海水等环境介质中，在这些环境介质中，经常存在大量的硫酸盐等化学物质，当SO2-4浓度高于一定值时，对混凝土的性能将有显著的不良影响。研究表明，硫酸盐对混凝土化学侵蚀破坏一般是SO2-4与水泥水化生成的Ca(OH)2反应生成分散度更大的石膏硫酸钙，此时硫酸钙与水泥熟料矿物C3A水化生成的水化铝酸钙C4AH19和单硫型的水化硫铝酸钙3CaOAL2O3CaSO418H20都能反应生成溶解度极低、晶体长大后造成的结晶压力致使混凝土受膨胀而开裂的高硫型水化硫铝酸钙 (3CaOAL2O33CaS0432H20)。因此，硫酸盐介质对混凝土化学侵蚀的根源就是硫酸盐溶液与水泥的水化产物反应生成膨胀性物质导致混凝土膨胀破坏。 作为公路结构混凝土，硫酸盐侵蚀是一种比较常见的混凝土化学腐蚀方式。我国的西北、西南地区地下水中常常含有较高的硫酸盐(Na2SO4、MgS04等)，而公路结构物及其他混凝土建筑物常常是一面处于含硫酸盐的水的压力下，另一面暴露于大气中失水，同时还要受到荷载应力的反复作用，因此它受硫酸盐侵蚀的速率较混凝土各面都浸于含硫酸盐水中的侵蚀速率更大。这也是桥墩、挡土墙、涵洞等结构物比基础混凝土更易受侵蚀的原因。1.4 钢筋锈蚀 目前，钢筋锈蚀已成为混凝土结构物过早破坏的主要原因，特别是在CL较多的环境介质中如跨海大桥，或在严寒地区撤除冰盐的路面及桥面混凝土结构中。在我国出现的桥梁病害中，大约有一半以上是由于钢筋锈蚀引起的。 混凝土中的钢筋锈蚀是一电化学过程。众所周知，在金属表面进行任何一种电化学腐蚀过程，都必须具备4个条件：(1)金屑表面各处之间有电位差； (2)组成原电池的电解质溶液的电阻较小；(3)在阳极区金属表面处于活化状态，能发生电离的阳极反应(如FeFe2+十2e)；(4)在阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂(通常是水和氧)能够进行还原阴极反应(4eO22H2O40H)。钢筋锈蚀的全反应就是阳极反应与阴极反应的不断进行，并在钢筋表面析出Fe(OH)2： 2FeO22H202Fe（OH)2生成的Fe(OH)2在水和氧的存在下继续氧化，生成： 4Fe(OH)202+2H2O4Fe(OH)3 若生成的Fe(OH)3失水，就变成了铁锈，紧密地包寝在钢筋的表面。由于铁锈层呈多孔状，抗渗性差，即使锈层较厚，其阻挡钢筋进一步锈蚀的效果也不大。相反，生成的铁锈体积为原先体积的数倍，足以产生约50 MPa的膨胀应力，这个应力超过混凝土的抗拉强度混凝土开裂，而开裂又进一步加速钢筋锈蚀反应。 碱性介质是混凝土稳定存在的必要条件，也有保护钢筋不受锈蚀的作用。通常在水泥混凝土中，由于孔溶液的pH值在12.5以上，在这种介质条件下，钢筋表面形成一层致密的钝化膜，使其处于钝状态，井牢固地吸附在钢筋去面上，使其难以再继续进行电化学反应。在一般环境条件下，钢筋的腐蚀通常由2种作用引起：(1)混凝土遭到严重碳化，即中性化作用，使得钢筋表面的pH值下降到10以下时，钝化膜完全失钝，并在足够的氧气及水分条件下导致腐蚀的发生；(2)钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值，即使混凝上的碱度很高，也能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋局部活化成阳极区。而钢筋一旦失钝，氯离子的存在使钢筋局部酸化，锈蚀速度加快，且FeCl3的水解性强，氯离子能长期反复地起作用，从而增大孔溶液的导电率和电腐蚀电流。可以看出，诱发钢筋锈蚀的3个基本要素是钢筋钝化膜的破坏、充足的氧供应及适宜的湿度。3个要素缺一不可，钝化膜的破坏是诱发条件，而其他2个则决定了腐蚀发生的速度。 大量的工程实践已经证明，如果根据混凝土的暴露环境正确设计和施工，使混凝土有足够的密实性和厚度，防止裂纹的产生和扩展，应该说混凝土中的钢筋锈蚀是可以防止的，从而使钢筋混凝土结构达到耐久。1.5 碱一集料反应 碱集料反应开始是在20世纪30年代美国西部的公路、桥梁等结构物发生异常膨胀，产生裂缝引起的，1940年TEStanton首次提出产生裂缝的原因是：混凝土中某些集料中的无定形二氧化硅与含碱量高的水泥中的碱反应产生膨胀破坏是造成某些结构物破坏的一个原因，并把这种反应称为碱集料反应(AlkaliAggregate Reaction简写为AAR)。美国在20世纪80年代重点调查厂全国公路桥梁的使用状况，结果发现，全国约50万座公路桥梁中，有20万座已经损坏，在这些损坏的桥梁中，有不少是由于碱集料反应所引起的。日本、加拿大、英国、瑞士、西班牙等国都有碱 集料反应所引起的公路结构物破坏的事例。我国从20世纪90年代开始，由于大规模的基础建设，已经陆续在北京、天津、山东、陕西、内蒙古、河南等地的立交桥或机场发现因碱一集料反应所引起的破坏事例，估计随时问的推移、这种破坏事例还将增多。 目前，碱 集料反应共分为碱一硅反应(AlkaliSilica Reaction简写为ASR)和碱一碳酸盐反应(AlkaliCarbonate Reaction简写为ACR)。碱一硅反应是指混凝土中的碱与某些集料中不定形Si02或某些硅酸铁矿物反应并产生异常膨胀的过程：碱一碳酸盐反应是指混罄土中的碱与某些集料中碳酸盐矿物(如白云石)反应并产生异常膨胀的过程。碱一集料反应是固相与液相之间的反应，它必须具备3个方面的要素：碱活性集料、强碱(K、Na等)和水。只有当这3个条件都具备了才能发生碱一集料反应。需要注意的是，目前国家标准要求水泥的含碱量低于0.6%，以此来控制碱一集料反应的发生，但混凝土中的含碱量与水泥用量有关，如高强混凝土中的水泥用量较大，单方混凝土中的含碱量就较高。因此目前倾向于限制单方混凝土中的碱总量，一般认为当混凝土中的碱含量小于3.0kg/m3时不会造成危害；另外，作为水的作用不可忽视，并不是混凝土外界没有水的侵入就可确保不发生碱一集料反应，混凝土内部湿度在80%以上时就可能促成碱集料反应发生，而这种湿度在混凝土内部可以持续保持很多年。一般在外界相对湿度较低的干燥环境中，混凝土平衡含水量较小，即使混凝土中含碱量大和采用碱活性集料，碱一集料反应进行的很缓慢，不易产生破坏性膨胀开裂。但对长期与水接触的道路和桥梁等结构物，就要引起足够的重视，况且我国又是一个碱活性集料分布较为广泛的国家 从以上分析可以看出，影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎都与水有密切的关系，因此只要混凝上本身的渗透性很低，就可以有很好地抵抗水和侵蚀性介质浸入的能力，就可以改善或提高水泥混凝土的耐久性。2、公路结构物混疆土使用现状公路工程结构物所处的自然环境复杂、恶劣，它的工作环境要比其他建筑物更为严酷。例如道路混凝土，是在动荷载和重荷载交变作用下，不断地承受冲剐、磨耗、冰冻，水的渗入及侵蚀等等的作用。国内外许多事例已经表明，许多道路混凝土和桥梁结构混凝上在比较严酷的使用环境条件厂，由于耐久性不足而非力学强度不够遭破坏的实例越来越多。20世纪70年代，美国等一些国家发现，20世纪50年代以后修建的混凝土设施，尤其是混凝上桥面板这类工作环境较为严酷的结构，要比20、30年代，乃至使用更长久的混凝上先出现病害，甚至严重损坏。1978年，美国国家材料顾问委员会提交的报告报道：约25.3万座混凝土桥梁的桥面板，其中部分仅使用不到20年就已经出现不同程度的破坏，而且每年还将增加3.5万座，平均每年有约150200座桥梁部分或完全坍塌。同样是美国，1985年之前用于钢筋混凝土结构破坏的修复费用累积高达3000亿美元，1991年统计，为修复当时破坏的桥梁就花费厂910亿美元，根据1994年的统计，为维持56万座公路桥的现状每年需花费42亿美元，到2009年，以每年修复1.6万座桥梁计算，每年需维修费用6085亿美元。改革开放以来，我国加大厂基础设施的投入，公路建设步入了一个黄金阶段，公路建设中混凝土结构物耐久性问题造成的损失和危害，由于重视不够还难以估计，但情况也不容乐观。因为现在由于混凝土的耐久性不足而出现破坏的问题已经大量出现，给公路养护部门造成了很大的负担。据综合估计，我国公路工程所用混凝土的平均寿命约为3050年，可以预测，今后的1030年，将是我国桥梁和道路混凝土工程的维修高峰期。根据美国对二战前后兴建的混凝土工程使用3050年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的4050以上，这样在今后1030年内，我国公路部门将为维修改革开放以来所兴建的桥梁与道路混凝土工程所付出的费用将足极其巨大的。 正如前面所述，混凝土耐久性能的劣化往往是硫酸盐侵蚀、冻融、碱一集料反应钢筋锈蚀等几种作用综合叠加破坏的结果，也是内外因素综合作用的结果既取决于周围环境的各种作用条件，也取决于混凝土的设计、选材以及施工维护。因此，从技术上来讲，大幅度提高普涌混凝土的耐久性是完全可行的。但由于现行的混凝土结构设计规范还没有引入耐久性定计的概念，导致一些工程技术人员对结构耐久性没计意识不强。这就需要公路工程设计人员应该更新传统的混凝土设计方法，将目前混凝土 的设计从以满足强度、稳定性作为设汁指标，忽视结构寿命的现状，转向满足结构强度，以耐久性为主的设计指标上来。大量的事实表明，在公路结构混凝土上中，耐久性问题最为突出、最为普遍的是水泥混凝土路面从桥梁结构(上部)。近年来，一些地方修建的水泥混凝上路面及桥梁结构坏得越来越快，每年需要投入巨额资金进行翻修和重建，但对耐久性仍没有引起足够的重视。例如，修复水泥混凝上板时，往往只是从交通流量增长及超重载角度考虑，将混凝土抗折强度指标再提高(5.0MPa甚至更高)，希望能延长混凝土的使用寿命。但大量的工程事例已经表明，路面板的破坏在很大程度上并不是由于承载力不足引起的，主要是由于水分从接缝处下渗，将基层泡软、冲散，致使基层不再是连续支承，并在荷载作用下混凝土路面出现断板或断角；或是由于路面板日夜上下翘曲反复变形等原因。这些问题大多是不能通过提高混凝土强度得到解决的，或者说不是从结构设计角度可以改善的。固此，在公路建设中，对受力敏感、所处环境恶劣的水泥混凝土，更应强调性能设计，重视混凝土的耐久性。3、 对策 强度和耐久性是混凝土凝土的2大基本特征，也是混凝上科学2个主要的研究体系。但就目前情况来看，公路结构设计者、管理者及施工者，往往只对混凝土的强度特别感兴趣，而往往忽略了结构的耐久性，导致了钢筋混凝土结构发生过早破坏，这种现象在国内外普遍存在。种种工程事故及惊人的维修费用，使人们越来越深刻地意识到，在设计混凝土结构时，要象考虑力学性质一样，对混凝土的耐久性给予足够的考虑，甚至比强度更为重要，四为耐久性决定了结构的安全使用期。 通常情况下，混凝土所处的大环境是难于改变的，而所要做的工作就是如何改变混凝上本身的特性及其与环境接触的界面性质。客观上混凝土的耐久性归题与任何材料的耐久性问题一样是不可避免的，关键是如何改善和提高其耐久性能。20世纪90年代中期，欧洲混凝土委员会(CEB)和国际材料与结构试验室联合会(RILEM)在与运行寿命相关的混凝土耐久性片面做了大量探索和研究工作，在耐久性的定量化设计方面提出了许多有益的方法和理论。与此同时，美国和日本等国，也进行了混凝土耐久性定量化设计的研究与应用。目前，人们对混凝土的寿命可以接受的是100年、200年，甚至500 年，而不是普通混蟹土现在要求的3050年。因此，高性能混凝土(High Performance Concrete，以下简称HPC)便自然而然地被提出来了。 1990年5月在马里兰州Gaithersburg城，由美国国家标准和技术研究院(NIST)与美国混凝土学会(ACl)主办的讨论会上，HPC被定义为具有所要求性能的匀质混凝土。这些性能包括：易于浇注，不离析，能长期保持优越的力学性能，早期强度高，韧性好，体积稳定，在恶劣环境下使用寿命长，特别适用于桥梁、港工以及暴露在严酷环境中的建筑结构。1991年，美同战略性公路研究规划(SHRP)的报告提出高性能混凝土用于公路工：程应满足下列要求： (1)最大水灰比为0.35； （2）按照美国材料与试验协会ASTMC666子目A确定的耐久性指数不小于80%； (3)混凝土4h杭压强度应高于17.2 MPa，或24h抗压强度应高于34.5 MPa，或28d抗压强度应高于68.9 MPa。 这个定义3HPC的耐久性能和强度都做出了量的规定。美国联邦公路管理局(FHWA)通过对混凝土劣化的环境条件观察研究，于1995年10月用于4个耐久性参数和4个物理力学性质的参数来定义HPC。每一种参数都与性能标准、性能测试步骤及现场边界条什的推荐值有关。从以上可以看出，美国对当前的混凝土，在重视耐久性的同时，还特别强调高强，这与欧洲对高性能混凝土的看法一致，但日本却更重视耐久性和工作性，认为强度足够即可。例如在修建明石海峡大桥时，其桥墩混凝土(约50万m，要求高耐久性，高抗冲刷性，低温升，而强度只要求20 MPa)就采用于HPC。 尽管不同国家不同学者对高性能混凝土有不同的定义和解释，但共同的观点是；HPC的基本特征是按耐久性设计的。已故中国工程院资深院士吴中伟教授综合各种观点，为HPC下厂这样一个定义；HPC是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，以耐久性作为设计的主要指标，采用现代混凝土技术，选用优质原料，在妥善的质量管理条件F所制成的，除水泥、集料、水以外，掺加足够的细掺料与高效减水剂，减少水泥用量；HPC还应针对不同用途要求，在耐久性、工作性、强度、适用性、体积稳定性与经济合理性等性能方面有重点的予以保证9“中国馄蟹土学会建议高性能混凝土定义