[] C.L.

1 概 述

有關(guān)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)性能過(guò)早退化等問(wèn)題，其早期研究只是簡(jiǎn)單地涉及某些緩蝕型陰離子的作用機(jī)理，由于采用的是一些簡(jiǎn)陋的試驗(yàn)方法，許多嘗試屢屢受挫。直到問(wèn)題得到逐步解決，才開(kāi)展了對(duì)緩蝕劑作用機(jī)理的研究，如苯甲酸根離子，在有溶解氧成分的水溶液中能使鋼筋鈍化(譯注：鈍化即生成致密的氧化層保護(hù)膜四氧化三鐵)，也就是說(shuō)，苯甲酸根離子與鐵陽(yáng)離子在金屬及體表面結(jié)合形成難溶物，能減緩金屬的腐蝕。就鋼筋混凝土而言，鋼筋在酸性環(huán)境中易遭到腐蝕，而堿環(huán)境則有利于保護(hù)鋼筋不被銹蝕，這就是為什么在未污染的含堿混凝土中，金屬通常是處于鈍態(tài)的。

通常，在分析鋼筋腐蝕和性能退化現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)采用可重復(fù)使用、特性保持良好的試樣表面。顯然，這與探求混凝土鋼筋腐蝕作用而制定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法有關(guān)?？煽紤]綜合運(yùn)用與檢測(cè)老建筑物中鋼筋腐蝕相類(lèi)似的顯微技術(shù)與分析技術(shù)，但這不能不說(shuō)仍是一大挑戰(zhàn)，對(duì)于眾多實(shí)際建筑物可能遇到的不同鋼筋表面狀況的特性，需不斷完善模擬試驗(yàn)方法，開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。如果對(duì)其表面特性不能進(jìn)行良好的分析，則意味著這種試驗(yàn)條件不具代表性，不能作為材料檢測(cè)的依據(jù)。

2 警示事件

直到20世紀(jì)70年代，人們都普遍認(rèn)為，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性均滿足要求，即使在極潮濕的環(huán)境中(這種環(huán)境對(duì)鋼和木材等建筑材料是有腐蝕性的)也無(wú)須進(jìn)行重大維護(hù)。1972年，新頒布了英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用守則，即混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用(CP 110)，而世界上絕大多數(shù)這種混凝土結(jié)構(gòu)，其主要組成材料均為硅酸鹽水泥，而這種水泥是1824年由英國(guó)人J.阿斯普丁發(fā)明演化而來(lái)的。到了20世紀(jì)初，鋼筋混凝土便成為英國(guó)當(dāng)時(shí)的主要建筑材料。20世紀(jì)40年代，預(yù)應(yīng)力混凝土開(kāi)始引入英國(guó)，且應(yīng)用規(guī)模越來(lái)越大。 像CP 110這種標(biāo)準(zhǔn), 主要涉及混凝土的耐久性問(wèn)題，要求規(guī)范運(yùn)作，而對(duì)混凝土鋼筋的保護(hù)層厚度、容許裂縫寬度、水泥用量、水灰比等要求，該標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)確的解釋并不多，而對(duì)可能遭遇的各種環(huán)境影響也極少明確的提及，對(duì)規(guī)定的預(yù)期壽命概念也只字未提。

在1973年6月至1974年2月期間，英國(guó)有3座公共建筑突然倒塌，這是混凝土結(jié)構(gòu)早期不應(yīng)出現(xiàn)的一種跡象。從結(jié)構(gòu)上看，這些建筑是由組成材料為高鋁水泥(也稱(chēng)礬土水泥，HAC)的混凝土建成的，據(jù)報(bào)告，建筑物失事正是與一種稱(chēng)為相變過(guò)程引起的水硬性膠凝材料的強(qiáng)度退化有關(guān)。從微觀上看，硬化材料空隙結(jié)構(gòu)有一漸變過(guò)程，與水泥中水化鋁酸一鈣的初始亞穩(wěn)態(tài)水化物分解有關(guān)：

3(CaO·Al2O3·10H2)→3CaO·Al2O3·6H2O+

2(Al2O3·3H2O)+18H2O

(1)

這種態(tài)勢(shì)引起了英國(guó)相關(guān)政府部門(mén)的密切關(guān)注，他們鄭重警告，需要由專(zhuān)業(yè)工程師來(lái)評(píng)價(jià)采用了HAC結(jié)構(gòu)混凝土建造的這類(lèi)建筑物。

3 混凝土中鋼筋腐蝕問(wèn)題

20世紀(jì)70年代初，許多國(guó)家都普遍采用氯化鈣作為加速硅酸鹽水泥混凝土水化作用的一種外加劑，當(dāng)時(shí)就有人對(duì)有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)性能退化這一常規(guī)知識(shí)問(wèn)題提出了嚴(yán)重質(zhì)疑，因?yàn)槿藗兞私獾?，氯化鈣會(huì)引起埋在混凝土中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕問(wèn)題，這最終使得英國(guó)不得不修訂氯化物在結(jié)構(gòu)混凝土中容許含有量的約束規(guī)定(CP 110:1972)。

如今，越來(lái)越多的證據(jù)表明，更為嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問(wèn)題，都與使用含氯化物的混凝土材料有關(guān)，并且硫酸鹽和碳化作用的影響，也是其罪魁禍?zhǔn)住Ｔ诎⒗疄车貐^(qū)，由于氣候條件的不利影響，混凝土性能退化的速率比一般常規(guī)地區(qū)要快得多。在美國(guó)和加拿大，也常有與采用氯化鈉和氯化鈣防凍劑使鋼筋大量腐蝕導(dǎo)致公路橋損壞的有關(guān)報(bào)道。20世紀(jì)80年代初期，已形成了全球性的對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕問(wèn)題的關(guān)注，以至組成了RILEM(國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn))技術(shù)委員會(huì)(TC 60-CSC)來(lái)對(duì)這種材料的運(yùn)用前景進(jìn)行考證。公開(kāi)出版的國(guó)際著名雜志《自然》，專(zhuān)門(mén)出版了專(zhuān)刊，刊發(fā)了有關(guān)“混凝土中鋼筋的電化學(xué)作用”的論文。

隨后世界各國(guó)都做了大量的努力來(lái)提高新預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，并為這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)用設(shè)計(jì)了有效的工況監(jiān)控系統(tǒng)。不過(guò)對(duì)于現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)仍面臨著難題，應(yīng)吸取以往經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，比如如果強(qiáng)力預(yù)應(yīng)力鋼筋置入金屬套管內(nèi)(不論是否灌漿)，不能用傳統(tǒng)檢測(cè)方法事先迅速監(jiān)測(cè)出其腐蝕狀況。還有一些很基本的教訓(xùn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師也應(yīng)吸取，如需要控制鋼筋保護(hù)層厚度的實(shí)際允許偏差，這對(duì)鋼筋混凝土耐久性有著重要影響。另外, 對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的水平面，應(yīng)提供有效的排水，特別是在海水地帶，如本來(lái)就聚集有海水，而不良的混凝土構(gòu)造接縫可能不能阻止海水的滲入而成為快速流入氯化物溶液的通道，導(dǎo)致鋼筋腐蝕。

4 其他不可預(yù)測(cè)的問(wèn)題

鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕無(wú)疑是造成混凝土結(jié)構(gòu)性能早期退化的最普遍的形式，但也不是唯一的影響混凝土耐久性的突出問(wèn)題。例如在英國(guó)，堿硅反應(yīng)(ASR，也叫堿骨料反應(yīng))和碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)，都是向人們發(fā)出的險(xiǎn)情標(biāo)志，如果將這些影響鋼筋混泥土耐久性的問(wèn)題視為理所當(dāng)然，那必然是后患無(wú)窮。

4.1 堿硅反應(yīng)(ASR)

早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)就發(fā)現(xiàn)了ASR問(wèn)題，二戰(zhàn)后不久，其他很多國(guó)家也都發(fā)現(xiàn)了此類(lèi)問(wèn)題，但直到20世紀(jì)70年代，英國(guó)(英倫各島上)才對(duì)這一問(wèn)題有了正確認(rèn)識(shí)。最早所知的案例發(fā)生在1957～1961年期間建在英國(guó)澤西(Jersey)島上的一座混凝土重力壩，在1971年發(fā)現(xiàn)大壩出現(xiàn)位移和裂縫，原因就是混凝土中發(fā)生ASR。

隨后不久，在英國(guó)本土上也發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)工程案例。面對(duì)發(fā)生的種種情況，國(guó)家需緊急修訂ASR準(zhǔn)則。在相關(guān)的研究活動(dòng)中，科研小組需按要求設(shè)計(jì)出一種試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)可能發(fā)生反應(yīng)的堿骨料進(jìn)行分類(lèi)，并需要評(píng)價(jià)混凝土的哪些暴露面可能受到海水環(huán)境的影響，再進(jìn)一步按照摻加一定火山灰起緩蝕作用的原理，建立空隙(混凝土為多孔材料)液相化學(xué)特性與ASR的關(guān)系(見(jiàn)圖1)。 2004年，英國(guó)對(duì)ASR國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(目前為 BRE Digest 330)進(jìn)行了最后的修訂，但從水泥行業(yè)近年的發(fā)展看，仍有進(jìn)一步修訂的需求。

注：水灰比中的灰為水泥+硅粉

4.2 碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)

對(duì)于TSA，除了有幾份零星的報(bào)告以外, 通常為人所知的是，早在20世紀(jì)90年代，BRE(英國(guó)建科院)對(duì)不合格的混凝土基礎(chǔ)展開(kāi)調(diào)查后認(rèn)為，這種獨(dú)特形式的性能退化原因，是寒冷和潮濕環(huán)境中的硫酸鹽所致。隨后，英國(guó)環(huán)境交通區(qū)域部便提出了一份最新動(dòng)態(tài)報(bào)告，并于2001年以BRE專(zhuān)輯的形式編制了新的“侵蝕性土基條件下的混凝土”準(zhǔn)則，考慮到進(jìn)一步研究所需，2003～2005年進(jìn)行了版本更新，其中用了更多的篇幅，對(duì)易受硫酸鹽侵蝕的混凝土提出了明確要求。

TSA的研究中有一大難題，即要找到一種快捷的方法來(lái)評(píng)估鋼筋混凝土性能退化的長(zhǎng)期變化過(guò)程。加溫可作為一種常用方法來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)，便于進(jìn)行即時(shí)分析。如運(yùn)用該方法發(fā)現(xiàn)，常規(guī)形式的硫酸鹽侵蝕，會(huì)引起鈣礬石膨脹(堿-硅反應(yīng)膨脹的一種形式)，而這一過(guò)程的實(shí)質(zhì)，其實(shí)就是在碳酸鹽生成碳硫硅鈣石時(shí)，水泥水化物與硫酸根離子結(jié)合而增強(qiáng)了結(jié)晶物水化硅酸鈣的成分。因此，傳統(tǒng)上采用低C3A含量的波特蘭抗硫酸鹽水泥(SRPC)，除作為一種能改善常規(guī)形式硫酸鹽侵蝕的狀況、降低其嚴(yán)重程度的措施外，并沒(méi)有更強(qiáng)的抵御TSA的作用。

5 存在的問(wèn)題

在過(guò)去的40 a里，不僅吸取了很多有關(guān)混凝土性能退化過(guò)程的教訓(xùn)，而且這方面的研究也取得了重大進(jìn)展，特別是在無(wú)損檢測(cè)和探測(cè)儀方面的運(yùn)用，使人們能夠通過(guò)預(yù)測(cè)性措施，更高效地增強(qiáng)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的耐久性。

然而潛在的一大問(wèn)題是，針對(duì)因建材性能和工藝的變化而影響到其長(zhǎng)期耐久性，如何能做到采用一種快捷的檢測(cè)方式來(lái)給出問(wèn)題的簡(jiǎn)略答案，是近年來(lái)研究人員所面臨的挑戰(zhàn)。究其原因，部分是因?yàn)樾枰跍p少隱含碳的基礎(chǔ)上，有適應(yīng)應(yīng)對(duì)氣候變化的措施，具體來(lái)說(shuō)就是采用性能更優(yōu)越的膠凝材料來(lái)替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，并使之成為一種發(fā)展的趨勢(shì)。最近英國(guó)有一篇關(guān)于“綠色混凝土”的論文，對(duì)此作了研究，即用8周的加速碳化作用的試驗(yàn)成果，作為比較不同水泥混凝土試件在預(yù)期50 a的自然抗碳化作用的依據(jù)。因?yàn)閷?duì)預(yù)期壽命很長(zhǎng)的材料進(jìn)行加速試驗(yàn)困難重重，所以所需數(shù)據(jù)就必須從上述快速試驗(yàn)中獲取，以利于對(duì)長(zhǎng)期獨(dú)處的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果進(jìn)行修正。

在過(guò)去的20 a中，人們希望把計(jì)算模型技術(shù)應(yīng)用到混凝土性能退化過(guò)程的分析中，但因其復(fù)雜化程度極高，況且還一直在研究如何將其運(yùn)用到設(shè)計(jì)和性能規(guī)范中，所以這些努力都陷入了極度的困境。主要原因還是在于缺乏對(duì)某些需納入到材料壽命模型臨界參數(shù)的可靠認(rèn)知度。現(xiàn)人們對(duì)混凝土中氯離子水平的閾值變化已有了充分認(rèn)識(shí)，如果該閾值發(fā)生變化(也就是鋼筋表面的氯離子量超過(guò)臨界值)，則含鹽程度不同的環(huán)境中的鋼筋保護(hù)膜將有直接受到攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。以下分類(lèi)列出了各相關(guān)因素(并不完整)。

(1) 外界條件，包括氯離子水平、濕度、氧氣、二氧化碳、硫酸鹽、溫度等等；

(2) 鋼筋的原始構(gòu)造面狀況，包括氧化皮、鐵銹、鹽、潤(rùn)滑油等雜質(zhì)的自然狀況和附著量；

(3) 鋼筋潛在的鈍性，主要與氧氣攝入量和受到氯離子侵蝕之前鋼筋鈍化膜的穩(wěn)定性有關(guān)；

(4) 鋼筋周?chē)炷量障兑褐凶杂陕入x子和氫氧離子的濃度；

(5) 鋼筋與混凝土界面固態(tài)水化物和存在的空隙、裂縫、裂隙等特性。

混凝土拌和物成分中的氯鹽，如果占到水泥重量的0.4%左右，那么鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋被腐蝕的危險(xiǎn)程度一般會(huì)達(dá)到低至中等程度，對(duì)于這種情形，只要通過(guò)為期幾個(gè)月的試驗(yàn)室試驗(yàn)，不同的水泥對(duì)鋼筋的腐蝕作用就可一目了然。

6 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)過(guò)去40 a的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)得出，鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)并不是經(jīng)久耐用的，對(duì)于如何模擬一些在腐蝕性環(huán)境中影響其耐久性的性能退化過(guò)程的基本知識(shí)還較為欠缺。某些混凝土結(jié)構(gòu)失事或損壞的主要原因，是因其未得到妥善維護(hù)而導(dǎo)致性能退化造成的。由此看來(lái)，在現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)和施工都需進(jìn)一步完善，耐久性問(wèn)題亟待解決。

在如何設(shè)計(jì)和建造有較強(qiáng)耐久性并能抵御外界腐蝕性條件的混凝土結(jié)構(gòu)方面，以及在開(kāi)發(fā)有效預(yù)防和補(bǔ)救維修策略方面均取得了很大進(jìn)展，而且這些補(bǔ)救和維修措施，都將納入到新建筑和修復(fù)項(xiàng)目的資金計(jì)劃中。當(dāng)然，這些都得通過(guò)材料工程師和結(jié)構(gòu)工程師們的共同協(xié)作努力才能達(dá)到。展望未來(lái)，今后時(shí)期的一項(xiàng)重任，就是要在政府的持續(xù)支持下，引進(jìn)資深的跨學(xué)科研究人才和各專(zhuān)業(yè)的工程師，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，不斷攻克難關(guān)，以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。