劉鴻賀,張?jiān)?/p>

(1.黑龍江省隆興公路勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司;2.黑龍江高速公路建設(shè)局)

1 混凝土耐久性的提出

在傳統(tǒng)概念中,混凝土結(jié)構(gòu)似乎不存在耐久性的問(wèn)題,起碼在構(gòu)造物一般使用年限內(nèi),不會(huì)因耐久性而出現(xiàn)使用上的問(wèn)題。實(shí)際上這是認(rèn)識(shí)上的一個(gè)誤區(qū),混凝土結(jié)構(gòu)是由多種材料組成的復(fù)合人工材料,由于結(jié)構(gòu)本身的組成成分及承載力特點(diǎn),其抗力有初期增長(zhǎng)和強(qiáng)盛階段,在外界環(huán)境和各種因素的作用下也存在逐漸削弱的過(guò)程,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后,甚至?xí)荒軡M足設(shè)計(jì)應(yīng)有的功能而“失效”。因此,混凝土結(jié)構(gòu)也是有使用年限(壽命)的。

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在酸性介質(zhì)作用下,會(huì)受到銹蝕,而作為結(jié)構(gòu)主體材料的混凝土也會(huì)存在缺陷。混凝土的骨料——砂、石體積基本是穩(wěn)定的,而水泥膠體在凝固硬化的過(guò)程中體積縮小,在界面上形成許多裂縫,這些并不連續(xù)的裂縫在受力收縮和溫度作用下會(huì)互相貫通,形成裂紋并延伸到結(jié)構(gòu)的表面。混凝土在澆筑后會(huì)發(fā)生離析、泌水現(xiàn)象,多余水分溢出而形成毛細(xì)孔道,在鋼筋或粗骨料下窩水而形成疏松層,伴隨產(chǎn)生混凝土沉陷,受到鋼筋阻攔后還會(huì)發(fā)生鋼筋的縱向裂縫。攪拌、澆筑和振搗時(shí)混凝土中還會(huì)加入氣體而形成氣泡、孔穴。因此,混凝土存在著許多孔道、裂縫,這些缺陷都可以成為有害介質(zhì)入侵的通道,并且隨著時(shí)間的推移而顯示出混凝土缺陷的嚴(yán)重性——這就是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的根源。

2 混凝土耐久性的影響因素

(1)鋼筋銹蝕

混凝土中水泥石含有氫氧化鈣Ca(OH)2而呈堿性,其在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護(hù)了金屬鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕,起到“鈍化”保護(hù)作用。但大氣中存在的酸性介質(zhì)及水通過(guò)各種孔道、裂縫而滲入混凝土,可以中和這種堿性。混凝土碳化的速度十分緩慢,并且與混凝土的質(zhì)量,環(huán)境條件等因素有關(guān)。幾十年的時(shí)間碳化深度才達(dá)到鋼筋的表面,從而消除鋼筋表面的鈍化膜——脫鈍,使鋼筋的銹蝕成為可能。碳化的速度與許多因素有關(guān),但時(shí)間是最主要的,同時(shí)與混凝土的強(qiáng)度、水灰比、施工質(zhì)量結(jié)構(gòu)所處環(huán)境(室內(nèi)、室外)、表面狀態(tài)、氣候環(huán)境(溫度、濕度、有害介質(zhì))、鋼筋所處位置等因素也有關(guān)。幾乎所有的混凝土表面都處在碳化的過(guò)程中,并且隨著時(shí)間的推移碳化深度向內(nèi)滲透。但不一定所有脫鈍的鋼筋都會(huì)銹蝕,鋼筋的銹蝕還需要有水氧和酸性介質(zhì)的存在。

(2)凍融循環(huán)

滲入混凝土中的水在低溫下結(jié)冰膨脹,將從內(nèi)部損傷混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次凍融循環(huán)后,損傷積累將使混凝土剝落、酥裂而降低混凝土的強(qiáng)度?；炷?xí)崦浝淇s,同樣也會(huì)在干燥失水時(shí)收縮而在泡水浸潤(rùn)后膨脹。這種作用的交替進(jìn)行,特別在驟然發(fā)生時(shí),如夏季陽(yáng)光暴曬下的混凝土受驟雨的沖刷,會(huì)因混凝土表層及內(nèi)部體積變化不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。這些因膨脹不均而引起的損傷日積月累,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部組織的破壞,最終會(huì)削弱結(jié)構(gòu)抗力。

(3)堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)是指混凝土中的水泥在水化過(guò)程中釋放出的堿金屬與含堿性骨料中的堿活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成堿活性物質(zhì),這種物質(zhì)在吸水以后體積膨脹,破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用。

(4)機(jī)械作用

反復(fù)的機(jī)械作用(磨損、沖刷等)會(huì)削弱混凝土結(jié)構(gòu),天長(zhǎng)日久以后因損傷積累而影響抗力。沖撞、碰擊等也會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu),生物的腐蝕作用也不能忽視,苔蘚及攀附生物對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的損傷常見(jiàn)于城市排污工程及海洋工程,使這些構(gòu)筑物的使用年限大大減小。

(5)外加劑

在漫長(zhǎng)的材料應(yīng)用過(guò)程中,人類(lèi)對(duì)材料宏觀、亞微觀、微觀等結(jié)構(gòu)層次的認(rèn)識(shí)不斷深刻,20世紀(jì) 40年代出現(xiàn)并開(kāi)始推廣使用的外加劑,使人類(lèi)首次能夠通過(guò)摻入外加劑的方法,改變材料的施工性能,并從微觀、亞微觀層次控制材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),獲得滿足使用性能要求的高質(zhì)量建材。用于調(diào)節(jié)建筑材料某些性能的外加劑如減水劑、調(diào)凝劑、泵送劑等已成為現(xiàn)代建筑材料必要的組分。在建筑材料中摻加一定量的外加劑可以改善材料或結(jié)構(gòu)的施工性能、力學(xué)性能、耐久性能、經(jīng)濟(jì)性以及其他性能。

3 表面處理對(duì)提高混凝土耐久性的影響

當(dāng)今,有些國(guó)家已經(jīng)通過(guò)涂抹有機(jī)硅化合物來(lái)進(jìn)行混凝土的表面處理。有機(jī)硅化合物主要包括:硅烷和硅氧烷。有機(jī)硅涂料具有較好的防水性能和耐久性能,可極大的減緩材料的吸水速率,并有效地降低吸水率,可用于建筑材料防水及建筑保護(hù)。硅酸鹽材料在固化或燒結(jié)成型過(guò)程中,會(huì)在材料基體中形成許多毛細(xì)管通道。由于水與硅酸鹽材料有較強(qiáng)的化學(xué)親和力,水在毛細(xì)管中的接觸角較小,空氣中的水分或雨水極易在材料表面延展,并延毛細(xì)管向材料內(nèi)部擴(kuò)展,從而提高了材料的吸水速率和吸水率。有機(jī)硅涂料以帶一定反應(yīng)活性基團(tuán)的有機(jī)聚硅氧烷為主要成膜物質(zhì),其主鏈結(jié)構(gòu)與硅酸鹽結(jié)構(gòu)相似,它們之間具有較強(qiáng)的化學(xué)親和力;另外,有機(jī)聚硅氧烷大分子上的少量活性基團(tuán)在成膜過(guò)程中與硅酸鹽基材中的羥基反應(yīng),結(jié)構(gòu)為主鏈的有機(jī)聚硅氧烷在多孔的硅酸鹽材料表面及毛細(xì)管內(nèi)壁形成一層均勻且結(jié)合緊密的網(wǎng)狀硅氧烷膜,而有機(jī)基團(tuán)則排列在漆膜表面。這種漆膜具有很低的表面張力,水在漆膜表面只能以球狀小水滴形式存在。而毛細(xì)管壁表面張力的降低,使水難以通過(guò)毛細(xì)管滲入到基體內(nèi)部,從而賦予基體憎水性能。

用于混凝土的滲透型有機(jī)硅憎水劑,必須主要由低分子量和含長(zhǎng)鏈有機(jī)基團(tuán)的有機(jī)硅組成。三烷氧基硅烷是國(guó)際上最常用的混凝土保護(hù)有機(jī)硅,但它也有一個(gè)很大的缺點(diǎn),即其揮發(fā)性。如果使用硅烷、硅氧烷低聚物混合物來(lái)代替純硅烷,揮發(fā)問(wèn)題就可以得到解決。通過(guò)改變產(chǎn)品中硅烷與硅氧烷的不同質(zhì)量比,可以滿足不同的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析結(jié)構(gòu)的耐久性,一般不考慮結(jié)構(gòu)是否處于受力狀態(tài),以及結(jié)構(gòu)承受荷載的大小?？梢哉f(shuō)結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性是描述結(jié)構(gòu)可靠性能的兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo),但混凝土結(jié)構(gòu)中必然存在的微裂縫以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的可見(jiàn)裂縫將影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,而那些可見(jiàn)裂縫往往是荷載引起的。結(jié)構(gòu)的安全性可由結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力分析和承載能力驗(yàn)算得到,結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)價(jià)則要綜合分析結(jié)構(gòu)的材料組成和結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境因素才能取得。結(jié)構(gòu)的耐久性更多的需要進(jìn)行概念性的分析。但是有些因素既能對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生影響,又能對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響,如結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量等。結(jié)構(gòu)耐久性的降低引起結(jié)構(gòu)損傷,也必然引起結(jié)構(gòu)受力性能的退化,最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞而喪失使用功能。

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與材料、設(shè)計(jì)、施工、使用環(huán)境和服役期間的維護(hù)維修有關(guān)。提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性就是根據(jù)混凝土耐久性的影響因素,結(jié)合結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件,進(jìn)行系統(tǒng)化地耐久性設(shè)計(jì),正確地選用材料,規(guī)范地施工和養(yǎng)護(hù),合理地維護(hù)、維修,防止混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生耐久性損傷,達(dá)到預(yù)期的使用壽命。正如前節(jié)所說(shuō),混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不是混凝土材料及其結(jié)構(gòu)的某個(gè)單一的性能,而是混凝土結(jié)構(gòu)的綜合品質(zhì)的反映,受其內(nèi)在外在各方面的因素作用。因此,提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的方法應(yīng)是系統(tǒng)的、全面的,應(yīng)當(dāng)是建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、使用(維護(hù))以及材料等各環(huán)節(jié)的通力配合。

總的來(lái)說(shuō),混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性損害是一個(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程,發(fā)展的結(jié)果是將降低結(jié)構(gòu)的使用功能,提高混凝土耐久性能還應(yīng)當(dāng)綜合考慮對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行事前防護(hù)、事后補(bǔ)強(qiáng)加固的問(wèn)題。

[1] 中華人民共和國(guó)交通部部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵施工技術(shù).[M].北京:人民交通出版社,1989.

[2] 鄭兆毅.混凝土工程施工[M].成都:西南交通大學(xué)出版社, 1988.

[3] 勞動(dòng)部培訓(xùn)司.混凝土工.[M].北京:中國(guó)勞動(dòng)出版社, 1995.