混凝土耐久性影响因素分析与对策[1]

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混凝土耐久性影响因素分析与对策

摘要：针对目前普遍存在的混凝土耐久性问题，较为全面的阐述了国内外影响混凝土结构耐久性的主导因素，着重论述了混凝土的碳化、钢筋锈蚀以及混凝土性能的劣化，并提出了相应的解决方案。

关键词：混凝土；耐久性；碳化；钢筋锈蚀

1引言

桥梁所处的环境一般比较恶劣，由环境等因素的影响造成的混凝土碳化、钢筋腐蚀等耐久性问题，使桥梁结构过早破坏，已成为世界各国普遍关注的问题。混凝土的耐久性失效给世界各国造成了巨大的经济损失，许多发达国家每年用于建筑维修的费用都超过了新建费用。可见，混凝土结构的耐久性直接关系着国民经济的顺利发展以及人民生命和财产的安全。为保证结构的安全和正常运营，使其在建设、运营、维修等整个周期的费用最低，必须对影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素进行研究，以便采取相应的措施，提高建筑物结构的耐久性和使用功能。

2 影响混凝土耐久性的主导因素

对混凝土结构耐久性的研究最早可追溯到19世纪40年代法国工程师维卡探索土伦码头被海水毁坏的原因[1]

。混凝土结构耐久性问题的主要表现为：钢筋锈蚀、混凝土腐蚀以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱。

混凝土结构及其构件的耐久性分析应根据不同的设计使用年限、相应的极限状态和不同的环境类别及其作用等级进行，而工作环境根据结构工作环境情况、破坏机理、形态以及国内各行业传统经验可分为以下几类[2]

：①一般大气环境；②冻融环境；③海洋环境；④除冰盐等其他氯化物环境；⑤化学侵蚀环境；⑥大气污染环境；⑦盐结晶环境。一般大气环境中的腐蚀类型主要是混凝土碳化和钢筋锈蚀，本文主要从混凝土碳化和钢筋锈蚀两个方面进行分析。

2.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳渗入混凝土的孔隙和毛细孔中溶于空中液体，与水泥的水化作用产物氧氧化钙、硅酸钙等作用形成碳酸钙等。一般认为，碳化本身对混凝土并无危害，甚至会提高混凝土的密实性和强度，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成对钢筋起保护作用的致密氧化膜遭到破坏。碳化的混凝土还会加剧收缩变形，导致裂缝的出现，粘结力下降，甚至钢筋保护层剥落。另外，碳化使混凝土变脆，构件延性降低[3]

。混凝土碳化的经典理论是基于Fick第一扩散定律的碳化模型[4]

，它认为混凝土的碳化深度与时间的0.5次方成正比，已被大量室内试验和工程现场调查资料所证实。

影响碳化速度的因素之一是环境条件，如相对湿度、二氧化碳浓度、温度、以及混凝土表面的覆盖层，混凝土的

应力状态，施工质量等；二是属于材料本身的因素，如水灰比，水泥品种，水泥用量，骨料品种与粒径，外掺加剂，养护方法与龄期，混凝土强度等级。除时间因素外，影响混凝土碳化的因素还包括环境因素和混凝土材料本身的因素以及混凝土的施工、早期养护及使用中的维护等。

混凝土碳化到钢筋表面后，钢筋表面纯化膜遭到破坏，当有氧和水存在时，钢筋开始锈蚀，其力学性能将急剧衰减。

2.2 钢筋的锈蚀

钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要原因。根据其产生原因可分为：①钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁即铁锈，体积增大造成混凝土顺筋裂缝，便于腐蚀介质渗入钢筋，加快结构的损坏；②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，若混凝土开裂，造成水和氧的通道，形成恶性循环；③钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成脆性断裂，这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏；④钢筋的氢脆现象。

钢筋锈蚀的直接后果是钢筋的有效截面面积减少，不均匀锈蚀导致钢筋表面凸凹不平，产生应力集中现象，使钢筋的力学性能退化，如强度降低、脆性增大、延性变差，导致构件承载能力降低。

2.3 混凝土性能的劣化

2.3.1 环境水的侵蚀

硅酸盐水泥熟料的四种矿物成分经水化作用产生氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等产物。在一般情况下这些矿物成分都是稳定的，但在某些特殊条件下它们会发生一定的化学反应，从而破坏水泥石的结构。

(1) 溶出性侵蚀 (软水侵蚀) 水泥中的水化产物都必须在一定浓度的石灰溶液中才能稳定存在，当环境水中的石灰浓度小于该水化产物的极限石灰浓度时，则该水化产物将会被溶解或分解，首先是溶解溶解度比较大的氢氧化钙，直到达到所需要的极限浓度。

(2) 一般酸性侵蚀 某些地下水或工业废水中含有游离态的酸，这些酸能够和混凝土中的氢氧化钙发生反应，生成相应的钙盐。所生成的钙盐或易溶与水，或松软无胶结力，或在水泥石的孔隙内结晶，体积膨胀，产生破坏作用。

(3) 硫酸盐侵蚀 在海水、地下水及盐沼地矿物水中，常含有大量的硫酸盐，如硫酸镁、硫酸钠等，对混凝土均有

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严重的破坏。它们与氢氧化钙作用成石膏，石膏在混凝土孔隙中结合结晶水，体积膨胀，对混凝土造成破坏。

(4) 镁盐侵蚀 海水、地下水及其它矿物水中常富含镁盐，主要有硫酸镁及氯化镁等。它们与水泥石中的氢氧化钙发生反应，生成溶与水的氯化镁易和松软无胶结力的氢氧化镁。石膏则产生硫酸盐侵蚀，都将破坏混凝土的结构。

2.3.2 碱一集料反应

碱一集料反应主要是指混凝土中的氢氧根离子与集料中的活性二氧化硅发生化学反应，生成含有碱金属的硅凝胶。它具有强烈的吸水膨胀能力，使混凝土发生不均匀膨胀，造成裂缝、强度和弹性模量下降，影响混凝土耐久性。

2.3.3 混凝土的冻融破坏

冻融循环对混凝土结构的损伤分为两类：第一类是内部损伤，是由于混凝土内部水结冰产生约9%的体积膨胀造成，混凝土产生开裂甚至剥落，通常发生在混凝土内部的水含量超过某个临界值的情况。第二类是表层损伤，是由于混凝土表层持续受盐溶液浸渍，和冻融共同作用，在混凝土局部薄弱处发生剥落。在冻融循环作用下，微裂缝逐步发展，使更多的封闭孔相互连接贯通，进一步降低混凝土的抗冻性加速混凝土的冻融破坏。

3．提高混凝土耐久性的措施

由以上分析可知，要提高混凝土耐久性，满足耐久性要求，首要条件就是必须降低混凝土的孔隙率，尤其是要降低毛细管孔隙率，即混凝土必须有足够的密实性并且不出现有害裂缝，从而能创对抵抗水分和侵蚀性介质的渗入。

3.1 完善混凝土结构的耐久性设计

(1) 详细勘察结构所处的环境条件，从中确定主导破坏因素(如大气和雨雪造成混凝土干缩循环和冻融循环作用、地表水或地下水中的侵蚀性介质影响等)，实现考虑环境条件的建筑结构设计。

(2) 严格遵守设计规范的要求，结构布置力求简单，合理布置排水及各种结构缝；构件截面应设计成利于潮气散发的形状，恶劣环境应慎用薄肋型构件。对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成便于检测、维护和更换的构件；对变形缝、施工缝、预应力钢筋的锚固端等易遭侵蚀的薄弱关键部位采取专门的措施。

(3) 合理选择混凝土和钢筋品种。对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，宜采用有利于提高结构耐久性的高性能混凝土和钢纤维混凝土等；针对钢筋的腐蚀可采用对混凝土进行表面处理宜采用耐腐蚀钢筋；混凝土中掺加钢筋阻锈剂、阴极保护技术、电化学驱氯和电化学再碱化等措施。

(4) 合理确定保护层厚度。保护层厚度小，不能保护钢筋，也不能满足钢 …… 此处隐藏：2389字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……