混凝土耐久性研究(冯好涛)

1、影响混凝土耐久性的因素及其对策研究（07级结构工程 冯好涛 ）摘要：通过对国内外钢筋混凝土工程耐久性现状的介绍，从混凝土的碳化、冻融破坏、钢筋锈蚀破坏、混凝土碱集料反应、渗透性等方面论述了影响混凝土结构耐久性的因素，并针对性地提出了预防的措施。关键词：混凝土；耐久性；对策混凝土是土建工程中用途最广、用量最大的建筑材料之一。近百年来，混凝土在工程实践中对强度的要求不断提高。发达国家越来越多地使用50MPa以上的高强混凝土。为符合可持续发展的要求，有些远见卓识的专家提出混凝土在满足强度的同时，应具备良好的耐久性和施工和易性。钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土各自的优点，造价较低，是基建工程中的首选形

2、式。但是，从混凝土应用至今的150年间，已有大量的钢筋混凝土结构提前失效，未达到预期的设计年限，究其原因主要有：a)结构设计不当造成的抗力不足；b)使用荷载的不利变化；c)结构的耐久性不足。国内外统计资料表明，因混凝土结构的耐久性而导致的经济损失和不良影响是巨大的，并且耐久性问题已经越来越严重1 。我国是一个发展中的大国，正在从事着为世界所瞩目的大规模基本建设，鉴于我国财力有限，能源短缺，资源不富，因此，既应科学地设计出安全、适用、又耐久的新建工程项目，又应充分地、合理地、安全地延续利用现有房屋资源和工程设施。可见，加强混凝土结构耐久性研究，提高设计质量，延长结构使用寿命，已是工程界一个极为重

3、要的现实课题和历史任务。1 国内外混凝土耐久性现状混凝土在大坝、桥梁、公路、铁路、隧道、海港、码头、机场、地铁、工业及民用建筑等方面均获得日益广泛的应用。混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种环境因素作用，长期保持完整性和使用性的能力。长期以来，人们一直以为混凝土是一种耐久性优良的材料，但随着时间的推移，混凝土因耐久性不足而过早破坏的工程实例屡见不鲜2，3。据统计，美国每年用于维修和重建混凝土基础工程的费用高达3万亿美元。1987年美国国家材料顾问委员会统计：约25万座混凝土桥梁的桥面板出现了不同程度的破坏，其中部分桥梁仅使用了不到20年，并且这种破坏正以每年35 000座的速度增长4

4、。沙特阿拉伯海滨地区42座混凝土框架结构耐久性调查结果表明：74的混凝土框架结构都显示严重的钢筋腐蚀破坏。由于区域辽阔，各国面临的严重问题嗣在我国不同地区均有存在。黑龙江低温建研所对三北地区的调查表明，处于水位突变区或受水浸润的钢筋混凝土结构，在使用2070年内均因反复冻融而破坏。南京水利科学研究院资料表明，华南、华东海港码头和浙东沿海水闸的混凝土结构，处于浪溅区的梁板底部，由于钢筋过早锈蚀，发生顺筋开裂、剥落，破坏日益加剧。2 影响混凝土耐久性的因素2.1 混凝土碳化混凝土碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土均有碳化现象。即空气中的水分和二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组

5、织和性能发生变化，并导致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作用，主要危害是因混凝土碱性降低致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(钝化膜)遭到破坏，丧失对钢筋的保护作用，同时，碳化加剧混凝土的收缩，可能导致混凝土的开裂和结构破坏。所以说，混凝土的碳化与混凝土结构的耐久性密切相关。2.2 混凝土的冻融破坏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

6、细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，闪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处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透两种压力5。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，其强度也会逐渐减低，最后甚至完全丧失，使混凝土由衷及里遭受破坏。2.3 钢筋锈蚀破坏因混凝土钢筋锈蚀而产生的破坏，是钢筋混凝土耐久性不良最大量的表现形式。钢筋锈蚀时，锈蚀物的体积膨

7、胀34倍，混凝土就会沿钢筋方向开裂使保护层剥落，从而进一步加快钢筋锈蚀速度，结构强度降低，从而导致结构耐久性的降低。钢筋锈蚀主要有两个原因：一是混凝土碳化，当二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，使钢筋混凝土结构保护层的碱度降低，当碳化达到钢筋表面时，使钢筋表面与混凝土粘结生成的氧化铁薄膜(钢筋钝化膜)破坏，生成锈蚀。二是混凝土中氯离子的侵蚀作用，当氯离子渗入到钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，钢筋表面的钝化膜被破坏，造成钢筋锈蚀。2.4 混凝土碱集料反应混凝土碱集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。活性材

8、料主要是Si02和硅酸盐、碳酸盐等，碱主要来源于水泥熟料、外加剂。依据参与反应的岩石种类与反应机理不同，可把混凝土碱集料反应分为三种6：碱硅反应，碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应，其中碱硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱硅酸盐等凝胶体遇水膨胀，在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后，会加速空气、水、二氧化碳等侵入，引起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。2.5 混凝土的渗透性混凝土的渗透性与耐久性有极其密切的

9、关系。抗渗性是指混凝土抵抗水在混凝土毛细孔向其内部渗透作用的能力，影响渗透的主要因素是水泥内部有毛细管或某些微裂缝所形成的透水通路。这些通路是由于配制混凝土时，为得到一定的施工流动性而多加的水分在混凝土硬化时蒸发所留下的。通常来说，抗渗性好的混凝土，其密实性高，混凝土的耐久性也较好。这是因为许多有害物质是随介质渗透到混凝土内部而起破坏作用的。例如冻融损坏、钢筋锈蚀都是由于水及腐蚀性物质渗入到混凝土内部对混凝土产生破坏作用。提高混凝土的抗渗性，除混凝土本身具有极低的渗透性以外，从实际意义上来说，避免混凝土结构出现裂纹和裂缝是更为重要的。3 提高混凝土耐久性的对策3.1 提高混凝土抗碳化能力 碳化

10、对混凝土结构耐久性影响主要是使混凝土碱度降低，进而钢筋脱钝、锈蚀。为此必须减小、延缓混凝土的碳化。钢筋外留下足够的混凝土保护层厚度是简单有效的方法；混凝土配合比将影响碳化速度，此外，提高混凝土密实性、增强抗渗性、足够的水泥用量、降低水灰比、采用减水剂都可减缓或隔离CO2向混凝土内部渗透，从而有效提高混凝土抗碳化能力。3.2 提高混凝土抗冻融性能 冻融破坏在我国北方寒冷地区大量出现。提高混凝土的抗冻性就是提高混凝土在水饱和状态下承受反复冻融的能力。被饱和的混凝土。遭受冻融作用时，其中的可冻水变成冰。体积增大9。冰在毛细孔中受到约束。就会产生巨大的膨胀压力使混凝土内部结构疏松，冰融化后结构再不能恢

11、复。使混凝土遭到破坏目前提高混凝土抗冻性的首选方法就是在混凝土里掺入混凝土高效减水剂或引气剂。掺高效减水剂可以降低水灰比，减少可冻冰的用水量。这样可以减少因水冻成冰产生的膨胀压力：引气剂能容纳因混凝土内的水冻成冰而产生的巨大膨胀压力。但是，由于引入空气微泡会降低混凝土强度，加之市场上引气剂品种繁多，质量参差不齐，故在工程使用时应慎重选用。3.3 预防混凝土中钢筋的锈蚀 对钢筋锈蚀问题。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。另外，在混凝土表面涂层也是

12、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。还可掺加高效减水剂，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。还可研究新技术，开发新产品，如耐锈钢筋、阻锈钢筋等。此外，自20世纪6070年代起，国内外都开始在混凝土拌和物中掺人亚硝酸钠作为预防恶劣条件下钢筋腐蚀的补充措施。3.4 抑制碱集料反应水泥中的碱与集料中的活性氧化硅发生化学反应使混凝土产生不均匀膨胀，出现起鼓、裂缝等不良现象称为碱集料反应。目前已确定含有活性氧化硅矿物质的集料有蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英、酸性或中性玻璃体的阴晶质火山岩如流纹岩、

13、安山岩及凝灰岩等。其中蛋白石质的二氧化硅活性最大。碱集料反应的充分条件是水分、水泥的碱性物质含量大于0.6、活性集料同时存在，并且进行很慢 但由此引起的破坏相当严重无法修复所以必须防止。为防止碱集料反应可采取如下措施： 选择非活性集料； 采用含碱量低于0.6的水泥： 降低水灰比。提高混凝土的密实度，防止水分的侵入：在混凝土里加入引气剂以便为碱集料反应产物的生成， 建立缓冲的孔隙体积，降低膨胀压力；据有关试验。掺活性氧化硅的细粉也能防止碱集料反应的生成； 在满足强度和施工要求的情况下，尽量降低单方混凝土的水泥用量。3.5 提高混凝土的抗渗性能 提高混凝土的抗渗性混凝土的耐久性与抗渗性有直接的关系

14、。混凝土的渗透，在很大程度上决定了混凝土易受外界不利因素的侵蚀。因此，为了提高混凝土的耐久性必须首先提高混凝土的抗渗性。3.5.1降低水灰比混凝土由水泥、粗细骨料和水拌制而成。水分蒸发后形成空隙，一方面影响了骨料与水泥浆体、钢筋与混凝土的粘结力，降低了混凝土的密实度和强度。另一方面，这些连通孔道也成为外界液体、有害气体侵入混凝土内部的捷径。所以在拌制混凝土时，在满足技术和施工要求的情况下，应尽量降低水灰比，减少用水量，增加密实度，以提高混凝土的抗渗性。3.5.2掺外加剂掺用外加剂是改善混凝土性能的最好方法。一是掺引气型的减水剂、引气型的减水剂一方面使混凝土内部产生均匀、稳定、互不相通的微小气泡

15、， 阻止液体渗透；另一方面也可大大减少混凝土的用水量，提高了混凝土的密实度。二是掺用抗渗剂，抗渗剂在混凝土内形成胶体络合物，填充、堵塞了混凝土内部的毛细孔缝，从而提高混凝土的密实度。三是掺膨胀剂，通过掺膨胀剂发生化学反应，使混凝土产生膨胀，在外力的约束下，增加混凝土的密实度。3.5.3选择合适的材料 水泥标号一般不低于425"：细骨料要求选用颗粒均匀、圆滑、质地坚硬的河砂中平均粒径为04mm左右的中砂，含泥量小于3 ，并含适量的粉砂：选择粗骨料最大粒径要合理，除大体积外，一般情况下530mm为宜，最大粒径不超过40mm，含泥量不超过l 。要求组织细密，颗粒整齐，质地坚硬，另外级配要优

16、良，以改善混凝土的和易性。3.5.4加强养护如早期养护不好，水泥得不到正常水化，会降低混凝土的密实度，继而影响抗渗性。所以一定要加强混凝土的早期湿润养护，养护时间不得少于14d。4 结语 混凝土的耐久性是混凝土经济性能的最重要影响因素。耐久性优异的混凝土使用寿命可达百年以上，甚至可以达到500年，是普通混凝土的310倍。提高混凝土的耐久性技术手段是使用新型高效外加剂和超细活性矿物质掺合料。前者能降低混凝土的水灰比、增长坍落度和控制坍落度损失，给混凝土赋予高的密实度和优异的施工性能；后者是通过掺加磨细火山灰质材料微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰来填充胶凝材料的空隙，有效降低孔隙尺寸和阻断毛细孔，参与胶凝

17、材料的水化反应，大幅度提高混凝土的抗渗性，降低氯离子在混凝土中的渗透速率，延迟腐蚀的开始和降低腐蚀开始后的速率，减轻氯离子渗透对钢筋的危害，提高混凝土的抗化学侵蚀性及避免发生碱骨料发应，提高混凝土的耐久性和强度，改善混凝土的性能。另外，科学的选择混凝土原材料、优化混凝土的配和比、防止钢筋锈蚀，提高混凝土的抗冻性，对高性能混凝土耐久性至关重要。参考文献：1 金伟良，赵羽习混凝土结构耐久性研究与展望J浙江大学学报(工学版)，2002(4)：3713792 Neville A MProperties of ConcreteJLongman，1996，503 Mehta PKDurability of

18、 concrete-Fifty years of Progress ACISP一126，1991，1-314 Report of the National Materials Advisory BoardConcrete durability-Amuhibillion dollar opportunityJPublicaton No NMAB-437，National Academy of science，washington DC，1987，945 赵铁军混凝土渗透性M北京：科学出版社，20056 张誉，蒋利学等混凝土结构耐久性概论M上海：上海科学技术出版社，2003 RESEARCH ABOUT THE FACTORS INFLUENCING AND COUNTERMEASRES IN THE DURABILITY OF CONCRETEAbstract: This paper analysized the nowadays current situation of domestic and international durability of concrete, disc