混凝土耐久性的影响因素及防护途径

0引言

随着水泥与混凝土生产技术与研究水平的不断发展，混凝土

的使用范围和用量日益扩大。目前，混凝土已成为世界上用量最

大的人造材料之一。传统观念认为，混凝土结构既有保护层，又

不会有锈了蚀问题产生，故而是最具耐久性的材料，从而忽视混

凝土耐久性的问题。实际上，混凝土结构在使用过程中会受到外

界环境如温度、湿度、降水、冰冻以及各种有害介质的侵蚀，特

别是在环境与荷载的复合影响下，材料和结构的性能很容易随时

间下降，甚至会出现顺筋开裂和剥落的现象。1978年美国国家

材料委员会提交的报告引起了巨大的轰动:在约25.3万座以混凝

土结构为桥板面的桥梁中，其中有些使用了还不到20年就已经发

生了不同程度的破坏，而且遭破坏桥梁的数量还在以每年3.5万

座的速度增加。调查研究表明，我国的大部分工业建筑物在使用

25〜30年时，就需要大幅度修整，在严酷环境中，混凝土结构

建筑物的使用寿命仅达15〜20年。对于沿海地区的基础设施工

程，由于氯离子等的侵蚀作用，一般工程建成后几年内就会发生

钢筋锈蚀开裂等现象，进而严重影响混凝土结构的使用寿命。

在混凝土结构的整个服役过程中一直伴随着耐久性问

题，这些问题不仅会造成巨大的经济损失，还可能造成重大安

全事故。美国学者著名的“五倍定律”可以形象的解释混凝土结

构耐久性的重要

性，即设计时，若为了节省1美元而对钢筋防护不当，当钢筋

锈蚀时就会多追加5美元的修护费用，混凝土开裂时需多追加维

修费25美元，严重破坏时需多追加125美元的维护费。正是因

为这一可怕的放大效应，采取有效的防护措施提高混凝土结构的

耐久性及延长建筑工程的服役寿命、尽量减少维护重建费用才是

建筑领域实现可持续发展战略的核心。

1影响混凝土结构耐久性的因素

混凝土结构中的微裂缝和孔隙结构是导致混凝土劣化的初因,

孔结构和微裂缝为溶解在混凝土结构中的有害介质提供了迁移通

道，这种迁移导致混凝土产生物理化学方面的劣化和钢筋锈蚀，

从而降低了混凝土的耐久性。影响混凝土结构耐久性的因素错综

复杂，主要包括以下几个方面。

1.1冻融破坏

混凝土结构内部的孔结构、气泡含量、水饱和程度、受冻龄

期等因素都会对混凝土耐久性造成影响。由于混凝土由水泥砂浆

和粗骨料组成，内部存在较多的孔隙结构，是典型的毛细孔多孔

体。混凝土中的孔隙结构包括凝胶孔，毛细孔以及非毛细孔。

在配置混凝土的过程中，随着水泥水化反应的进行，形成凝胶孔，

多余的水游离在混凝土中形成连通的毛细孔，它们都在混凝土结

构内部占据一定的体积。在温度很低的情况下，毛细孔中的自由

水冻结成冰使混凝土发生体积膨胀，使混泥土结构发生劣化。当

处于饱和水状态时，由于毛细孔中的自由水已经冻结成冰，此时

凝胶孔中处于过冷状态的水由于其蒸气压高而向毛细孔中冰的过

渡区渗透，这种现象使毛细孔中产生渗透压力，冰的体积也进一

步增大。此时由于毛细管壁同时承受着渗透压和膨胀压，当压力

超过抗拉强度时，就会对混凝土内部结构造成严重破坏，使混凝

土的耐久性下降。一般来说，经常处于干湿交替变化下的混凝土

受冻时极易遭到破坏，反复的冻融循环会使混凝土中的微裂缝相

互连接，加速混凝土结构的开裂、剥落，并由表层逐步深入。

1.2混凝土的碳化

碳化是混凝土结构中最常见的中性化过程，它是指大气环境

中的CO?与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土pH值下降

的过程。碳化本身对混凝土耐久性的直接影响并不大，但混凝土

碳化增加了不可逆收缩的数量，使混凝土表面容易产生裂缝。

碳化的主要危害是使混凝土的护筋性下降，破坏了碱性环境

下在钢筋表面生成的Fe(0H)2层，破坏了混凝土对钢筋的保护，

加速钢筋锈蚀速度。因此，提高混凝土的抗碳化能力对延长混凝

土结构的寿命具有十分重要的意义。

1.3碱.骨料反应

碱-骨料的反应速度非常缓慢，很难发现，但是一经发生很难

阻止，不易修复，被称为混凝土的“癌症”。碱■骨料反应可以引

起混凝土结构明显的体积膨胀和开裂，使混凝土强度明显下降，

严重影响混凝土结构的安全性。研究表明，碱-骨料反应破坏发生

的速度很慢，但比其他耐久性破坏的速度迅速。混凝土在骨料间

对混凝土结构耐久性破坏最为严重的形式之一，对钢筋锈蚀的研

究和预防显得尤为重要。

2提高混凝土结构耐久性的途径

近年来，由于基础设施建设规模宏大，混凝土用量也在不断

增加，在混凝土设计中提高混凝土耐久性可以显著提高工程质量

和经济效益。混凝土耐久性贯穿于混凝土结构配合比设计、原材

料的选择、施工和运行管理的整个进程，根据影响混凝土耐久性

的因素和机理，可以通过以下途径提高混凝土的耐久性：1）采

用高性能优质水泥和颗粒级配良好的骨料，可以降低混凝土中的

碱含量、氯离子等有害组分的含量；2）在配制过程中添加高效减

水剂和矿物掺和料，降低水胶比，从而使孔结构得到改善，提高

混凝土结构的密实度，减少有害介质的侵蚀；3）使用膨胀剂，渗

透性模板以及采用合理的配筋比来提高混凝土材料的自密性，控

制混凝土保护层的开裂，提高混凝土结构的耐久性；4）在混凝土

的表面进行涂层处理和表面防水处理，可以有效阻止水分子和氯

离子等侵蚀介质对钢筋和混凝土的损伤，从而提高混凝土结构的

耐久性；5）安装耐久性监测系统，对局部材料的缺陷及其他不可

预见的突发性因素进行长期监控，可及时采取保护和修护措施，

防止进一步破坏的产生；6）严格把控施工质量，加强混凝土结构

现场养护，根据不同环境的需要确定养护龄期和拆模时间，在混

凝土施工缝处设置多重防水，进而提高混凝土耐久性，确保达到

设计使用年限。

3结语

混凝土结构耐久性主要受抗冻性、抗侵蚀性、碳化反应、碱

骨料反应和钢筋锈蚀作用的影响