混凝土耐久性研究(馮好濤)

1、影響混凝土耐久性的因素及其對策研究（07級結構工程 馮好濤 ）摘要：通過對國內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、鋼筋銹蝕破壞、混凝土堿集料反應、滲透性等方面論述了影響混凝土結構耐久性的因素，并針對性地提出了預防的措施。關鍵詞：混凝土；耐久性；對策混凝土是土建工程中用途最廣、用量最大的建筑材料之一。近百年來，混凝土在工程實踐中對強度的要求不斷提高。發(fā)達國家越來越多地使用50MPa以上的高強混凝土。為符合可持續(xù)發(fā)展的要求，有些遠見卓識的專家提出混凝土在滿足強度的同時，應具備良好的耐久性和施工和易性。鋼筋混凝土結構結合了鋼筋與混凝土各自的優(yōu)點，造價較低，是基建工程中的首選形

2、式。但是，從混凝土應用至今的150年間，已有大量的鋼筋混凝土結構提前失效，未達到預期的設計年限，究其原因主要有：a)結構設計不當造成的抗力不足；b)使用荷載的不利變化；c)結構的耐久性不足。國內外統(tǒng)計資料表明，因混凝土結構的耐久性而導致的經(jīng)濟損失和不良影響是巨大的，并且耐久性問題已經(jīng)越來越嚴重1 。我國是一個發(fā)展中的大國，正在從事著為世界所矚目的大規(guī)?；窘ㄔO，鑒于我國財力有限，能源短缺，資源不富，因此，既應科學地設計出安全、適用、又耐久的新建工程項目，又應充分地、合理地、安全地延續(xù)利用現(xiàn)有房屋資源和工程設施?？梢姡訌娀炷两Y構耐久性研究，提高設計質量，延長結構使用壽命，已是工程界一個極為重

3、要的現(xiàn)實課題和歷史任務。1 國內外混凝土耐久性現(xiàn)狀混凝土在大壩、橋梁、公路、鐵路、隧道、海港、碼頭、機場、地鐵、工業(yè)及民用建筑等方面均獲得日益廣泛的應用。混凝土耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種環(huán)境因素作用，長期保持完整性和使用性的能力。長期以來，人們一直以為混凝土是一種耐久性優(yōu)良的材料，但隨著時間的推移，混凝土因耐久性不足而過早破壞的工程實例屢見不鮮2，3。據(jù)統(tǒng)計，美國每年用于維修和重建混凝土基礎工程的費用高達3萬億美元。1987年美國國家材料顧問委員會統(tǒng)計：約25萬座混凝土橋梁的橋面板出現(xiàn)了不同程度的破壞，其中部分橋梁僅使用了不到20年，并且這種破壞正以每年35 000座的速度增長4

4、。沙特阿拉伯海濱地區(qū)42座混凝土框架結構耐久性調查結果表明：74的混凝土框架結構都顯示嚴重的鋼筋腐蝕破壞。由于區(qū)域遼闊，各國面臨的嚴重問題嗣在我國不同地區(qū)均有存在。黑龍江低溫建研所對三北地區(qū)的調查表明，處于水位突變區(qū)或受水浸潤的鋼筋混凝土結構，在使用2070年內均因反復凍融而破壞。南京水利科學研究院資料表明，華南、華東海港碼頭和浙東沿海水閘的混凝土結構，處于浪濺區(qū)的梁板底部，由于鋼筋過早銹蝕，發(fā)生順筋開裂、剝落，破壞日益加劇。2 影響混凝土耐久性的因素2.1 混凝土碳化混凝土碳化又稱為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土均有碳化現(xiàn)象。即空氣中的水分和二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組

5、織和性能發(fā)生變化，并導致機能下降的一種很復雜的物理化學過程。混凝土碳化本身對混凝土并無破壞作用，主要危害是因混凝土堿性降低致使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對鋼筋起保護作用的致密氧化膜(鈍化膜)遭到破壞，喪失對鋼筋的保護作用，同時，碳化加劇混凝土的收縮，可能導致混凝土的開裂和結構破壞。所以說，混凝土的碳化與混凝土結構的耐久性密切相關。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孔多孔體。在拌制混凝土時，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

6、細孔的自由水就是導致混凝土遭受凍害的主要因素，閃為水遇冷凍結成冰后會發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內部結構的破壞。當混凝土處于飽水狀態(tài)時，毛細孔中的水結冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態(tài)。這樣使得膠凝孔中的水向毛細孔處滲透，于是在毛細孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。由此可見，處于飽水狀態(tài)的混凝土受凍時，其毛細孔壁同時承受膨脹和滲透兩種壓力5。當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。在反復凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫會互相貫通，其強度也會逐漸減低，最后甚至完全喪失，使混凝土由衷及里遭受破壞。2.3 鋼筋銹蝕破壞因混凝土鋼筋銹蝕而產(chǎn)生的破壞，是鋼筋混凝土耐久性不良最大量的表現(xiàn)形式。鋼筋銹蝕時，銹蝕物的體積膨

7、脹34倍，混凝土就會沿鋼筋方向開裂使保護層剝落，從而進一步加快鋼筋銹蝕速度，結構強度降低，從而導致結構耐久性的降低。鋼筋銹蝕主要有兩個原因：一是混凝土碳化，當二氧化碳和水汽從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內部時，使鋼筋混凝土結構保護層的堿度降低，當碳化達到鋼筋表面時，使鋼筋表面與混凝土粘結生成的氧化鐵薄膜(鋼筋鈍化膜)破壞，生成銹蝕。二是混凝土中氯離子的侵蝕作用，當氯離子滲入到鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，鋼筋表面的鈍化膜被破壞，造成鋼筋銹蝕。2.4 混凝土堿集料反應混凝土堿集料反應被許多專家稱為混凝土的“癌癥”。堿集料反應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)生的化學反應?；钚圆?/p>

8、料主要是Si02和硅酸鹽、碳酸鹽等，堿主要來源于水泥熟料、外加劑。依據(jù)參與反應的巖石種類與反應機理不同，可把混凝土堿集料反應分為三種6：堿硅反應，堿碳酸鹽反應和堿硅酸鹽反應，其中堿硅反應最為常見。堿集料反應產(chǎn)生的堿硅酸鹽等凝膠體遇水膨脹，在混凝土內部產(chǎn)生較大的膨脹應力，從而引起混凝土開裂。混凝土結構一旦發(fā)生堿集料反應出現(xiàn)裂縫后，會加速空氣、水、二氧化碳等侵入，引起混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，又會使裂縫擴大。若在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后又會使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土工程的綜合性破壞。2.5 混凝土的滲透性混凝土的滲透性與耐久性有極其密切的

9、關系。抗?jié)B性是指混凝土抵抗水在混凝土毛細孔向其內部滲透作用的能力，影響滲透的主要因素是水泥內部有毛細管或某些微裂縫所形成的透水通路。這些通路是由于配制混凝土時，為得到一定的施工流動性而多加的水分在混凝土硬化時蒸發(fā)所留下的。通常來說，抗?jié)B性好的混凝土，其密實性高，混凝土的耐久性也較好。這是因為許多有害物質是隨介質滲透到混凝土內部而起破壞作用的。例如凍融損壞、鋼筋銹蝕都是由于水及腐蝕性物質滲入到混凝土內部對混凝土產(chǎn)生破壞作用。提高混凝土的抗?jié)B性，除混凝土本身具有極低的滲透性以外，從實際意義上來說，避免混凝土結構出現(xiàn)裂紋和裂縫是更為重要的。3 提高混凝土耐久性的對策3.1 提高混凝土抗碳化能力 碳化

10、對混凝土結構耐久性影響主要是使混凝土堿度降低，進而鋼筋脫鈍、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層厚度是簡單有效的方法；混凝土配合比將影響碳化速度，此外，提高混凝土密實性、增強抗?jié)B性、足夠的水泥用量、降低水灰比、采用減水劑都可減緩或隔離CO2向混凝土內部滲透，從而有效提高混凝土抗碳化能力。3.2 提高混凝土抗凍融性能 凍融破壞在我國北方寒冷地區(qū)大量出現(xiàn)。提高混凝土的抗凍性就是提高混凝土在水飽和狀態(tài)下承受反復凍融的能力。被飽和的混凝土。遭受凍融作用時，其中的可凍水變成冰。體積增大9。冰在毛細孔中受到約束。就會產(chǎn)生巨大的膨脹壓力使混凝土內部結構疏松，冰融化后結構再不能恢

11、復。使混凝土遭到破壞目前提高混凝土抗凍性的首選方法就是在混凝土里摻入混凝土高效減水劑或引氣劑。摻高效減水劑可以降低水灰比，減少可凍冰的用水量。這樣可以減少因水凍成冰產(chǎn)生的膨脹壓力：引氣劑能容納因混凝土內的水凍成冰而產(chǎn)生的巨大膨脹壓力。但是，由于引入空氣微泡會降低混凝土強度，加之市場上引氣劑品種繁多，質量參差不齊，故在工程使用時應慎重選用。3.3 預防混凝土中鋼筋的銹蝕 對鋼筋銹蝕問題。可以采用的表面保護措施有：環(huán)氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環(huán)氧樹脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹脂防腐涂層，這種鋼筋保護層即使氯離子、氧等大量侵入混凝土時也能長期保護鋼筋使其免遭腐蝕。另外，在混凝土表面涂層也是

12、簡便有效的方法，涂料應是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。還可摻加高效減水劑，在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細孔隙率大幅度降低。還可研究新技術，開發(fā)新產(chǎn)品，如耐銹鋼筋、阻銹鋼筋等。此外，自20世紀6070年代起，國內外都開始在混凝土拌和物中摻人亞硝酸鈉作為預防惡劣條件下鋼筋腐蝕的補充措施。3.4 抑制堿集料反應水泥中的堿與集料中的活性氧化硅發(fā)生化學反應使混凝土產(chǎn)生不均勻膨脹，出現(xiàn)起鼓、裂縫等不良現(xiàn)象稱為堿集料反應。目前已確定含有活性氧化硅礦物質的集料有蛋白石、玉髓、鱗石英、方石英、酸性或中性玻璃體的陰晶質火山巖如流紋巖、

13、安山巖及凝灰?guī)r等。其中蛋白石質的二氧化硅活性最大。堿集料反應的充分條件是水分、水泥的堿性物質含量大于0.6、活性集料同時存在，并且進行很慢 但由此引起的破壞相當嚴重無法修復所以必須防止。為防止堿集料反應可采取如下措施： 選擇非活性集料； 采用含堿量低于0.6的水泥： 降低水灰比。提高混凝土的密實度，防止水分的侵入：在混凝土里加入引氣劑以便為堿集料反應產(chǎn)物的生成， 建立緩沖的孔隙體積，降低膨脹壓力；據(jù)有關試驗。摻活性氧化硅的細粉也能防止堿集料反應的生成； 在滿足強度和施工要求的情況下，盡量降低單方混凝土的水泥用量。3.5 提高混凝土的抗?jié)B性能 提高混凝土的抗?jié)B性混凝土的耐久性與抗?jié)B性有直接的關系

14、?；炷恋臐B透，在很大程度上決定了混凝土易受外界不利因素的侵蝕。因此，為了提高混凝土的耐久性必須首先提高混凝土的抗?jié)B性。3.5.1降低水灰比混凝土由水泥、粗細骨料和水拌制而成。水分蒸發(fā)后形成空隙，一方面影響了骨料與水泥漿體、鋼筋與混凝土的粘結力，降低了混凝土的密實度和強度。另一方面，這些連通孔道也成為外界液體、有害氣體侵入混凝土內部的捷徑。所以在拌制混凝土時，在滿足技術和施工要求的情況下，應盡量降低水灰比，減少用水量，增加密實度，以提高混凝土的抗?jié)B性。3.5.2摻外加劑摻用外加劑是改善混凝土性能的最好方法。一是摻引氣型的減水劑、引氣型的減水劑一方面使混凝土內部產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定、互不相通的微小氣泡

15、， 阻止液體滲透；另一方面也可大大減少混凝土的用水量，提高了混凝土的密實度。二是摻用抗?jié)B劑，抗?jié)B劑在混凝土內形成膠體絡合物，填充、堵塞了混凝土內部的毛細孔縫，從而提高混凝土的密實度。三是摻膨脹劑，通過摻膨脹劑發(fā)生化學反應，使混凝土產(chǎn)生膨脹，在外力的約束下，增加混凝土的密實度。3.5.3選擇合適的材料 水泥標號一般不低于425"：細骨料要求選用顆粒均勻、圓滑、質地堅硬的河砂中平均粒徑為04mm左右的中砂，含泥量小于3 ，并含適量的粉砂：選擇粗骨料最大粒徑要合理，除大體積外，一般情況下530mm為宜，最大粒徑不超過40mm，含泥量不超過l 。要求組織細密，顆粒整齊，質地堅硬，另外級配要優(yōu)

16、良，以改善混凝土的和易性。3.5.4加強養(yǎng)護如早期養(yǎng)護不好，水泥得不到正常水化，會降低混凝土的密實度，繼而影響抗?jié)B性。所以一定要加強混凝土的早期濕潤養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不得少于14d。4 結語 混凝土的耐久性是混凝土經(jīng)濟性能的最重要影響因素。耐久性優(yōu)異的混凝土使用壽命可達百年以上，甚至可以達到500年，是普通混凝土的310倍。提高混凝土的耐久性技術手段是使用新型高效外加劑和超細活性礦物質摻合料。前者能降低混凝土的水灰比、增長坍落度和控制坍落度損失，給混凝土賦予高的密實度和優(yōu)異的施工性能；后者是通過摻加磨細火山灰質材料微硅粉、磨細礦渣或粉煤灰來填充膠凝材料的空隙，有效降低孔隙尺寸和阻斷毛細孔，參與膠凝

17、材料的水化反應，大幅度提高混凝土的抗?jié)B性，降低氯離子在混凝土中的滲透速率，延遲腐蝕的開始和降低腐蝕開始后的速率，減輕氯離子滲透對鋼筋的危害，提高混凝土的抗化學侵蝕性及避免發(fā)生堿骨料發(fā)應，提高混凝土的耐久性和強度，改善混凝土的性能。另外，科學的選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土的配和比、防止鋼筋銹蝕，提高混凝土的抗凍性，對高性能混凝土耐久性至關重要。參考文獻：1 金偉良，趙羽習混凝土結構耐久性研究與展望J浙江大學學報(工學版)，2002(4)：3713792 Neville A MProperties of ConcreteJLongman，1996，503 Mehta PKDurability of

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