混凝土耐久性问题的成因与机理

1、混凝土耐久性问题的成因与机理混凝土对钢筋的保护机理混凝土由于水泥水化，产生了大量的碱性产物，加上水泥中少量的K2O, Na2O，所以pH值可高达12.513.5。钢筋处于该环境中，表面能形成2001 000 m m厚的水氧化物，组成致密、稳定的钝化膜层，有效保护了混凝土中的钢筋不被锈蚀。当混 凝土中的碱性水化物被溶析，或因碳化降低了混凝土的碱度，钢筋就容易受到侵蚀，当混凝 土的pH值小于11.8时，钢筋表面的钝化层已不稳定，逐渐开始破坏。2.2混凝土中钢筋的腐蚀条件钢筋的锈蚀一般为电化学腐蚀，发生电化学锈蚀必须同时具备以下三个条件：在钢筋表面形成电位差；在阴极部位钢筋表面存在足够的氧气和水；在

2、阳极区，使阳极部位的钢筋表面处于活化状态，即钢筋表面的钝化膜遭到破坏。钢筋锈蚀的电极反应式为：阳极 Fef Fe2+2e阴极 O2 +2H2 O+4ef4OH-阳极表面的二次化学过程为：Fe2+2OH-f Fe(OH)2氢氧化亚铁可进一步氧化生成氢氧化铁4 Fe(OH)2+O2+2H2 Of 4Fe(OH)3在氧气和水汽的共同作用下，钢筋表面不断失去电子而溶于水，从而逐渐被锈蚀，在钢筋表 面生成红锈。2.3造成混凝土结构破坏的主要因素混凝土的中性化(主要是碳化)混凝土的中性化，是指混凝土中的碱性物质与酸性物质进行反应，造成混凝土的pH值降低。 混凝土的碳化，是最主要的中性化作用形式，是指大气中

3、的CO2与混凝土中的Ca(OH)2起化 学反应，生成中性的CaCO3。其结果就是使混凝土碱度降低，从而使钢筋失去钝化层的保护。氯离子的腐蚀氯离子的半径小，穿透能力强，能够加速钢筋腐蚀，对混凝土破坏主要表现在：a.氯离子进 入混凝土并到达钢筋表面，能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋发生局部腐蚀；b.氯离子吸附 并破坏钢筋的局部钝化膜，露出钢筋基体，暴露区与周围钝化膜形成电化学腐蚀。硫酸盐的侵蚀工业生产中排放出大量的SO2气体，SO2和进一步氧化的SO3中和混凝土中的Ca(OH)2,使 混凝土中性化和酸化，混凝土内的钢筋丧失碱性保护而发生腐蚀。氧和水的作用氧参与钢筋腐蚀电化学过程的阴极反应，因而钢筋的

4、腐蚀速度受到水中溶解氧扩散过程的控 制。水不仅可以加速混凝土的碳化，也为钢筋的腐蚀提供了条件。其他的作用影响混凝土耐久性的其他因素还包括冻融交替、干湿交替、微生物、碱-集料反应等。2.4钢筋锈蚀后对结构的影响混凝土中的钢筋锈蚀后，体积膨胀，如果有足够的水分，铁锈的体积可达到钢材体积的7 倍，在缺水的环境下，也至少可以增大1.53倍。这样大的体积增加，使混凝土保护层沿 纵筋出现顺筋开裂，而开裂又进一步加剧了钢筋的锈蚀，如此形成恶性循环，严重时甚至造 成混凝土保护层完全脱落，使钢筋和混凝土之间失去粘结力，混凝土结构构件的受力性能亦 随之迅速下降。3改善耐久性的方法和措施要从根本上改善混凝土的耐久性

5、问题，应该从前期工作阶段开始，就把耐久性当作一项重要 的内容进行考虑，根据出现耐久性问题的原因与机理，提出切实可行的耐久性保证措施，并 将这一部分的费用考虑在内，进行整体方案的选择和最终的施工图设计。对于跨海桥梁，目 前尚未形成可参照的设计规范，可依赖的经验也很少，因此各个地方根据当地情况（主要是 经济方面）采取的措施也相应比较盲目，要么就不采取外部防腐措施，要么就整座跨海大桥 都进行防腐涂装，结果要么就是隐患重重，要么就浪费严重。目前改善混凝土的耐久性可以 通过采取基本措施和附加保护措施来实现。3.1.1有效的防水措施水是影响桥梁耐久性最重要的因素，处理时应注意以排为主，兼顾防水。当在进行结

6、构的选 型和其后的细部设计时，应尽量限制混凝土表面、接缝和密封处积水，加强排水。桥面应作 防水，设置合理的纵、横向坡，要防止雨水顺着梁外侧的翼板、腹板或板梁梁边、梁底漫流 使梁受损，减少结构受潮和溅湿的表面积。在构造上应注意伸缩缝的积水问题，避免伸缩缝 橡胶在长期浸水后的加速老化。3.1.2混凝土材料的选择以往的混凝土桥设计只注重其力学性能，以混凝土的强度为主要衡量指标，忽视耐久性参数 的重要性，使工程结构耐久性有所欠缺。为此，在跨海桥梁设计中，应根据现场实际情况对 混凝土各个参数提出具体要求，使混凝土具有良好的综合性能，应注意以下几方面：（1）控制水泥用量，选用优质水泥。水泥用量过低，强度不

7、易保证；用量过大则水化热增 大，易产生收缩裂缝，且会使含碱量增加，可能导致碱骨料病害。由于跨海桥梁一般跨度较 大，对混凝土强度要求较高，因此水泥用量一般偏大，最好选用高强、低水化热和低碱水泥。（2）降低水灰比。较小的水灰比能够减少混凝土的泌水量，提高其抗渗性和密实度，从而使耐久性也得到提高。可采用高效减水剂，以降 低拌和水量。（3）提高混凝土强度。理论上，混凝土强度越高，耐久性能也越好。但在工程中经常只通 过加大水泥用量来提高强度，这对耐久性影响很大。可结合采用掺入各种外加剂、矿物掺合 料相结合的措施，既提高强度，又不会影响耐久性。（4）减少氯离子含量。可在混凝土中掺入粉煤灰、硅粉等抗腐蚀剂，

8、其抗氯盐侵蚀的耐久 性会大大增加。此外，有些外加剂中可能含有氯离子，使用时应特别注意。（5）降低碱含量。混凝土中的碱离子主要由水泥引入，控制组分碱的引入和掺入混合料如 粉煤灰和硅粉）能有效降低碱含量。表1为我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范（JTG D62-2004）对混凝土耐久性提出的基本要求。（6）选用优质骨料。骨料坚硬、致密无疑有益于混凝土耐久性能的提高，公路桥涵施工技 术规范对粗骨料饱和面干吸水率尚无要求，饱和面干吸水率过大将使混凝土的渗透性提高、 收缩增大、抗冻性能降低，对普通混凝土可按水工规范不大于2.5%，对高性能混凝土宜不 大于1%，以提高混凝土的密实性和抗侵蚀性。

9、高性能混凝土是按耐久性设计的具有高强 度、高抗渗性和优良体积稳定性的混凝土。由于高性能混凝土具有很低的水胶比，致密的结 构，很低的渗透性，因而能抵抗外部侵蚀物质侵入，实现高耐久的目的。因此，在跨海桥梁 中使用高性能混凝土无疑会大大提高桥梁的使用寿命。3.1.3增大保护层厚度我国现行的公路桥涵施工技术规范中，板与梁的保护层最小厚度分别仅为2 cm和3 cm，并 且若考虑钢筋位置的施工误差，实际的保护层厚度甚至可低至1.5 cm，这对长期处于海洋性 环境中的跨海桥梁来说，很难达到防止钢筋锈蚀的目的。前面所述的亚得里亚海沿岸的4 座大型混凝土拱桥就是典型的例子。我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设

10、计规范中采用的保护层最小厚度下限值明显 低于发达国家的规范要求。因此对处于侵蚀性环境下的跨海桥梁，为保证其耐久性，在设计 时必须适当增大保护层的厚度。对于新建的跨海桥梁，混凝土保护层厚度（表2中的1，2 两项）应在65 mm以上。3.2附加保护措施混凝土的耐久性问题归根结底在于钢筋的锈蚀，因此附加保护措施主要是对于钢筋腐蚀进行 防护。主要从两方面着手：一是阻止或延缓侵蚀源的破坏作用；二是通过提高钢筋的防腐性 能，或通过电化学方法提高钢筋的抗腐蚀能力。3.2.1改良混凝土保护层在工程设计中，减轻结构自重是设计人员追求的目标之一，他们不愿意增大保护层厚度，因 为增加了结构自重，对结构的受力又没有丝

11、毫的帮助。此时，采用某些方法来改良混凝土保 护层是不错的选择。通常采用抗渗防水混凝土、聚合物混凝土或者掺入钢筋阻锈剂以对钢筋 进行防护。在混凝土拌和物中直接掺入钢筋阻锈剂，在钢筋表面形成保护膜来抑制电化学反 应。3.2.2混凝土表面防腐涂层混凝土表面防腐涂层（大多采用环氧类涂料）近年来在各国的桥梁工程上获得普遍使用，它能 使混凝土的使用寿命延长1530 a，大大减少了混凝土的维护费用。其原理在于在混凝土基 底的表面上涂覆涂料，待涂料中的溶剂或水分挥发后，各组分之间通过化学反应，在基底表 面形成一层具有一定弹性的防水、防潮、防渗的连续薄膜。因该涂料可形成重量轻、无接缝 的完整防水膜，故特别适用于混凝土结构中形状不规则的复杂表面。混凝土表面涂层按作用 机理分为封闭型和隔离型。工程应用时往往将封闭和隔离作用联合起来使用，其防护效果会 更好。3.2.3钢筋防腐涂层对混凝土中的钢筋采用防腐涂层，这是直接针对钢筋的防腐措施。但是混凝土中的钢筋防腐 涂层要考虑与钢筋的粘结力的因素，目前国外使用较多的是环氧树脂涂层和聚乙烯缩丁醛涂 层。钢筋涂覆层防腐的价格较高，且在施工时很难保证钢筋不受机械损伤，在钢筋涂覆膜遗 漏处或涂覆不好的地方，将留下巨大的隐患