淺談鋼筋混凝土耐久性的影響因素及對(duì)策
2006-09-19 00:00
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摘要：混凝土結(jié)構(gòu)是應(yīng)用非常廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，但是由于其結(jié)構(gòu)自身和使用環(huán)境的特點(diǎn)，使得混凝土存在嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼筋混凝土工程耐久性現(xiàn)狀的介紹，從混凝土的碳化、凍融破壞、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕、混凝土堿集料反應(yīng)、鋼筋銹蝕等方面論述了影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素及其對(duì)混凝土的破壞機(jī)理，并針對(duì)性地提出了預(yù)防的措施。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；耐久性；影響因素
長(zhǎng)期以來(lái)，混凝土作為土建工程中用途最廣，用量最大的建筑材料之一，在近百年的發(fā)展中，其強(qiáng)度不斷提高。但是，在提出高強(qiáng)度的同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題也愈來(lái)愈被人們所關(guān)注。
人們一直以為混凝土是非常耐久的材料，直到20世紀(jì)70年代末期，發(fā)達(dá)國(guó)家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過(guò)早損壞。美國(guó)許多城市的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程和港口工程建成后20~30年，甚至在更短的時(shí)期內(nèi)就出現(xiàn)劣化。
我國(guó)建設(shè)部的一項(xiàng)調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25~30年后即需大修，處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對(duì)較好，一般可維持50 年以上，但室外的陽(yáng)臺(tái)、雨罩等露天構(gòu)件的使用壽命通常僅有30~40年。橋梁、港口等基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性問(wèn)題更為嚴(yán)重，由于鋼筋的混凝土保護(hù)層過(guò)薄且密實(shí)性差，許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂。海港碼頭一般使用10年左右就因混凝土順筋開(kāi)裂和剝落，需要大修。
當(dāng)前，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模宏大，投入資金每年高達(dá)2萬(wàn)億元人民幣以上，約30~50 年后，這些工程將進(jìn)入維修期，所需的維修費(fèi)或重建費(fèi)用將更為巨大。有專(zhuān)家估計(jì)，我國(guó)“大干”基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的高潮還可延續(xù)20年，由于忽視耐久性問(wèn)題，迎接我們的還會(huì)有“大修”20 年的高潮，這個(gè)高潮可能不用很久就將到來(lái)，其耗費(fèi)將倍增于當(dāng)初這些工程施工建設(shè)時(shí)的投資。因此，提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)工程使用壽命，盡量減少維修重建費(fèi)用是建筑行業(yè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵。
1 影響鋼筋混凝土耐久性的因素及其破壞機(jī)理
1.1 混凝土耐久性的概念
混凝土耐久性是指混凝土在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，在正常維護(hù)下，必須保持適合于使用，而不需要進(jìn)行維修加固，即指混凝土在抵抗周?chē)h(huán)境中各種物理和化學(xué)作用下，仍能保持原有性能的能力?；炷凉こ痰哪途眯耘c工程的使用壽命相聯(lián)系，是使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)保持正常功能的能力，這一正常功能不僅僅包括結(jié)構(gòu)的安全性，而且更多地體現(xiàn)在適用性上。混凝土耐久性主要包括以下幾方面：一是抗?jié)B性。即指混凝土抵抗水、油等液體在壓力作用下滲透的性能?？?jié)B性對(duì)混凝土的耐久性起著重要的作用，因?yàn)榭節(jié)B性控制著水分滲入的速率，這些水可能含有侵蝕性的化合物，同時(shí)控制混凝土受熱或受冷時(shí)水的移動(dòng)。二是抗凍性?；炷恋目箖鲂允侵富炷猎陲査疇顟B(tài)下，經(jīng)受多次抵抗凍融循環(huán)作用，能保持強(qiáng)度和外觀性的能力。在寒冷地區(qū)，尤其是在接觸水又受凍的環(huán)境下的混凝土，要求具有較高的抗凍性能。三是抗侵蝕性。混凝土暴露在有化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境和介質(zhì)中，有可能遭受化學(xué)侵蝕而破壞。一般的化學(xué)侵蝕有水泥漿體組分的浸出、硫酸鹽侵蝕、氯化物侵蝕、碳化等。四是堿集料反應(yīng)。某些含有活性組分的骨料與水泥水化析出的KOH和NaOH 相互作用，對(duì)混凝土產(chǎn)生破壞性膨脹，是影響混凝土耐久性最主要的因素之一。
1.2 影響混凝土耐久性的主要因素
一般混凝土工程的使用年限約為50~100年，但實(shí)際中有不少工程在使用10~20年，有的甚至在使用幾年后即需要維修，這就是由于混凝土耐久性低（不足）造成的。影響混凝土耐久性的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，除去社會(huì)因素、人為因素外，技術(shù)方面的主要因素有以下幾點(diǎn)。
1.2.2 混凝土的碳化
混凝土的碳化又稱(chēng)為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過(guò)程中。它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程?；炷撂蓟旧韺?duì)混凝土并無(wú)破壞使用，其主要危害是由于混凝土堿性降低使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對(duì)鋼筋起保護(hù)作用的致密氧化膜8 鈍化膜9 遭到破壞，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，使混凝土中鋼筋銹蝕，同時(shí)，混凝土的碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。所以說(shuō)，混凝土的碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的重要指標(biāo)。
1.2.2 混凝土的凍融破壞
混凝土是由水泥砂漿和粗骨料組成的毛細(xì)孔多孔體。在拌制混凝土?xí)r，為了得到必要的和易性，加入的拌和用水總要多于水泥的水化水，這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中形成連通的毛細(xì)孔，并占有一定的體積，另外，還有一些水泥水化后形成的膠凝孔。這種毛細(xì)孔的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要因素，因?yàn)樗隼鋬鼋Y(jié)成冰后會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)混凝土處于飽水狀態(tài)時(shí)，毛細(xì)孔中的水結(jié)冰，膠凝孔中的水處于過(guò)冷狀態(tài)，這樣使得膠凝孔中的水向毛細(xì)孔中冰的界面處滲透，于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。此外，膠凝孔向毛細(xì)孔滲透的結(jié)果必然使毛細(xì)孔中冰的體積進(jìn)一步膨脹。由此可見(jiàn)，處于飽水狀態(tài)的混凝土受凍時(shí)，其毛細(xì)孔壁同時(shí)承受膨脹和滲透兩種壓力。當(dāng)這兩種壓力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開(kāi)裂。在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫會(huì)互相貫通，其強(qiáng)度也會(huì)逐漸減低，最后甚至完全喪失，使混凝土由表及里遭受破壞。
1.2.3 侵蝕性介質(zhì)的腐蝕
在各種侵蝕性介質(zhì)如酸、堿溶液等作用的環(huán)境下，侵蝕性介質(zhì)對(duì)混凝土產(chǎn)生腐蝕，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
在冬季，為保證公路交通的暢通，道路養(yǎng)護(hù)人員向道路、橋梁及城市立交橋等撒鹽或鹽水，以化雪和放冰，這使得氯離子進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。在混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命期間可能遇到的各種暴露條件中，氯化物是最危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，應(yīng)引起高度重視。氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機(jī)理，一是破壞鈍化膜，氯離子進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處時(shí)，使該處呈酸性，從而破壞了鋼筋表面的鈍化膜；二是形成腐蝕電池，腐蝕電池作用的結(jié)果使得鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑，且蝕坑發(fā)展十分迅速；三是去極化作用，氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用，即凡是進(jìn)入混凝土中的氯離子，會(huì)周而復(fù)始地起到破壞作用，這也是氯離子危害的特點(diǎn)之一。
1.2.4 混凝土堿集料反應(yīng)
混凝土堿集料反應(yīng)被許多專(zhuān)家稱(chēng)為混凝土的“癌癥”。堿集料反應(yīng)是指混凝土集料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。堿主要來(lái)源于水泥熟料、外加劑，集料中活性材料主要是SiO2和硅酸鹽、碳酸鹽等。
混凝土堿集料反應(yīng)分為3種：堿—硅反應(yīng)，堿—碳酸鹽反應(yīng)和堿—硅酸鹽反應(yīng)。其中堿—硅反應(yīng)最為常見(jiàn)。堿集料反應(yīng)產(chǎn)生的堿—硅酸鹽等凝膠遇水膨脹，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，從而引起混凝土開(kāi)裂?；炷良显诨炷林谐示鶆蚍植?，故裂縫首先在混凝土表面無(wú)序、大量產(chǎn)生，隨后將加速其他因素的破壞作用而使混凝土耐久性迅速降低。
引起堿集料反應(yīng)的3個(gè)條件中有2個(gè)來(lái)自混凝土內(nèi)部，一是混凝土中摻入了一定數(shù)量的堿性物質(zhì)，或者混凝土處于有利于堿滲入的環(huán)境；二是集料中有一定數(shù)量的堿活性骨料（如含SiO2的骨料） ；三是潮濕環(huán)境，可以提供反應(yīng)物吸水膨脹所需要的水分。在干燥條件下堿集料反應(yīng)難以發(fā)生。
混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)破壞的特征：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物；而內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿—集料、內(nèi)部裂縫、堿含量等?；炷两Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿集料反應(yīng)出現(xiàn)裂縫后，會(huì)加速混凝土的其他破壞，空氣、水、二氧化碳等侵入，會(huì)使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠(yuǎn)大于鋼筋原來(lái)的體積，又會(huì)使裂縫擴(kuò)大。若在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后又會(huì)使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土工程的綜合性破壞。
1.2.5 鋼筋銹蝕
混凝土在一種或多種外界作用下，材料的耐久性能會(huì)發(fā)生衰退，逐漸降低了對(duì)其內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用。當(dāng)鋼筋外面的混凝土中性化或出現(xiàn)開(kāi)裂等情況時(shí)，鋼筋失去了堿性混凝土的保護(hù)，鈍化膜破壞并開(kāi)始銹蝕。銹蝕的鋼筋不但截面積有所損失，材料的各項(xiàng)性能也會(huì)發(fā)生衰退，從而影響混凝土構(gòu)件的承載能力和使用性能。鋼筋銹蝕也是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的最主要和最直接的因素。
混凝土中的鋼筋銹蝕一般是電化學(xué)銹蝕。電化反應(yīng)的必要條件是鋼筋表面呈活化狀態(tài)且同時(shí)存在水和CL- ?；炷帘Ｗo(hù)層碳化導(dǎo)致堿度降低是使鋼筋表面活化的主要因素，CL- 侵入也可使鋼筋表面鈍化膜迅速破壞。
根據(jù)鋼筋銹蝕區(qū)的分布將鋼筋銹蝕分為兩類(lèi)：其一，裂縫處銹蝕。構(gòu)件混凝土表面可能由于荷載作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫，或因干縮、濕度應(yīng)力、碳化、堿集料反應(yīng)等產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫。當(dāng)環(huán)境中的水、氧、CL-沿裂縫侵入時(shí)，造成裂縫處的鋼筋產(chǎn)生銹蝕。其二，普遍銹蝕。當(dāng)混凝土碳化至鋼筋表面時(shí)，一旦存在水、氧、CL- 等條件時(shí)，首先在裂縫處出現(xiàn)鋼筋坑蝕，進(jìn)而發(fā)展為鋼筋橫向的環(huán)狀銹蝕，最終沿鋼筋縱向擴(kuò)展為片狀銹蝕。成片的銹蝕因其體積膨脹導(dǎo)致混凝土沿鋼筋布置方向發(fā)生混凝土保護(hù)層裂縫。
2 提高混凝土耐久性的措施
如前分析，不論是上述哪一種因素主導(dǎo)著混凝土的劣化過(guò)程，其共同點(diǎn)是混凝土內(nèi)有充足的水分和其他有害物質(zhì)的侵入。要提高混凝土耐久性，滿(mǎn)足耐久性要求，必須降低混凝土的孔隙率，特別是降低毛細(xì)管孔隙率，即混凝土必須有足夠的密實(shí)性并且不出現(xiàn)有害裂縫，從而能夠抵抗水分和侵蝕性介質(zhì)的滲入。
針對(duì)影響混凝土耐久性的因素，采取的措施多種多樣，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：
?。?） 提高混凝土抗碳化能力。碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響主要是使混凝土堿度降低，進(jìn)而鋼筋脫鈍、銹蝕。為此必須減小、延緩混凝土的碳化。鋼筋外留下足夠的混凝土保護(hù)層厚度是簡(jiǎn)單有效的方法；混凝土配合比將影響碳化速度，足夠的水泥用量、降低水灰比、采用減水劑都可減緩碳化速度。此外，提高混凝土密實(shí)性、增強(qiáng)抗?jié)B性、對(duì)混凝土采用覆蓋面層等措施可減緩或隔離CO2向混凝土內(nèi)部滲透，大大提高混凝土抗碳化能力。
?。?） 防止混凝土的凍融破壞。凍融破壞在我國(guó)北方寒冷地區(qū)大量出現(xiàn)。防止凍融破壞主要措施是降低水灰比、使用引氣技術(shù)（加引氣劑） 。但是，由于引入空氣微泡會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，加之市場(chǎng)上引氣劑品種繁多，質(zhì)量參差不齊，故在工程使用時(shí)應(yīng)慎重選用。
（3） 預(yù)防侵蝕性介質(zhì)的腐蝕。在我國(guó)侵蝕性介質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)危害最嚴(yán)重的應(yīng)是氯鹽的影響。提高混凝土抗氯離子滲透能力的措施是限制水灰比，保證最低水泥用量以確保堿度，摻入適量?jī)?yōu)質(zhì)摻和料（ 粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰）等。
（4） 減輕混凝土堿集料反應(yīng)。混凝土堿集料反應(yīng)危害很大，而且一旦發(fā)生很難修復(fù)。但在我國(guó)由于堿集料反應(yīng)引起開(kāi)裂的實(shí)例很少見(jiàn)。這是因?yàn)槲覈?guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較國(guó)外低，水泥用量少，總堿量低。另外，我國(guó)水泥中普遍摻有15%以上碎礦渣、粉煤灰、沸石粉等混合料，有效抑制了可能發(fā)生的堿集料反應(yīng)。但隨著混凝土強(qiáng)度提高，水泥用量增加，同時(shí)水泥生產(chǎn)工藝的改變，混凝土含堿量已在明顯提高。由于大量基建項(xiàng)目的興建，骨料來(lái)源減少，劣質(zhì)骨料可能被采用，施工隊(duì)伍素質(zhì)等問(wèn)題也將提高堿集料反應(yīng)幾率，故應(yīng)采取有效預(yù)防措施。當(dāng)混凝土使用有堿活性反應(yīng)的骨料時(shí)，配合比必須控制混凝土中的總堿含量以保證混凝土的耐久性；粉煤灰能抑制堿集料反應(yīng)，但是如摻量小于10% ，有時(shí)反而會(huì)增加膨脹。外加劑特別是早強(qiáng)劑帶來(lái)高含量的堿。我國(guó)目前僅外加劑提供的堿量有時(shí)竟高于國(guó)外限制混凝土總堿量，如復(fù)合早強(qiáng)劑（ 硫酸鈉、氧化鈉、氧化鈣、亞硝酸鈉為主要成分） 帶入混凝土的堿為3．13kg/m3~6．80kg/m3，早強(qiáng)減水劑（硫酸鈉、木質(zhì)素為主要成分） 帶入堿為1．31kg/m3~3．93kg/m3。目前，混凝土施工常因工期要求摻入早強(qiáng)劑等外加劑，為預(yù)防堿集料反應(yīng)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)外摻劑的使用提出要求。
（5） 鋼筋銹蝕的預(yù)防。對(duì)鋼筋銹蝕問(wèn)題，可以采用的表面保護(hù)措施有：環(huán)氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環(huán)氧樹(shù)脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂層，這種鋼筋保護(hù)層即使氯離子、氧等大量侵入混凝土?xí)r也能長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋使其免遭腐蝕。另外，在混凝土表面涂層也是簡(jiǎn)便有效的方法，涂料應(yīng)是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。此外，自20世紀(jì)60~70年代起，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始在混凝土拌和物中摻入亞硝酸鈉作為預(yù)防惡劣條件下鋼筋腐蝕的補(bǔ)充措施。
另外，還可摻加高效減水劑，在保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性（工作性）的同時(shí)，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細(xì)孔隙率大幅度降低。摻入高效活性礦物摻料，如硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，有效地阻斷可能形成的滲透通道，提高混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土自身抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力等。
3 結(jié)語(yǔ)
目前，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題已十分嚴(yán)重，這應(yīng)該引起每一名從業(yè)人員的高度重視。從設(shè)計(jì)方面，應(yīng)進(jìn)一步明確使用年限，針對(duì)影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，結(jié)合工程具體情況，采取相應(yīng)的措施。為保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，還應(yīng)對(duì)施工提出詳細(xì)要求。同時(shí)，應(yīng)該大量使用新技術(shù)、新成果來(lái)改善、提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)混凝土工程的使用壽命。另外，作為提供給用戶(hù)的產(chǎn)品，明確正常使用方法、日常維護(hù)內(nèi)容也是必需的。 |
| 原作者： 張廣義 |
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