混凝土研究現(xiàn)狀

混凝土耐久性研究現(xiàn)狀一、概述水泥混凝土以其原材料易得、易澆注成型、適應性強、性價比高、綜合能耗低等優(yōu)點而成為當今世界上應用最廣泛、用量最大的建筑材料。盡管現(xiàn)代材料科學發(fā)展日新月異,但仍然沒有科學家能預言可替代水泥混凝土的建筑材料新品種。從20世紀30—40年代開始,西方國家出于戰(zhàn)后重建、工業(yè)化、城市化以及能源開發(fā)的需要，用混凝土修建了大量的基礎設施,混凝土用量持續(xù)增長。之后，發(fā)展中國家經(jīng)濟的強勁增長進一步助推了混凝土用量的迅猛增長[1]然而從混凝土運用到實際工程的這100多年里，許多混凝土結(jié)構(gòu)并無法達到設計師預估的服役年限，很多提前就已經(jīng)失效了。這其中有些是由于設計抗力能力不足導致，有的是由于使用荷載連續(xù)不利變化造成的，但更多的是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足而造成的。特別是沿海及近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于海洋中鹽類對混凝土的腐蝕，尤其是對鋼筋的銹蝕而造成結(jié)構(gòu)的提早損壞，從而喪失了耐久性。早期損壞的結(jié)構(gòu)需要花費大量的人力物力進行維修加固，甚至會造成有關安全性的重大問題。據(jù)國內(nèi)外記載的資料可知，因為混凝土耐久性不足而造成的經(jīng)濟損失是在混凝土所有破壞中占比最大的，遠超過了人們對它的預估，國外學者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計的重要性，即設計階段對鋼筋防護方面節(jié)省1美元，那么就意味著發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時，采取措施將追加維修費5美元?；炷帘砻骓樈铋_裂時采取措施將追加維修費25美元，嚴重破壞時采取措施將追加維修費125美元。所以對于土木工程研究者來說，混凝土的耐久性研究應是重中之重。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀混凝土的耐久性貫穿混凝土結(jié)構(gòu)設計、材料選擇、施工和運行管理的全過程。研究混凝土的耐久性不能脫離結(jié)構(gòu)型式、應力狀態(tài)、環(huán)境條件(包括大環(huán)境和局部環(huán)境)。根據(jù)研究對象可分為材料層次、構(gòu)件層次和結(jié)構(gòu)層次。材料層次的研究重點是劣化機理、防劣化技術(shù)措施、評定標準和劣化狀態(tài)識別等;結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)層次的研究更注重劣化對結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)層次承載力和安全性的影響評價(健康診斷)、極限狀態(tài)判斷、使用壽命預測修復補救措施等。根據(jù)造成混凝土劣化的主導因素和機理,混凝土耐久性問題研究主要集中在以下4個方面:(1)鋼筋銹蝕:氯鹽腐蝕(海洋及近海環(huán)境、除冰鹽環(huán)境、鹽湖環(huán)境、海砂及外加劑),保護層中性化(碳化、大氣污染及酸雨、酸性介質(zhì)),雜散電流腐蝕;(2)凍融作用:淡水凍融,鹽水凍融(海水、鹽湖等),鹽凍(除冰鹽);(3)環(huán)境水和鹽類侵蝕:硫酸鹽(鎂鹽)侵蝕,溶出性侵蝕(滲透溶蝕、碳酸侵蝕),土壤腐蝕(中堿性土、酸性土、內(nèi)陸鹽土、海濱鹽土),鹽鹵腐蝕(海洋及近海、鹽湖),泛酸性侵蝕(pH≤4的環(huán)境水、污水);(4)堿骨料反應:堿硅酸反應,堿碳酸反應。[2]對此國內(nèi)外的學者主要從混凝土的抗?jié)B透性，抗腐蝕性和抗凍性三個方面著手進行混凝土的耐久性研究。如在抗凍方面1945年,Powers提出了混凝土凍融破壞的毛細孔水結(jié)冰靜水壓假說。靜水壓理論：冰首先在混凝土的表面上形成，把試件內(nèi)部封閉起來由于結(jié)冰膨脹所造成的壓力迫使水分向內(nèi)進入飽和度較小的區(qū)域混凝土滲透性較大時,形成水壓梯度,對孔壁產(chǎn)生壓力,隨著冷卻速度的加快,水飽和度的提高和氣孔間隔的增大以及滲透性和氣孔尺寸的減小,水壓將會增高，當水壓超過了混凝土抗拉極限強度時，孔壁就會破裂，混凝土受到損害。結(jié)果在氣溫上升結(jié)冰融解之后又發(fā)生凍結(jié)。這種反復出現(xiàn)的凍融交替具有累積的作用,使混凝土的裂縫擴張,表面剝落直至完全瓦解[3],之后Powers又與Helmuth一起提出了滲透壓假說：滲透壓理論含有未凍水的孔與含冰和離子溶液的大孔之間的滲透壓毛細孔與凝膠孔內(nèi)溶液之間的濃度差會引起凝膠孔向毛細孔中的擴散,從而形成了滲透壓趨于平衡使孔壁的壓力增加。即使水中沒有離子溶解,水分子從小孔到含冰孔擴散時也有類似滲透壓作用。1975年,Fagerlund提出了混凝土抗凍性的臨界水飽和度理論,很好地解釋了混凝土的凍融破壞現(xiàn)象[4]Setzer的微冰晶透鏡模型理論指出，凍融作用主要是一個飽和作用發(fā)生的過程，只有混凝土達到一定的飽和程度，內(nèi)部破壞才有可能發(fā)生。[5]這些假說的提出對研究混凝土材料領域起著至關重要的作用,引領著后來的學者在混凝土抗凍領域進行深入研究。目前有關混凝土凍融的研究工作主要有混凝土凍融破壞機理的進一步深入探討、提高混凝土抗凍性的措施和凍融耐久性劣化預測模型等方面。到目前為止,混凝土的受凍破壞機理還不是完全清楚,它可以是由于靜水壓或者是滲透壓,或者是凍融過程中水分遷移的不連續(xù)性,混凝土內(nèi)部的臨界飽和度,或者微冰晶透鏡的長大,或者上述一個或者幾個作用機理的結(jié)。一些學者在前人的基礎上提出了一些新的理論如熱彈性應力理論低溫腐蝕理論等。對改善混凝土抗凍性的研究主要是從凍融破壞的機理出發(fā),針對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和外部環(huán)境條件對抗凍性的影響,提出了一些提高混凝土抗凍性的措施如：在表面刷涂有機硅涂料[6]，降低混凝土水膠比提高強度和密實性,摻加引氣劑適當引氣，降低飽水程度、釋放結(jié)冰水壓力,選用低吸水率骨料成為提高和保證混凝土抗凍性。[7]在凍融耐久性劣化預測模型方面，試驗室里，通常以試件的凍融循環(huán)次數(shù)或試件的動彈性模量或抗凍融耐久性指數(shù)為指標來評價混凝土的抗凍融性能。同濟大學建立了以抗凍融耐久性指數(shù)為抗凍融指標,以含氣量與水灰比為材料特征參數(shù)的混凝土抗凍性數(shù)學模型[8]，文獻[8]還介紹了1996年科威特學者E.K.Attiogbe提出的一種評估已建混凝土抗凍性的新方法，即混凝土樣芯坐標作圖法?？垢g性方面混凝土中鋼筋的腐蝕是導致整個結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。鋼筋表面生成鐵銹，體積增大約2.5倍，混凝土中的鋼筋銹蝕到一定程度，由于鋼筋產(chǎn)生的體積脹力足以使保護層混凝土開裂，給侵蝕性物質(zhì)的進入提供了有利的條件，造成鋼筋銹蝕的進一步加劇。由上文可知鋼筋腐蝕是由幾個方面造成的，最主要的如氯鹽腐蝕，硫酸鹽腐蝕。碳化作用。硫酸鹽腐蝕：1892年，米哈埃利斯在受侵蝕的混凝土中發(fā)現(xiàn)被稱之為“水泥桿菌”的針粒狀晶體（實質(zhì)上就是鈣礬石）,由此最早發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用[9]在此基礎上，國外學者對硫酸鹽侵蝕的問題進行了很多研究，如1923年的美國學者米勒從1923年開始在含硫酸鹽土壤中進行混凝土的腐蝕試驗。[10]1925年在密勒的領導下，美國開始在硫酸鹽含量極高的土壤內(nèi)進行長期試驗。聯(lián)邦德國鋼筋混凝土協(xié)會利用混凝土構(gòu)筑物在自然條件下遭受沼澤水腐蝕進行了大量的試驗。Cornet的研究實驗表明由于SO42-的去鈍化作用致使混凝土中的鋼筋發(fā)生強烈腐蝕[11]我國關于混凝土耐久性的腐蝕試驗開展比較晚，始于20世紀50年代。1958年，在國家科委領導下，在1959年至1964年期間，在全國各類土壤中建立了一批試驗站，后在“七五”期間又在全國建立了18個新的土壤腐蝕試驗站，通過定期對試驗站內(nèi)埋設的混凝土進行檢測，從而建立了科學、可靠的實測數(shù)據(jù)。20世紀60年代南京水利科學研究院開始進行鋼筋銹蝕的研究。鐵道科學研究院防腐蝕組結(jié)合我國西部硫酸鹽腐蝕的環(huán)境條件，開展了室內(nèi)長期浸泡、室外埋設試件的研究。在后續(xù)的研究工作中，各學者均在國家規(guī)范的基礎上，根據(jù)擬測試的目標制定了不同的試驗方案以及相應的評定標準，并積累護層厚度以內(nèi)的抗?jié)B透能力。按標準方法確定的抗?jié)B等級較高的混凝土，也不是在大多數(shù)情況下都具有比較好的抗?jié)B性。隨著混凝土內(nèi)部孔徑尺寸的減小，對混凝土耐久性影響最大的表層混凝土的滲透速度是一個由大變小，再由小變大，最后又重新變小的重復過程。[29]此文獻還指出想要提高混凝土的抗?jié)B性，既可以使混凝土形成以超微孔為主的孔隙體系，也可以使其形成以盡量細的非毛細孔為主的孔隙體系，這兩種途徑都可以大幅減小混凝土的毛細孔壓力。此外，前者能同時提高混凝土的孔隙阻力，更適合水壓力較高的環(huán)境；后者不能大幅度提高混凝土的孔隙阻力，不太適合水壓力過高的環(huán)境，但對于臨界滲透深度以內(nèi)的混凝土表層或鋼筋保護層，仍比毛細孔半徑相對較細的混凝土具有較好的抗?jié)B性。4.結(jié)語已有的損失和教訓告誡我們，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性直接關系著國民經(jīng)濟的順利發(fā)展以及人民生命和財產(chǎn)的安全，所以世界各國均十分重視該方面的研究。以上是分別從混凝土的三個不同性質(zhì)方向進行單獨論述來評測混凝土的耐久性，然而由于混凝土結(jié)構(gòu)本身的復雜性及影響因素的不確定性，僅僅只通過研究某一單一影響因素下材料的破壞性來解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題是不全面的，應在單因素研究的基礎上進行多因素混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究。參考文獻:[1]覃維祖譯自:P.-C.A?tcin.Cementsofyesterdayandtoday:Concreteoftomorrow[J].CementandConcreteResearch,2000(9)[2]陳改新混凝土耐久性的研究、應用和發(fā)展[J]趨勢中國水利水電科學研究院結(jié)構(gòu)材料研究所,北京100038[3]PowersTC.A.WorkingHypothesisforFurtherStudiesofFrostResis-tanceofConcrete[J].Proceedings,AmericanConcreteInstitute,1945,41:245～2724.[4] 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