王 斌

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅蘭州 730000)

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，以混凝土為建筑材料的工程建設(shè)仍高速發(fā)展，鐵路、公路、大壩和城市的運(yùn)輸系統(tǒng)大量采用混凝土材料。20世紀(jì)30年代，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)剛開始興建時(shí)，人們普遍認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)壽命為40年～50年，而基本不需維修，就能達(dá)到上述水平。然而，很多混凝土結(jié)構(gòu)物在不到20年的時(shí)間里，就出現(xiàn)了不同程度的破壞。因此，對于混凝土的耐久性，必須給以極大的關(guān)注。在國家開發(fā)西部的大環(huán)境下，西部地區(qū)將修建大量高速鐵路、高速公路以及其他大量基礎(chǔ)設(shè)施。但西部大部分地區(qū)處于嚴(yán)寒、溫差大、風(fēng)沙大、日照強(qiáng)和干旱缺水等惡劣的氣候條件，且原材料嚴(yán)重匱乏，質(zhì)量狀況差，這些不利條件對于混凝土工程的耐久性、施工性均有巨大影響。在如此惡劣的自然環(huán)境下，混凝土材料的耐久性必定面臨著極大的挑戰(zhàn)，更應(yīng)給以極大的關(guān)注［1，2］。

2 抗凍性

凍融循環(huán)作用是混凝土遭受破壞的主要因素之一。在有鹽環(huán)境條件下，凍融循環(huán)和鹽還會(huì)產(chǎn)生耦合作用，加速混凝土的破壞進(jìn)程。抗凍性可以模擬環(huán)境水侵入的能力，也可以模擬混凝土抵抗冰晶壓力的能力，因此，工程界常常把抗凍性作為混凝土耐久性的指標(biāo)之一［3］。對混凝土抗凍性有影響的因素主要有以下幾方面:1)原材料?；炷潦怯伤?膠凝材料)、水、骨料、外加劑以及摻合料等按一定的比例配制，經(jīng)攪拌、搗實(shí)、硬化而成的人造石，因此原材料的好壞直接影響混凝土的質(zhì)量，進(jìn)而影響混凝土的抗凍性。a.水泥品種的影響。一般認(rèn)為摻有較多混合材的水泥拌制的混凝土與純熟料水泥拌制的混凝土相比抗凍性差。b.骨料的影響。石子和砂占整個(gè)混凝土原材料的70%～80%，所以骨料的好壞對混凝土的抗凍性有很大影響。骨料必須限制其粘土、淤泥、粉屑、有機(jī)物及其他雜質(zhì)的含量，必須質(zhì)地堅(jiān)硬、無裂隙，特別是吸水率不能大。c.外加劑的影響。對抗凍性影響最顯著的是外加劑，而對混凝土耐久性產(chǎn)生根本影響的外加劑應(yīng)該是引氣劑。引氣劑的摻入能在混凝土中引入大量均勻、穩(wěn)定的微小氣泡，可在凝結(jié)后的混凝土中形成大量微小的、非貫通的孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)凍脹發(fā)生時(shí)，這些孔結(jié)構(gòu)可以緩解冰晶應(yīng)力，大大改善混凝土的抗凍融循環(huán)性能。2)配合比參數(shù)。a.水灰比的影響。在混凝土配合比參數(shù)中，水灰比是影響混凝土抗凍性的主要因素之一，因?yàn)榛炷恋乃冶仍酱螅?xì)孔越多，密實(shí)度越差，吸水率就越大，在受凍情況下產(chǎn)生的凍脹壓力和正溫情況下產(chǎn)生的滲透壓力就越大，混凝土的抗凍性就越差。b.水泥用量和骨灰比的影響。骨灰比就是混凝土中砂石(骨料)和水泥用量的比率，因此，水泥用量對混凝土耐久性的影響和骨灰比對混凝土耐久性的影響從根本上說是一個(gè)問題。一般來說，水泥用量大，混凝土抗凍性會(huì)好，但情況比較復(fù)雜，不能一概而論。在西部的部分區(qū)域，年日正負(fù)溫天數(shù)高達(dá)180 d左右，地上混凝土結(jié)構(gòu)物面臨的凍融循環(huán)破壞極其嚴(yán)重，因此提高其抗凍融循環(huán)能力乃為重中之重。在鐵路和公路混凝土施工的相關(guān)細(xì)則中，充分考慮了以上各種因素，根據(jù)不同地段、不同結(jié)構(gòu)，規(guī)定了最小水泥用量及最大水灰比，限制了砂石的最大含泥量，規(guī)定了堅(jiān)固性指標(biāo)，進(jìn)行了堿活性檢測。

3 抗裂性

裂縫是外部腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，外部介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕，加速混凝土的劣化，縮短混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命;因此，抑制或減緩混凝土開裂是一個(gè)十分重要的問題。裂縫的種類及其相應(yīng)解決措施:1)塑性收縮裂縫。由于表面水分的蒸發(fā)速率超過了泌水上升到表面的速率引起表面混凝土收縮，而內(nèi)部混凝土又對表面收縮存在約束，約束力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)的裂縫。這種裂縫的形態(tài)不一且深度較淺。為避免以上現(xiàn)象，應(yīng)在低溫時(shí)澆筑混凝土，使用溫度較低的骨料和攪拌用水，使用風(fēng)障擋風(fēng)，對澆筑后的混凝土噴霧養(yǎng)護(hù)。2)硬化混凝土由于溫度收縮而產(chǎn)生的裂縫。混凝土在養(yǎng)護(hù)期間由于水化放熱會(huì)產(chǎn)生溫升膨脹，在混凝土水化硬化過程中，隨著放熱的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部溫度會(huì)達(dá)到一個(gè)高峰，混凝土的溫升膨脹也會(huì)達(dá)到一個(gè)高峰。隨后，混凝土的溫度開始逐漸下降到與環(huán)境溫度相當(dāng);然而，在混凝土溫度下降過程中，表層溫度下降速率遠(yuǎn)高于內(nèi)部溫度下降速率，表層混凝土?xí)a(chǎn)生收縮，而內(nèi)部混凝土又對其產(chǎn)生約束，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度低于約束力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。主要的控制措施包括盡可能降低水泥用量或用低熱水泥，使用緩凝組分將水化放熱過程延長，采用粉煤灰或礦渣粉等摻合料等量取代部分水泥。3)硬化混凝土由于干燥收縮而產(chǎn)生的裂縫?；炷帘┞对诖髿猸h(huán)境中其內(nèi)部濕度會(huì)逐漸與環(huán)境濕度達(dá)到平衡，這樣混凝土內(nèi)部就會(huì)有部分水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)過程中會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生收縮，一旦收縮產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生開裂。減少干縮的方法主要包括:減少單方混凝土用水量，選擇干縮小的水泥，選擇剛度小的骨料，添加減縮性外加劑。必須注意的是，以上幾種收縮并不是單一的作用，它們往往可能疊加在一起，因此危害性更大。另外，并不是所有的裂縫都能產(chǎn)生危害，根據(jù)美國混凝土224委員會(huì)報(bào)告“混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制”表明，當(dāng)裂縫寬度小于0.18 mm時(shí)，裂縫中的侵蝕性介質(zhì)擴(kuò)散并不明顯，對混凝土的影響不大［4］。

4 抗堿—骨料反應(yīng)性能

堿—骨料反應(yīng)即骨料中具有活性的物質(zhì)和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物吸水后體積產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。堿—骨料反應(yīng)是導(dǎo)致混凝土耐久性下降的重要原因之一，自20世紀(jì)60年代以來，世界上已有大量結(jié)構(gòu)物因堿—骨料反應(yīng)而發(fā)生破壞［5］。在我國甘肅、青海和新疆等西部地區(qū)大部分骨料都具有一定的堿活性，但是考慮到工程實(shí)際，又不能不用這些骨料，所以如何控制堿—骨料反應(yīng)的發(fā)生就事關(guān)重大了。提高混凝土抗堿—骨料反應(yīng)的措施主要有嚴(yán)格控制所用水泥的堿含量，保證每立方米混凝土中的堿含量不大于3 kg，用優(yōu)質(zhì)摻合料取代水泥，使用對堿—骨料反應(yīng)有抑制作用的外加劑。

5 耐腐蝕性

在一些河流中存在著有害離子，通過水或水蒸汽進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而對混凝土產(chǎn)生侵蝕。引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的有害離子主要有硫酸根離子，氯離子;其侵蝕作用主要是物理作用和化學(xué)作用兩方面。物理作用破壞主要是含有有害離子的溶液或蒸汽通過混凝土中的毛細(xì)孔滲入到混凝土構(gòu)件的內(nèi)部;而后水分會(huì)蒸發(fā)，導(dǎo)致鹽溶液發(fā)生過飽和現(xiàn)象，此時(shí)鹽就會(huì)結(jié)晶析出，當(dāng)鹽充滿孔道后再繼續(xù)析出就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶應(yīng)力，引起混凝土開裂。這種過程反復(fù)作用，就導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面層混凝土不斷剝落。化學(xué)作用破壞一般分為兩種，一種是含有氯離子的溶液或蒸汽滲入混凝土構(gòu)件內(nèi)部，和混凝土構(gòu)件中的鋼筋形成陰陽電極，引起鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕后體積產(chǎn)生膨脹，銹蝕作用持續(xù)進(jìn)行，生成的產(chǎn)物也會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土構(gòu)件表層混凝土剝落。另一種化學(xué)作用是含有硫酸根離子的溶液或蒸汽滲入混凝土構(gòu)件內(nèi)部，硫酸根離子和水泥漿中的部分組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這時(shí)的破壞可能是反應(yīng)產(chǎn)物可能產(chǎn)生膨脹而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，也可能是由于水泥的水化產(chǎn)物部分或完全分解，導(dǎo)致混凝土與鋼筋的粘結(jié)力或其自身強(qiáng)度逐漸降低，最終引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞［6］。有效提高混凝土的耐腐蝕性主要包括使用設(shè)計(jì)合理的配合比，采用優(yōu)良的施工工藝，摻加高性能外加劑等技術(shù)措施。

6 護(hù)筋性

鋼筋腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，既與混凝土的外保護(hù)層厚度、密實(shí)度有關(guān)，也與混凝土中的礦物組成、內(nèi)部孔溶液中的pH值、有害離子含量、混凝土中的含水量、環(huán)境和使用維護(hù)有關(guān)?？茖W(xué)的選用原材料與配合比，摻加品質(zhì)優(yōu)越的外加劑，再通過良好的拌合、澆筑、振搗和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制，從而降低混凝土的孔隙率、提高密實(shí)度、減緩碳化速度和有害離子的侵入速度。另外，混凝土表面涂層和在鋼筋表面制作環(huán)氧樹脂保護(hù)膜也是有效的途徑。

7 結(jié)語

西部地區(qū)混凝土除面臨上述耐久性問題外，還可能涉及到碳化、水滲、有害離子滲透腐蝕以及耐風(fēng)蝕性能等?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)是利國利民的重大工程，作為最大宗的建筑材料——混凝土材料的耐久性問題，理應(yīng)引起廣泛的關(guān)注。為保證重大工程混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性，廣大建設(shè)者必須充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境條件可以造成的結(jié)構(gòu)物劣化并采取有針對性的措施。

［1］P.K.Mehta.Durability-Critical Issues for the future.Concrete International，1997.

［2］謝永江.青藏鐵路橋隧結(jié)構(gòu)用高性能混凝土的耐久性［J］.中國鐵道科學(xué)，2008(5):67-68.

［3］黃士元，將家奮.近代混凝土技術(shù)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

［4］Richard W.Burrows，The visible and invisible Cracking of concrete.

［5］盧都友.堿硅酸反應(yīng)(ASR)抑制措施研究評述［A］.重點(diǎn)工程混凝土耐久性文集［C］.2006.

［6］P.K.Mehta.Sulfate Attack on Concrete:Seperating Myths form Reality.