浅析影响混凝土耐久性的因素与预防措施.docx

精品文档浅析影响混凝土耐久性的因素与预防措施 作者：曹兴华 郑艳琴摘要：针对目前普遍存在的混凝土耐久性问题，较为全面的阐述了国内（尤其是甘肃省，酒泉地区）影响混凝土结构耐久性的主导因素，着重论述了混凝土的碳化、钢筋锈蚀以及冻融环境对混凝土的影响，并提出了相应的解决方案。关键词：混凝土；耐久性；碳化；钢筋锈蚀；冻融环境；【引言】 混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但是由于其结构自身和使用环境的特点，使得混凝土存在严重的耐久性问题。通过对国内外钢筋混凝土工程耐久性现状的了解，长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年的发展中，其强度不断提高。但是，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。人们一直以为混凝土是非常耐久的材料，直到20世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后20-30年，甚至在更短的时期内就出现劣化。我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25-30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15-20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50 年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30-40年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达4万 亿元人民币以上，约30-50 年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。根据欧洲国家经验估计，由于对混凝土耐久性问题重视不足，迎接我们的还会有“大修”的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。 （一）混凝土结构及其构件的耐久性分析应根据不同的设计使用年限、相应的极限状态和不同的环境类别及其作用等级进行，而工作环境根据结构工作环境情况、破坏机理、形态以及国内各行业传统经验可分为以下几类2：一般大气环境；冻融环境；海洋环境；除冰盐等其他氯化物环境；化学侵蚀环境；大气污染环境；盐结晶环境。一般大气环境中的腐蚀类型主要是混凝土碳化和钢筋锈蚀，本文主要根据兰新第二双线 甘 青 段17标所处的地理环境，从混凝土碳化，钢筋锈蚀，冻融环境三个方面对混凝土耐久性的影响以及预防措施。（二）下面我们从不同的方面讨论外部因素对混凝土耐久性的影响。1混凝土碳化对混凝土耐久性的影响混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。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。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱 环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜8 钝化膜9 遭到破坏，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，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩。下面是在试验内模仿最不利环境下，碳化作用对混凝土的影响。（控制变量法）假设，以二氧化碳浓度为Y轴，以碳化深度为X轴。经过室内试验数据可以得到下面一个关系图，选用相同标号,相同配比混凝土试件,试验环境温度 (202)湿度(95)龄期56天由上面图像经过回归分析,可得到下面的关系式; Y=39697X-02333 (X0) 通常情况下，当CO2浓度为0时,混凝土会发生微弱碳化（可以 忽略）,但不会为负值;即X=0,Y=0.(注:此函数为一区间函数.)当然,在现实中,环境的湿度不可能达到95%以上;二氧化碳浓度不会超过0.03%.但是,室内试验都是考虑在最不利因素的影响下,结构物能承受的极限状态.针对以上实验,在工程施工中,应当用以下方法提高混凝土抗碳化能力。(1)钢筋外留下足够的混凝土保护层厚度是简单有效的方法.(2)混凝土配合比将影响碳化速度，足够的水泥用量、降低水灰比、采用减水剂都可减缓碳化速度。(3)此外，提高混凝土密实性、增强抗渗性、对混凝土采用覆盖面层等措施可减缓或隔离CO2向混凝土内部渗透，大大提高混凝土抗碳化能力。 2钢筋锈蚀对混凝土的影响; 钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的重要要原因。根据其产生原因可分为：钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁即铁锈，体积增大造成混凝土顺筋裂缝，便于腐蚀介质渗入钢筋，加快结构的损坏；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钢筋会锈蚀，若混凝土开裂，造成水和氧的通道，形成恶性循环；钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成脆性断裂，这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏；钢筋的氢脆现象。钢筋锈蚀的直接后果是钢筋的有效截面面积减少，不均匀锈蚀导致钢筋表面凸凹不平，产生应力集中现象，使钢筋的力学性能退化，如强度降低、脆性增大、延性变差，导致构件承载能力降低。针对兰新17标段所处的自然环境,干燥,少雨,我们重点讨论:氯离子对混凝土中钢筋的作用.由于,钢筋混凝土工作时,钢筋承受了几乎所有的拉力.下面我们以氯离子的含量为Y轴,以养护相同龄期,钢筋的抗拉强度为X轴.根据室内实验数据绘成下表: 养护温度(202)湿度(95),试验统一用相同厂家,批号的HRB335,12螺纹钢.龄期122天.由上面图像经过回归分析,可得到下面的关系式;Y=-11867X2+46746X+59171 (X0)通常情况下，当CL-浓度为0时,钢筋不会发生腐蚀,加之存在混凝土的包裹,很难发生氯盐腐蚀;即X=0时,Y为钢筋经过加工后,剩余的强度(原始强度-损失强度).当钢筋不发生腐蚀(或者微弱腐蚀),混凝土内部不会产生次应力,因而,会大大减少混凝土的裂纹宽度,提高结构物的寿命,从而使混凝土的耐久性提高.针对混凝土钢筋锈蚀问题，(1)可以采用的表面保护措施有：环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层，这种钢筋保护层即使氯离子、氧等大量侵入混凝土时也能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。(2)在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，涂料应是耐碱、耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料。(3)自20世纪60-70年代起，国内外都开始在混凝土拌和物中掺入亚硝酸钠作为预防恶劣条件下钢筋腐蚀的补充措施。(4)还可掺加高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性（工作性）的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。(5)掺入高效活性矿物掺料，如 硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成，使水泥石结构更为致密，有效地阻断可能形成的渗透通道，提高混凝土强度，增强混凝土自身抵抗环境侵蚀破坏的能力等。3冻融环境对混凝土的影响;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，加入的拌和用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，另外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔。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，因为水遇冷冻结成冰后会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，这样使得胶凝孔中的水向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，胶 凝 孔向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中冰的体积进一步膨胀。如前分析，不论是上述哪一种因素主导着混凝土的劣化过程，其共同点是混凝土内有充足的水分和其他有害物质的侵入。要提高混凝土耐久性，满足耐久性要求，必须降低混凝土的孔隙率，特别是降低毛细管孔隙率，即混凝土必须有足够的密实性并且不出现有害裂缝，从而能够抵抗水分和侵蚀性介质的渗入。我们通过下面的实验绘成的图来研究冻融循环对不同空隙率的混凝土的作用效果.我们以耐冻系数为Y轴,以孔隙率为X轴.实验所用混凝土均用C25,用相同原材料和配比,在相同的养护 室养护.;由上面图像经过回归分析,可得到下面的关系式; Y=-54X2+30X+88 (X0) 由于,甘肃酒泉地区,昼夜极差温度为50,而实验温度极差为35.因此,在则个函数前面要加一个修正系数K.冻融循环对混凝土结构的损伤分为两类：第一类是内部损伤，是由于混凝土内部水结冰产生约9%的体积膨胀造成，混凝土产生开裂甚至剥落，通常发生在混凝土内部的水含量超过某个临界值的情况。第二类是表层损伤，是由于混凝土表层持续受盐溶液浸渍，和冻融共同作用，在混凝土局部薄弱处发生剥落。在冻融循环作用下，微裂缝逐步发展，使更多的封闭孔 相互连接贯通，进一步降低混凝土的抗冻性,加速混凝土的冻融破坏。因此,影响混凝土结构耐久性重要的因素是混凝土保护层的孔隙率、孔隙分布形态、裂缝形态、以及钢筋和混凝土之间的粘结状态，而流经混凝土结构表面和裂缝的水是影响混凝土桥梁耐久性的外在因素.解决方法(1) 选择合理的原材料品种;(2) 设计较好的配合比;(3) 引入适当的外掺剂;(4)精确的结构设计;(5)运用先进的施工技术;(6)超载的有效控制以及及时到位的维修养护.(三)施工对耐久性能的保证 施工是保证混凝土质量的关键，是结构耐久性设计的组成部分，大量关于耐久性的调查报告都表明很多结构耐久性低下并造成结构损伤的现象都是由于施工造成的缺陷引起的。因此，应切实做到以下几点：(1) 提高施工质量、施工技术工艺水平，完善施工管理工作，强化对施工过程的监督、检查，严格按照混凝土结构验收规范要求进行施工。(2) 从施工的源头抓起，严把材料质量关。砂、石、水泥、钢筋必须符合质量要求，外加剂必须试验合格后方可使用。不定期对搅拌时间及混凝土拌合物的稠度、含气量、水灰比、水泥含量及均匀性等进行测量，并适时测定砂、石的含水率，及时调整混凝土配合比。(3) 振捣是浇筑混凝土的关键工序，它直接关系到混凝土的成品质量。在适宜混凝土入模温度的前提下，确保混凝土保护层的厚度及钢筋位置的准确性；根据混凝土的标号，选取合理的振捣时间、振捣工具、振捣方式和顺序。(4) 养护是混凝土正常硬化并产生足够强度的必要条件。在浇筑完成后12h内立即采取合理养护措施，控制混凝土表面裂缝；且浇水养护不得少于7d，有特殊要求的须参照有关规范。气温过低时，须采用保温措施。对不同水泥品种、外加剂、掺料、龄期的混凝土，合理地选用潮湿养护、水养护和养护剂养护方法，以取得良好的养护效果。 【结语】目前，混