楊海鳴

混凝土結(jié)構(gòu)是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式,由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn),使混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地存在耐久性問題。由于對(duì)耐久性重視不足,使工程事故率和在役建筑維修費(fèi)用不斷增加。

本文將對(duì)引起混凝土耐久性不足的原因進(jìn)行分析,然后從施工質(zhì)量管理和施工技術(shù)管理兩個(gè)角度對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的具體措施進(jìn)行探討。

1 影響混凝土耐久性結(jié)構(gòu)的主要因素

1.1 混凝土的損傷

1.1.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指大氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成中性的碳酸鹽(CaCO3),為使混凝土表面接觸CO2濃度小,需要在混凝土表面涂抹氣密性好的飾面材料,使碳酸氣滲進(jìn)混凝土的數(shù)量減少,以提高混凝土的抗碳化性能。

1.1.2 堿—集料反應(yīng)

堿—集料反應(yīng)是指混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生的反應(yīng)?？刂茐A—集料反應(yīng)可采用低堿水泥或用非活性集料,使用摻合劑降低混凝土的堿性,改善混凝土結(jié)構(gòu)的施工和使用條件都可以減少堿—集料反應(yīng)對(duì)混凝土的破壞。

1.1.3 凍融循環(huán)

由于混凝土是多孔隙的復(fù)合材料,外部的水分可以通過毛細(xì)作用進(jìn)入這些孔隙?？紫秲?nèi)充滿水時(shí),結(jié)冰產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。冰融化時(shí),可能使得孔壁內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)其大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí),即可以產(chǎn)生微裂縫,持續(xù)凍融的結(jié)果使混凝土開裂,甚至崩裂。避免采用吸水率較高的集料,加強(qiáng)排水,以免混凝土結(jié)構(gòu)中水飽和,對(duì)混凝土的耐久性是有利的。

1.1.4 外界環(huán)境對(duì)混凝土的侵蝕

主要包括:軟水的侵蝕、鹽類侵蝕、酸類侵蝕和強(qiáng)堿侵蝕。

1.2 鋼筋的損傷

1.2.1 鋼筋銹蝕

因?yàn)榛炷脸蕪?qiáng)堿性,混凝土內(nèi)的鋼筋會(huì)在表面形成一層致密的氧化膜,使鋼筋處于鈍化狀態(tài)不被腐蝕。通常,這層氧化鐵薄膜的破壞主要有兩個(gè)原因:1)混凝土碳化,使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的pH值降低,進(jìn)而破壞氧化鐵薄膜;2)因?yàn)槁入x子與氧離子的作用而破壞氧化鐵薄膜,造成鋼筋的銹蝕。

1.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指金屬和合金在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的同時(shí)作用下引起的金屬破裂。應(yīng)該注意的是當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生銹蝕時(shí),并不像非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕會(huì)在表面產(chǎn)生銹斑,引起混凝土保護(hù)層的剝落、層裂等外在現(xiàn)象,而極有可能在無任何預(yù)兆的情況下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然破壞,更加加劇了危險(xiǎn),因此加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究就顯得極為重要。

1.2.3 裂縫對(duì)鋼筋腐蝕影響

無論對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說,裂縫及其寬度對(duì)受力鋼筋腐蝕都有影響,寬度不同,其影響程度不同。裂縫對(duì)受力鋼筋腐蝕的影響,還應(yīng)該考慮受力鋼筋對(duì)腐蝕的敏感程度。在相同的使用期內(nèi),其腐蝕速率接受標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)有所不同。

2 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

2.1 施工質(zhì)量管理

質(zhì)量管理系統(tǒng)不僅僅是質(zhì)量控制,更要注意質(zhì)量保證管理。在建造階段要保證所使用原材料的品質(zhì)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)定,不合格產(chǎn)品杜絕使用,對(duì)商品混凝土的配合比,坍落度應(yīng)建立復(fù)核程序。對(duì)保護(hù)層厚度、細(xì)部構(gòu)造的檢查、鋼筋配置的核對(duì)、隱蔽工程的驗(yàn)收,均應(yīng)執(zhí)行工程監(jiān)理制度。及時(shí)糾正與規(guī)范、規(guī)程及設(shè)計(jì)不符的人為差錯(cuò)和工作疏忽所造成的錯(cuò)誤。

2.1.1 合理控制原材料質(zhì)量

1)水泥。水泥是混凝土中的活性組分,其強(qiáng)度的大小直接影響著混凝土強(qiáng)度的高低。由于混凝土的質(zhì)量驗(yàn)收常以混凝土強(qiáng)度指標(biāo)為單一衡量標(biāo)準(zhǔn),從而導(dǎo)致水泥工業(yè)對(duì)水泥強(qiáng)度的不適當(dāng)追求,促使水泥細(xì)度增加或早強(qiáng)礦物成分比例提高,而這些均會(huì)影響混凝土的抗裂性能,不利于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此,應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)或環(huán)境條件,合理選用水泥。

2)集料。細(xì)集料宜選用質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、級(jí)配良好的天然中、粗河砂,其質(zhì)量要求應(yīng)符合普通混凝土用砂石標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。采用配級(jí)良好的粗砂或中砂,砂的空隙率及總表面積較小,不僅可減少水泥漿用量,還可提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度。

普通混凝土常用的粗骨料有卵石和碎石兩種,卵石表面光滑、空隙率及表面積較小,所拌制的混凝土水泥漿用量較少,和易性較好,但與水泥石的膠結(jié)力較差;碎石顆粒表面粗糙,多棱角,空隙率和表面積較大,所拌制的混凝土和易性較差,但碎石與水泥石粘結(jié)力較強(qiáng),在水灰比相同的條件下比卵石更密實(shí)、堅(jiān)硬。石子級(jí)配良好,可節(jié)約水泥和保證混凝土具有良好的和易性。

3)外加劑。外加劑的摻入可增加混凝土拌合物的流動(dòng)性,降低混凝土的用水量,減小水灰比,提高混凝土密實(shí)度,從而提高混凝土耐久性。幾乎各種混凝土都可以摻用外加劑,但必須根據(jù)水泥的屬性、工程的需要、施工條件和施工工藝等選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿?.1.2 合理控制配合比

用水量對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)性起決定作用,在保證混凝土拌合物所需流動(dòng)性的情況下,應(yīng)盡可能降低用水量。用優(yōu)質(zhì)摻和料,比如在混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰代替部分水泥,可以降低水泥用量,減小用水量,改善和易性,降低泌水率,減小干縮變形。通常粉煤灰可以代替約20%的水泥。摻用引氣劑、減水劑及引氣型減水劑,可以減小混凝土的凍融破壞。

2.1.3 充分振搗和養(yǎng)護(hù)混凝土

振搗時(shí),為切實(shí)保證混凝土的密實(shí)性,可采取以下措施:1)選用合理的振搗方式。根據(jù)不同構(gòu)件選用不同的振搗器;2)振搗方法要求垂直插入、快插慢拔四不靠;3)掌握適宜的振搗時(shí)間。

實(shí)際工程中,混凝土的耐久性問題多數(shù)是由于施工養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的。認(rèn)真做好混凝土養(yǎng)護(hù)工作對(duì)增強(qiáng)混凝土密實(shí)性防止干縮開裂至關(guān)重要?，F(xiàn)澆混凝土在正常條件下通常采用自然養(yǎng)護(hù)。常用養(yǎng)護(hù)方法主要有:在混凝土表面鋪蓋濕的覆蓋物(如草袋等)、鋪蓋塑料薄膜,直接在混凝土表面噴灑水、使用養(yǎng)護(hù)劑形成保護(hù)膜等。

2.1.4 防止過早拆除模板和支撐

由于施工階段現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度低于28 d強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)所承受的施工荷載可能會(huì)超過正常使用階段設(shè)計(jì)值,為此,施工時(shí)要審慎確定拆除支撐(支架)的時(shí)間,必須確保承擔(dān)上部正在澆筑的結(jié)構(gòu)混凝土自重及其有關(guān)模板荷載的混凝土達(dá)到足夠強(qiáng)度,并不產(chǎn)生過大變形,以避免出現(xiàn)裂縫影響正常使用和耐久性。

2.1.5 確保混凝土保護(hù)層厚度

混凝土結(jié)構(gòu)中,從混凝土表面到鋼筋外邊緣之間的最小距離稱為鋼筋的混凝土保護(hù)層。它的厚度、質(zhì)量對(duì)構(gòu)件的受力性能、耐久性及耐火性能等具有很大影響,合理設(shè)置保護(hù)層對(duì)結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命有重要意義。

2.2 施工技術(shù)管理

應(yīng)當(dāng)選擇有利于減輕環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)作用的結(jié)構(gòu)選型、布置和構(gòu)造,以避免水、汽和有害物質(zhì)在構(gòu)件表面的積聚,并能夠及時(shí)排除。

混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件宜整體澆筑,不宜留施工縫。當(dāng)必須有施工縫時(shí),應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)及鋼筋布置,以控制和限制裂縫的寬度盡量避免不利的環(huán)境作用。

拌合的混凝土應(yīng)盡快入模,應(yīng)以適當(dāng)?shù)乃俣葷仓炷?混凝土自由下落的高度不宜大于1.5 m?；炷翍?yīng)充分振搗;分層澆筑時(shí),連接部位的混凝土應(yīng)重點(diǎn)振搗?；炷敛牧峡蛇m當(dāng)加溫后攪拌,使混凝土保持適當(dāng)?shù)挠不瘻囟取?/p>

積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù),如使用滲透可控模板墊料等。

3 混凝土結(jié)構(gòu)剩余服役壽命的預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)既有混凝土結(jié)構(gòu)的剩余服役壽命的方法通常包括以下的部分:

1)結(jié)構(gòu)體系可靠度。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度可表示為:

其中,β為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度;βi為主要承重構(gòu)件和次要構(gòu)件結(jié)構(gòu)可靠度;Ci為各構(gòu)件相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)。

2)結(jié)構(gòu)失效模式的可靠度。以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組成為基礎(chǔ),將混凝土結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)、并聯(lián)和混合體系。將結(jié)構(gòu)體系所具有的失效模式分成若干組,因?yàn)樵诿恳唤M中失效模式間具有很高的相關(guān)性,所以再選取各組中失效概率最大的失效模式作為各組的代表,該代表模式稱為主要失效模式。然后再針對(duì)各不同體系給出相應(yīng)的可靠度計(jì)算公式。

3)結(jié)構(gòu)安全可靠度的界限。根據(jù)相關(guān)研究成果,設(shè)定不同的荷載水平,相應(yīng)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標(biāo)可靠指標(biāo)屏,將荷載水平降低為目標(biāo)可靠指標(biāo)下降0.25的水平,以此作為人們可接受的可靠度界限。

4)剩余壽命的預(yù)測(cè)?；诮Y(jié)構(gòu)可靠度變化,服役了多年的既有結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測(cè)可按以下步驟進(jìn)行:a.通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與檢測(cè),建立結(jié)構(gòu)抗力衰減模型和荷載效應(yīng)計(jì)算模型。b.計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng),并驗(yàn)算當(dāng)前結(jié)構(gòu)可靠度是否大于可靠度限值。c.通過實(shí)際情況,確定合理的失效模式,計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可靠度。d.當(dāng)動(dòng)態(tài)可靠度小于可靠度極限值時(shí),所求結(jié)果即結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

4 結(jié)語

保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)迫切的現(xiàn)實(shí)問題,引起混凝土耐久性的原因也各不相同,而提高耐久性的措施涉及到結(jié)構(gòu)暴露環(huán)境、結(jié)構(gòu)選材、施工養(yǎng)護(hù)和維護(hù)等多個(gè)方面,問題十分復(fù)雜,但目前如果能在實(shí)際施工中加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理和提高施工技術(shù)質(zhì)量就可以最大限度地提高結(jié)構(gòu)的耐久性,并進(jìn)一步提出了混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測(cè)方法。

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