混凝土结构耐久性探析

　　摘要：本文从工程角度分析了混凝土耐久性问题，并总结了提高混凝土耐久性的几点措施

　　关键词：耐久性 碱-集料反应 腐蚀 高性能砼

　　1 混凝土工程中的耐久性问题

　　强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标,因以往工程中习惯上只重视混凝土的强度，或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性。混凝土的耐久性是使用期内结构保证正常功能的能力，关系结构物的使用寿命，随着结构物老化和环境污染的加重，混凝土耐久性问题已引起了各主管部门和广大设计，施工部门的重视。

　　曾有调查表明，国内大多数工业建筑在使用25-30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15-20年，桥梁，港口等基础设施工程尤其严重。许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀，混凝土开裂。有专家指出，我国大干基础设施工程建设的高潮还需延续，而由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有大修的高潮，其耗费将倍增于工程建设时的投资。而其原因却往往是由于混凝土耐久性不足引起的。

　　2 混凝土结构耐久性问题的分析

　　混凝土耐久性问题，是指结构在所使用的环境下，由于内部原因或外部原因引起结构的长期演变，最终使混凝土丧失使用能力。即所为的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，有抗冻失效，碱-集料反应失效，化学腐蚀失效，钢筋锈蚀造成结构破坏等。下面作具体分析。

　　2.1 混凝土的冻融破坏

　　当结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混凝土的破坏。混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。

　　混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。

　　影响混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括：混凝土的饱和度，水灰比，混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等。

　　2.2 混凝土的碱-集料反应

　　混凝土的碱-集料反应，是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，甚至破坏。因反应的因素在混凝土内部，其危害作用往往是不能根冶的，是混凝土工程中的一大隐患。许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝，桥梁，海堤和学校，造成巨大损失，国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道,一些立交桥,铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏.
混凝土碱-集料反应需具备三个条件，即有相当数量的碱,相应的活性集料，水份。反应通常有三种类型：碱-硅酸反应，碱-碳酸盐反应，慢膨胀型碱-硅酸盐反应，避免碱-集料反应的方法可采用：一，尽量避免采用活性集料；二，限制混凝土的碱含量；三，掺用混合材。

　　2.3 化学侵蚀

　　当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学，物理与物化变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀，一般酸性水腐蚀，碳酸腐蚀，硫酸盐腐蚀,镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷，会溶解水泥石中的组分，使水泥石孔隙增加，密实度降低，从而进一步造成对水泥石的破坏；研究表明，当水泥石中的氧化钙溶出5%时，强度下降7%，当溶出24%时，强度下降29%，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响；而当水中溶有一些酸类时，水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂；碳酸对混凝土的影响主要为：在溶淅水泥石的同时，破坏混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，造成对混凝土的侵蚀；硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应，生成物体积膨胀开裂造成损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。

　　2.4 钢筋的锈蚀

　　钢筋的锈蚀，其一表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等即铁锈，其体积比原金属增大2-4倍，造成混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。氢氧化铁在强碱溶液中会形成稳定的保护层，阻止钢筋的锈蚀，但碱环境被破坏或减弱，则会造成钢筋的锈蚀，如混凝土的碳化或中性化。造成混凝土碳化和中性化的原因，主要是混凝土的密实度即抗渗性不足，酸性气体(如CO2,SO2,H2S,HCL,NO2)渗入混凝土内与氢氧化钙作用；其二，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，而水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件，因此，若混凝土开裂，造成水和氧的通道，则钢筋锈蚀加速，促成混凝土裂缝进一步开展，混凝土保护层剥落，最终使构件失去承载力；其三，钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂，这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏；其四，钢筋的氢脆现象，即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂，钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气，当钢筋内部存在缺陷，氢以原子形式渗入钢筋内部并生成氢分子时，会产生很大压力，出现鼓泡现象，使钢筋脆化。

　　提高混凝土耐久性的措施

　　从上述分析可知，混凝土的外部环境，内部孔结构，原料，密实度和抗渗性是混凝土耐久性能的重要因素．因此，工程中应根据具体情况，有针对性地采取相应措施，提高混凝土的耐久性。

　　3.1 原材料的选择

　　(1)水泥 水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结，硬化形成的，水泥石一旦受损，混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性，抗水性，抗腐蚀性，抗冻性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。水泥强度并非是决定混凝土强度和性能的唯一标准，如用较低标号水泥同样可以配制高标号混凝土。因此，工程中选择水泥强度的同时，需考虑其工程性能，有时，其工程性能比强度更重要。

　　(2)集料与掺合料 集料的选择应考虑其碱活性，防止碱集料反应造成的危害，集料的耐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密实度；大量研究表明了掺粉煤灰，矿渣，硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能，改善混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度，高掺量混凝土还能抑制碱集料反应，因而掺混合材混凝土，是提高混凝土耐久性的有效措施。即近年来发展的高性能混凝土。

　　3.2 混凝土的设计应考虑耐久的要求

　　混凝土配比的设计 配合比设计在满足混凝土强度，工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少收缩裂缝，提高密实度，采用合理的减水剂和引气剂，改善混凝土内部结构，掺入足量的混合料，提高混凝土耐久性能。
　　
　　结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度，预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。

　　结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。

　　结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度。

　　3.3 混凝土工程施工应考虑结构耐久性

　　混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法，裹砂法,裹砂石法等工艺，提高混凝土拌合料的和易性，保水性，提高混凝土强度，减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝，收缩裂缝，施工裂缝，建立混凝土的浇筑振捣制度，提高混凝土密实度和抗渗性，重视混凝土振捣后的表面工序，并加强养护，以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝，施工裂缝至关重要，应加强施工质量管理，特殊季节施工的混凝土结构，尚应采取特殊措施。

　　3.4 结构的日常维护

　　结构在使用阶段，应注意检测，维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此，建立检测和评估体系，及时发现，及时修理，确保混凝土结构的正常使用。

　　参考文献

　　1,《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-95 ---著译:中华人民共和国化学工业部 第一版 1995年12月版,中国计划出版社 内容4,结构 5,建筑防护

　　2,《混凝土结构的耐久性与寿命预测》----牛荻涛著 科学出版社 北京 2003年 2月第一版 ISBN7-03-010793-4

　　3,《混凝土结构耐久性》---金伟良 赵羽习著 科学出版社 北京 2002年9 月第一版 ISBN7-03-010748-9

　　4,《混凝土结构的耐久性设计方法》----陈肇元 编 《建筑技术》杂志2003年第五期 2003 VOL.34 NO.5

　　5,《大气环境条件下混凝土中钢筋的锈蚀》----徐善华著《建筑技术》杂志2003年第四期 2003 VOL.34 NO.4

　　6,《建筑混凝土》----张承志主编 化学工业出版社 材料科学与工程出版中心2003年5月第一版 ISBN7-5025-3157-2/TU.5