混凝土结构耐久性研究.doc

样式混凝土结构耐久性研究谢家斌 (哈尔滨工业大学) 摘要：混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但是由于其材料自身和使用环境的特点，使得混凝土结构存在严重的耐久性问题，这已经给各国带来了巨大的经济损失和财政负担。系统地介绍了混凝土结构耐久性研究的主要内容， 包括：混凝土的碳化、碱-集料反应和冻融破坏、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、混凝土构件耐久性和混凝土结构体系耐久性；最后展望了混凝土结构耐久性研究的发展方向，并提出一些控制措施。关键词：混凝土结构；耐久性；材料性质中图分类号： 文献标识码： 文章编号： Durability of concrete structures research Xie Jiabin( Harbin Institute of Technology)Abstract : The concrete structure is very widely used form of a structure, but due to the characteristics of its own materials and use of the environment, so that the concrete structure there is a serious durability problems to countries, which has brought huge economic losses and financial burden. Systematic introduction to the main content of the durability of concrete structures, including: concrete carbonation, alkali - aggregate reaction and freeze-thaw damage, chloride ion penetration, steel corrosion, durability of concrete structures and concrete structural system durability; Finally, the future the direction of development of the durability of concrete structures research and make some control measures.Keywords : Concrete structures；durability；material properties样式E-mail：引言众所周知，钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，其应用非常广泛，当然这并不是说钢筋混凝土结构是十全十美的，事实上，如今有大量的混凝土结构由于各种各样原因提前失效，这其中主要是由于结构的耐久性不足引起的。钢筋作为钢筋混凝土结构的重要组成部分，它具有一个不容忽视的特点就是易受到腐蚀，如在混凝土碳化及氯离子侵蚀的条件下，钢筋表面的钝化膜因受到破坏而渐渐失去保护作用，使得钢筋锈蚀进一步加剧。混凝土结构本身是一种抗拉强度很低的材料，所以在钢筋混凝土梁结构中，很多构件是带裂缝工作的，当裂缝扩展到一定程度时，会引起钢筋锈蚀、混凝土碳化等现象，从而降低结构的耐久性。另外，在工程中使用氯盐早强剂，在北方冬季使用的化冰盐或是结构使用环境中存在氯离子时，钢筋锈蚀和混凝土碳化的现象更为明显，而氯离子扩散导致的耐久性损失也是众多原因中最大的。近年来, 国内外的统计资料表明, 由于混凝土结构耐久性病害而导致的经济损失是巨大的, 并且耐久性问题会越来越严重。因此, 钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要而迫切需要解决的问题1-2。1 材料的劣化与混凝土结构耐久性混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化，混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化和结构性能劣化，出现损伤甚至损坏，是一个不可逆的过程。它不是直接由力学因素引起的，而是首先由于混凝土材料的物理化学作用的结果，继而影响到建筑物的使用功能和结构的承载力下降，最终会影响整个结构的安全。其中最明显的病害损伤事例，如海洋环境下混凝土结构受到含有氯离子介质的侵蚀，而导致钢筋锈蚀，严重的锈蚀会使混凝土开裂，不仅影响使用功能和外观，甚至使钢筋截面削弱，结构构件承载力下降，对结构安全性造成威胁。所谓混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，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。从定义可以看出，混凝土结构耐久性研究应考虑材料性质、结构设计、施工质量和外界环境条件诸因素。材料层次的研究是混凝土结构耐久性研究的最基础部分，也是使结构耐久性变差的内在因素。因此本文将主要从材料层次研究处于一般大气环境下的混凝土结构耐久性1-3。材料的耐久性劣化主要包括混凝土碳化、氯离子对钢筋的锈蚀、碱- 骨料反应、冻融破坏。每一种材料劣化过程，既有属于材料本身的因素，又有属于环境条件的因素，每一种由环境条件（外因）引起的破坏均通过自身条件（内因）而起作用的。唯物辩证法中指出，内因决定外因，外因是通过内因而起作用，因此在本文中，将重点谈谈混凝土自身的材料性质对混凝土结构的耐久性影响。分别从水灰比、水泥品种和数量、氯离子含量、碱骨料含量这几个方面进行分析。1.1混凝土碳化碳化是大气中的CO2与混凝土中的碱性物质的作用过程，是在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程#混凝土是一个多孔体， 空气中的CO2 扩散到混凝土内部的毛细孔中，与水泥水化产生的氢氧化钙、水化硅酸钙及未水化的硅酸三钙、硅酸二钙相互作用，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。水泥水化产生大量Ca(OH)2, 3CaO2SiO23H2O和3CaOAl2O36H2O等碱性水化物，以及水泥中少量K2O，Na2O，使混凝土具有较高的碱度( pH12.5)，混凝土的高碱度对于保持结构物的耐久性是极其重要的。钢筋在混凝土的高碱度环境中，表面形成一层钝化膜，它是一层不渗透的牢固地粘附于钢筋表面上的氧化物，钝化膜的存在，使钢筋表面不存在活性状态的铁，从而使钢筋免受腐蚀#研究表明，混凝土的高碱度是保护钢筋不腐蚀的最重要的条件，通常pH 11.5称为保护钢筋的“临界值”5；而碳化后pH= 8-9， 所以，碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面钝化膜遭到破坏而腐蚀。混凝土保持适当的高碱度，其意义不只在于保护钢筋，还在于保持水泥水化产物的稳定性，水泥石处于一定的碱度中，各水化产物能稳定存在，并保持良好的胶结能力碳化使混凝土碱度降低的过程中，水泥水化产物有被分解的可能，最终可能导致混凝土强度降低或丧失，碳化过程中释放出水化产物中的结晶水， 使混凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩若在约束条件下进行，往往引起混凝土表面微裂纹，因而又加剧碳化过程；碳化使混凝土变脆，构件延性变差4。1.1.1水灰比从破坏机理看出，混凝土配合比，特别是水灰比是影响混凝土密实性的主要因素。随着水灰比的增大， 混凝土的碳化速度也相应地增大，这是因为碳化深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的Ca(OH)2 含量的影响，水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的Ca(OH) 2 含量也越少，碳化速度越快，同时水灰比越大，混凝土内部的空隙率也随之增大， CO2 有效扩散系数扩大，这是使混凝土碳化速度加快的另一个原因，因此为了减少混凝土碳化引起的危害, 适当控制水灰比是重要的。1.1.2水泥品种和用量水泥品种和用量对混凝土性能也有很大影响，因为两者是决定水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要材料因素，因而也是影响混凝土碳化速度的主要因素之一。同样，可以说水泥用量是影响混凝土碳化最主要的因素之一。水泥用量越大, 则单位体积混凝土中可碳化物质的含量越多，消耗的CO2 也越多，其抗碳化性能也越高，规律性十分明显。1.2氯离子对钢筋的锈蚀当有足够浓度的Cl-扩散到钢筋表面时，当到达钢筋表面处的氯离子浓度积累到一定值(临界浓度)后可以导致钢筋钝化膜破坏；因此混凝土氯化物的临界浓度是一个十分重要的指标。混凝土中的Cl-来源有内掺和外掺两种，内掺的Cl-主要来源于混凝土拌制过程中掺加的CaCl2 等防腐剂；海水环境中的海工混凝土及路面撒除冰盐的公路混凝土，环境中的Cl-通过混凝土孔溶液逐步向内渗透，即为外渗型的Cl-的来源。钢筋位置溶液中游离Cl-浓度越大，则其对钝化膜的破坏作用越大，钢筋的活性也越大，锈蚀速度也越快。由于钢筋的活性还受到pH值的影响，因此人们认为氯化物引起混凝土中钢筋的去钝化，并不单纯取决于混凝土孔隙液游离Cl-的浓度，更重要的参数是Cl- / OH- 的值。1.3碱-集料反应碱-集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活料组分之间的发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一，它不同于其它混凝土病害, 其开裂破坏是整体性的，且碱- 集料反应造成的混凝土开裂破坏难以被阻止，因而成为混凝土中的“癌症”，当配制混凝土时使用了含有活性矿物成分的砂石骨料，后者就会与混凝土中的碱发生化学反应,形成某种胶凝体，遇水后体积膨胀可使混凝土发生胀裂破坏。碱溶液还会浸入集料在破碎加工时产生的裂缝中发生反应，使集料受肿胀力作用而破坏。如前所述，含碱量( Na2O+0. 685K2O) 是影响碱- 集料反应的重要因素之一，混凝土中的碱含量与水泥用量有关，还与骨料中矿物的种类及其活性程度有关。一般规定含碱量小于0. 6%的为低碱水泥，低碱水泥一般不会发生碱-集料反应。根据工程的不同环境条件提出了不同防止碱-硅酸反应的碱含量的限制。文献7 总结了国内外常采用的混凝土碱-骨料反应鉴定方法，并对其中的部分方法进行了评述，认为试验方法各有其优缺点，必须注意其适用性#建议鉴定碱-骨料反应，应该根据工程混凝土的实际情况和多种影响因素，尽可能采用多种方法，综合分析做出较准确的判断，不能只用1-2种方法草率行事，以免贻误工程。1.4混凝土的冻融破坏混凝土水化结硬后，内部有很多孔隙，非结晶水滞留在这些孔隙中。在寒冷地区，由于低温时混凝土孔隙中的水结成冰后产生体积膨胀，引起混凝土结构内部损伤逐渐达到一定程度而引起宏观的破坏。破坏前期是混凝土强度和弹性模量降低，接着是混凝土由表及里的剥落。在我国北方地区的室外混凝土结构存在冻融破坏问题，当混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯离子时， 混凝土的冻融破坏加剧。总结已建工程的运行实践和室内混凝土的抗冻性能试验，得出水泥品种对混凝土抗冻性能有一定影响， 且随水泥中混合材料掺入量的增加，混凝土的抗冻性降低。国内各种水泥抗冻性高低的顺序为：硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰(粉煤灰水泥)硅酸盐水泥。上述的钢筋与混凝土种种劣化过程，都需要有水的参与或以水作为媒介。钢筋与混凝土在干燥的环境下均不容易发和劣化，对钢筋来说，最不利的环境就是干湿交替。所以提高混凝土结构耐久性的首要途径就是增加混凝土材料自身的密实性，并增加钢筋的混凝土保护层厚度。这样才能阻挡水分、氧气、二氧化碳及有害物质的侵入，并延缓其到达钢筋位置的时间。传统的混凝土通常由水泥、水和砂石三种原材料拌合而成，为了增加混凝土的密实，最主要的手段是要减少拌和水的用量，并在混凝土中加入矿物掺和料， 降低混凝土的水灰比，提高耐久性的主要措施之一8, 9。2 混凝土结构耐久性研究方向混凝土结构的耐久性研究，分为材料的耐久性研究、构件的耐久性研究和结构的耐久性研究，根据目前已有文献可知，材料层次的研究已较深入，构件层次的研究也有一些，而结构层次的研究则刚刚起步， 将成为今后研究的重点。混凝土结构耐久性的研究已从定性分析逐步向定量分析的深层次发展，各种先进的理论将成为研究混凝土结构耐久性的重要手段，诸如，人工经网络，层次分析，灰色系统，模糊数学等等#耐久性是结构可靠性重要组成部分之一，基于可靠性的混凝土结构耐久性研究将是今后混凝土结构耐久性研究的又一重要发展方向。3 结束语（1）从以上种种材料的耐久性劣化可知，为了提高混凝土结构的耐久性，要根据结构的环境类别，合理地选择混凝土原材料。（2）改善混凝土的级配，控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土强度等级，提高混凝土的抗渗性和密实性。（3）在今后的结构设计中，应严格遵循文献1 的规定，控制水灰比、水泥用量、氯离子含量以及碱含量。参考文献1 张誉，蒋利学，张伟平，等. 混凝土结构耐久性概论M. 上海:上海科学技术出版社, 2003.2 金伟良，赵羽习. 混凝土结构耐久性M. 北京: 科学出版社,2002.3 中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组. 混凝土结构耐久性设计与施工指南M. 北京：中国建筑工业出版社,