论混凝土耐久性的提升.doc

土木工程材料论文论混凝土耐久性的提升杨元清 05210110（东南大学 土木工程学院,南京 211189）摘 要： 近年，我国的基本建设成就瞩目，混凝土工程量已在世界范围内名列第一。产业的快速发展的确带来了巨大的经济效益和社会效益，然而，亦引发了诸多建设中和维护中的问题。“提升混凝土耐久性”课题正受到了资源、能源以及环境承载能力的多重考验。实践证明，要实现可持续发展策略，就涉及混凝土工程的基本建设而言，最关键的任务是提高质量，延长混凝土工程的使用年限，减少巨额维修费用，以便最大限度地节约资源能源。我国正处于建设高潮，应重视提高工程寿命，重视资源与环境的重大地位，从国情出发，提高工程质量，提升混凝土耐久性，必将取得巨大经济、社会、环境效益 关键词： 混凝土; 耐久性; 资源; 效益 Concrete durability ascension Yuanqing Yang （05210110）(Civil Engineering Department, Southeast University, Nanjing 211189)Abstract: In China, the basic construction achievements, concrete quantity has ranked first in the world. The rapid development of industry really brings great economic benefits and social benefits, however, also caused many problems in the construction and maintenance of concrete durability subject ascension is a resource, energy and environmental bearing capacity of multiple tests. Practice has proved, in order to realize the sustainable development strategy, involving the basic construction of concrete engineering, the key task is to improve the quality of concrete construction, extend the use fixed number of year, reduce maintenance cost, so huge maximum saving energy resources. Our country is in the construction upsurge, should pay attention to improve the project life, pay attention to the important position of resources and environment, from actual conditions, improving engineering quality, enhance the durability of concrete, will gain great economic, social and environmental benefits.Key words: concrete; durability; resources; benefit 近三十年，伴随着国民经济的扶摇腾飞，我国的基本建设取得了举世瞩目的成就，土木工程这一古老而又现代的学科，正在世纪之交的瞬息万变中蓬勃发展。自上世纪80年代的上海宝钢建设拉开了大规模商品混凝土生产的帷幕开始，依托于改革开放的进一步深化与发展，大规模高层建筑迅速崛起，仅仅到1994年，我国混凝土工程量已在世界范围内名列第一。1产业的快速发展的确带来了巨大的经济效益和社会效益，然而，诸多建设中和维护中的问题也纷至沓来：一方面由于人均资源占有量少引发了全国范围内公民建设的资源危机；另一方面，由于混凝土的耐久性达不到要求，重大工程问题频发，水闸海港码头破坏引起钢筋锈蚀，大量混凝土立交桥的冻融破坏，亦造成很大的经济损失及资源浪费。“提升混凝土耐久性”课题正受到了资源、能源以及环境承载能力的多重考验。上世纪90年代以来，重大建筑工程的耐久性问题开始引起国家和技术界的重视，被列为国家重点技术攻关项目，成为走“资源节约型的国民经济发展道路”的必经关口。2在混凝土工程的基本建设方面，最关键的任务是提高质量，延长混凝土工程的使用年限，减少巨额维修费用，以便最大限度地节约资源能源。必须清醒认识到，我国正处于社会主义初级阶段的建设高潮，若不吸取教训，不重视提高工程寿命，忽略资源与环境的巨大代价，未来修和重建费用的严重负担定会进一步制约国家乃至社会的发展。因此，从国情出发，提高工程质量，提升混凝土耐久性，必将获益匪浅，造福后代。1 简述混凝土耐久性提升的认识1.1 混凝土及混凝土耐久性的定义及种类混凝土，简称为“砼”，是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。通常指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水（加或不加外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程。混凝土的耐久性，在实际使用条件下抵抗各种环境因素作用，能长期保持外观完整性和使用性能的能力。混凝土耐久性主要包括抗渗性 、抗冻性 、抗侵蚀性等方面。1.2 混凝土耐久性提升的必要性建筑物在长期使用过程中，在内部的或外部的、人为的或自然的因素下，随着时间的推移，将发生材料老化与结构损伤，这是不可逆的过程，这种损伤的累积将导致结构性能劣化、承载力下降、耐久性能降低。美国材料咨询委员会（NMAB）1987年的报告中指出，有253000座混凝土桥处于不同程度的损伤状态，且以每年35000座的速度在增加；1991年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元。3英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费将近20亿英镑。4日本目前仅用于房屋结构维修的费用即达到400亿日元，引以为豪的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。5我国人口众多，过去为及时解决居住需要和促进工业生产，建造过不少质量不高的民用房屋和工业厂房。结构设计虽然采用可靠度理论计算，实质上仅能满足安全可靠指标的要求，而对耐久性要求考虑不足，且由于忽视维修保养，现有建筑物老化现象相当严重。混凝土耐久性是建筑物结构的重要机械性能和前提条件。作为当今时代倍受关注的“建筑物生命周期及成本”问题的核心之一，混凝土耐久性不足对结构造成的危害已经也应当引起越来越强烈的社会反响，混凝土的耐久性研究于是便显得越来越重要和必要。1.3 混凝土耐久性提升的核心技术原理1.3.1 混凝土耐久性差的原因首先，为满足混凝土工程中施工工作性用水量大、水灰比高的要求，一方面易造成混凝土碳化，极大程度影响混凝土的耐久性。图1 水灰比越高碳化越强示意图另一方面，用水量大、水灰比高易导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的25%-40%，结构处于冰点以下环境时，受混凝土孔结构、含气量饱和度，水灰比，集料的孔隙率及其间的含水率等影响，饱水度高，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成压力达到一定 程度时，导致混凝土表面剥落。图2 混凝土的冻融破坏与饱水度关系其次，作为混凝土工程中的一大隐患，混凝土的碱-集料反应对耐久性亦有影响。混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，甚至破坏。许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝，桥梁，海堤和学校，造成巨大损失。 此外，水泥石中的水化物稳定性不足，其中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低、稳定性极差，当混凝土结构处在淡水腐蚀，一般酸性水腐蚀，碳酸腐蚀，硫酸盐腐蚀，镁盐腐蚀等侵蚀性介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学、物理与物化变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。其他方面原因也颇多，譬如说多见于钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀。 6结构图1 混凝土钢筋锈蚀原理钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等铁锈，其体积比原金属增大24倍，造成混凝土顺筋裂缝。其二，氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当混凝土中氯含量超过标准时，若混凝土开裂，造成水和氧的通道，则钢筋锈蚀加速，促成混凝土裂缝进一步开展，混凝土保护层剥落，最终使构件失去承载力。 1.3.2 混凝土耐久性提升原理混凝土耐久性提升的核心技术原理主要可从以下几大方面阐述：第一，从材料的配合比和砼结构方面，在满足混凝土强度，工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少收缩裂缝，提高密实度，采用合理的减水剂和引气剂，改善混凝土内部结构，掺入足量的混合料，提高混凝土耐久性能。水泥的选择需注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性，抗水性，抗腐蚀性，抗冻性。结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度，预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度。混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法，裹砂法裹砂石法等工艺，提高混凝土拌合料的和易性，保水性，提高混凝土强度，减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝，收缩裂缝，施工裂缝，建立混凝土的浇筑振捣制度，提高混凝土密实度和抗渗性，并加强养护，以减少混凝土裂缝。第二，避免碱-集料反应的方法可采用：尽量避免采用活性集料；限制混凝土的碱含量；掺用混合材。集料与掺合料集料的选择应考虑其碱活性，防止碱集料反应造成的危害，集料的耐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密实度；大量研究表明了掺粉煤灰，矿渣，硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能，改善混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度，高掺量混凝土还能抑制碱集料反应，因而掺混合材混凝土，是提高混凝土耐久性的有效措施，即近年来发展的高性能混凝土。第三，针对水化物以及其引发的问题，在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。加入减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷，在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现，而掺入高效减水剂，完全可以将水灰比降低到0.38以下。此外，还可掺入高效活性矿物掺料，改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料中含有大量活性Si02及活性Al203，它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高硷性水化矽酸钙产生二次反映，生成强度更高、稳定性更优的低硷性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。其他方面的措施也较多，譬如外表涂装技术。暴露在空气中的混凝土结构以及沿海地区的桥梁工程，受到空气中的盐分等其它元素的侵蚀，缩短了混凝土构件的使用年限，可采取外表涂装的方法进行防腐处理措施，同时严格控制钢筋保护层厚度。除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效，因此，要提高混凝土的耐久性，就必须限制或消除从原材料引入的碱、S03等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，以提高混凝土的耐久性。7总之，提高混凝土的耐久性是混凝土发展的必然趋势。 2 国内外研究现状2. 1国内研究现状自从20世纪90年代初清华大学向国内介绍高性能混凝土以来，高性能混凝土的研究与应用在我国得到了空前的重视。1999年中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会（HSCC）编写高强混凝土结构设计与施工技术规程（中国工程建设协会标准CECS 104：99）。我国的GB/T50476-2008混凝土结构耐久性设计规范也是吸纳了最新的国内高性能混凝土耐久性研究最新成果，根据混凝土的环境条件进行分级，规定混凝土的最大水胶比和最小水泥用量等参数来进行耐久性设计。近年，我国形成了一系列高性能混凝土实用新技术成果，新型合成高效减水剂技术、矿物外加剂的生产和应用技术、防辐射高性能混凝土配制技术、混凝土材料选择与配合比设计、重点工程混凝土集料碱活性综合评价等等，已推广应用到三峡工程、青藏铁路、南水北调、首都机场新航站楼等多个国家重点工程中并取得了显著成绩。2. 1.1高性能混凝土早期收缩研究近年来，高性能混凝土研究的重点之一就是早期收缩的机理、测量方法和设备、影响因素和改善措施，取得了突出进展。大连理工大学和中国建筑材料科学研究总院共同完成的国家自然科学基金重点项目“混凝土结构裂缝的形成与发展机理及控制技术研究”是近年来针对混凝土早期收缩开裂问题开展系统研究的项目之一，该项目从材料和结构两个不同角度深入研究了影响混凝土早期收缩开裂的因素。研究工作有重要的学术意义和普遍的工程应用价值。82. 1.2开展多因素协同作用条件下水泥基材料失效机理的研究在应用基础理论研究方面，东南大学、中国建筑材料科学研究总院等单位都开展了多因素协同作用条件下水泥基材料失效机理的研究，针对侵蚀性离子在混凝土中的传输机理和机制等进行了深入的研究和探讨。中国建筑材料科学研究总院借助国家973项目的支持，结合工程实际研究揭示了高性能水泥基材料在化学介质腐蚀、冻融循环、荷载等环境因素及其在二因素、三因素和四因素协同作用下的损伤失效行为规律，提出了混凝土中氯离子固化模型和钢筋混凝土在多因素协同作用下的寿命预测模型，揭示了水泥熟料与辅助性胶凝材料的合理匹配是实现混凝土高性能化的关键，开发的多因素耦合作用下的混凝土性能测试装置获得国家专利。2. 1.3高性能混凝土化学外加剂快速发展混凝土化学外加剂是配制高性能混凝土必不可少的原材料。我国自上个世纪50年代开始研制和少量使用混凝土化学外加剂。近10年来，在高性能混凝土快速发展的带动下，合成减水剂也完成了升级换代，其中发展最突出的是聚羧酸系高性能减水剂，它具有较高的减水率、良好的坍落度保持性能和一定的引气性，生产工艺比萘系简单，2007年的产量达到41.43万吨。国内科研单位开发了多种具有创新性和实用性的外加剂产品。中国建筑材料科学研究总院开发了高速铁路无砟轨道板专用早强型聚羧酸系高性能减水剂和早强矿物掺合料；研发了煤矿建设冻结法施工专用的早强减水剂和防裂密实剂，支持了我国重点工程高性能混凝土的施工。这些外加剂对控制混凝土体积变形、促进早期强度发展、减少动态坍落度损失方面有特殊功能，成果在多家企业生产应用，获得了很高的经济效益。2. 1.4聚丙烯纤维与混凝土耐久性聚丙烯纤维作为一种新型建筑材料，由于能均匀分散在混凝土中且碱性优良，工艺简单，在国际上得到广泛的应用，在国内也开始逐渐被接受。其基本原理从图3可以明显看出。加聚丙烯纤维的 CP2CP4 的相对动弹性模量迅速下降的时间比 CP1晚 ,经过较多次数的冻融循环才有明显的快速损伤。同时随着聚丙烯纤维含量的增多 ,相对动弹性模量迅速下降的时间也逐渐变慢 ,抗冻融循环次数增加,抗冻能力提高。在各种低含量聚丙烯纤维混凝土中掺入1 %钢纤维的 CSP2、CSP3 的损伤速度比相应的 CP2CP4损伤速度缓慢 ,表明掺入混杂纤维混凝土的抗冻性得到了更进一步的提高 ,冻融循环过程中相对动弹性模量损伤得到了抑制 ,而且混杂纤维混凝土中 ,随着纤维体积含量的增多其抗冻性提高。CSUP3的相对动弹性模量迅速下降的时间最晚 ,说明不同性质与不同尺度的纤维与膨胀剂复合可以有效地抑制混凝土的损伤，增强混凝土在特殊条件下的耐久性。9聚丙烯纤维混凝土在解决抗震、抗冻性问题方面的研究与应用必将有更加广阔的空间。2. 1.5 其它抗盐污染高性能混凝土的新概念，有利于节能降耗和环保，总体科技水平已达到国际先进。2.2国外研究现状针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮。国际结构混凝土联合会在2006年6月提出了全概率方法的寿命设计流程图，法国土木工程师学会在2007年提出了混凝土结构服役寿命设计指南，欧盟也正在研究提出一个过渡的基于性能的耐久性设计方法。进入20世纪90年代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。混凝土耐久性研究的一大重要方向是“混凝土中钢筋的防锈”。在“迁移性缓蚀剂研究”方面，近年来各国采用的在混凝土中掺加阻锈剂或在混凝土表面涂刷迁移性阻锈剂如：Sika 901系列，MCI2020系列等简单易行的措施。特别值得强调的是“迁移性阻锈剂MCI”。10在施工过程，这种缓蚀剂的溶液涂布在被破坏的混凝土表面，依靠混凝土自身的毛细管吸收和扩散作用，渗透到混凝土中钢筋的表面，通过排代活化钢筋表面的氯离子，或者修复钢筋表面已破坏的钝化膜，或者在阳极区与阴极区都形成一层致密的保护膜。在具体的施工过程中，既不需要对已经被侵蚀破坏的混凝土进行清除，又可避免用昂贵的电化学保护器材，只需要在混凝土表面进行涂刷、低压喷涂等简洁方便的方法、就能在不影响被保护结构的正常运行条件下，经济、有效的对已坏混凝土进行修复。 MCI缓蚀剂能在不影响被保护结构的正常运行条件下，经济、有效的对已坏混凝土进行修复，对MC1分子结构及其在混凝土中保护钢筋的机理的认识仍在深化，将有利于从材料没计的角度改进与提高MC1阻锈剂的性能，同时MCI系列缓蚀剂的应用将进一步满足环境保护的要求。数据处理 3 问题探讨及解决建议混凝土耐久性的重要性不言而喻，虽然在研究上取得了很多重大成就，但是其发展过程中仍然有诸多困难的限制和制约，混凝土耐久性研究现仍存在一定的问题亟待解决。3. 1 不确定因素现代混凝土服役寿命的预测是一个长期并且复杂的课题，虽然目前已经有所研究并取得了一些结论和发展，但仍然不能彻底解决混凝土耐久性研究中突出的诸多问题。混凝土服役寿命的设计研究建立的耐久性模型尚有许多不确定因素，有些模型参数还不能量化，确定这些参数的难度较大，另外还缺少重复性好的测试方法，对有些破坏类型还缺少可靠的模型，如干湿循环和硫酸盐腐蚀等。建议：关于不确定性的研究是一个必须长期坚持的重大科研课题，应该支持并鼓励高校以及科研机构结合工程实际进行专题分析与相互合作，在实践中不断地细化问题、克服问题，以最大限度地实现对混凝土耐久性的客观把握与总体控制。3. 2 高性能混凝土问题高性能混凝土的出现，给土木工程界最直接的冲击是对混凝土耐久性的重视有所加强了，粉煤灰、矿渣等掺合料的使用增多了，预拌混凝土更普遍了，但是，近年来在国内外却发生较多“高性能混凝土”结构开裂，特别是早期开裂的问题。由于高性能混凝土一般具有高胶凝材料用量、低水胶比与掺人大量活性掺合料等配制特点，致使高性能混凝土的硬化特点与内部结构，同传统的普通混凝土相比具有很大的差异，随之带来了它的早期体积稳定性差、容易开裂等问题。而混凝土的裂缝正是在使用阶段环境侵蚀性介质侵入的通道，进而削弱其耐久性。高性能混凝土在国内外的应用实践表明，早期开裂问题已成为制约其在工程中应用的重要因素。建议：改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研究中急需解决的问题。要加强对混凝土抗裂性等一系列基本性质的进一步钻研。3. 3 建设工程管理体制软弱在建设工程管理体制与相关的法律法规的建设方面，我国仍有一定的不足。我国多年来实行“企业负责，行业管理，国家监察，群众监督”的建设管理体制，这种管理体制的不尽完善和对新形势、新经济发展的不尽适应也逐渐显现。工程建设中，建设方在与施工方订立的施工合同里，不承担任何安全责任。工程建设中，建设、设计、监理等相关各主体方，关于建设安全生产的责任不明确。这在客观上导致了建设、设计、监理等等相关各主体方，以旁观者的姿态出现，不太关注和重视建设工程的后续效益。在市场经济条件下，追求经济效益最大和成本最小，是每个企业的自觉行为和目标。企业不会将精力、资金和设施投至没有经济效益的地方，反之，只重视眼前利润，而忽视混凝土耐久性带来的隐形及长远效益。建议：应进一步完善与健全建设工程管理体制，完善并提高工程建设标准，打击“忽视工程质量与混凝土耐久性”的不规范工程行为，严惩由于耐久性不良而引发的工程事故，并且在工程领域不断弘扬“耐久性”意识，树立全面和谐的可持续发展观。4 总结与前景展望混凝土是当今世界使用量最大、使用面最广的建筑材料之一，提高混凝土工程的安全性和耐久性，成为当前世界各国研究的热点。随着人们逐渐重视工程质量、强调安全和环境保护，高性能混凝土真正进入推广应用时期。对业主或用户来说，混凝土的耐久性好，安全使用期长，可减少维修费；对社会来说，高性能混凝土降低能耗、料耗，利用工业废渣、减少噪声污染，对环境有利；对施工者来说，高性能混凝土操作方便，改善劳动条件，加快进度，减少模板和劳力；对于设计者来说，高性能混凝土减小断面，减轻自身重量，增加使用空间。让混凝土表现出良好的工作性、很高的耐久性和符合工程要求的强度，使之成为满足重大工程需求的高性能混凝土，是建材科技工作者的责任，也是国家建设大计的保障。由上文可见，