程思勝

（徐州市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土耐久性影響因素的分析及應(yīng)對措施

程思勝

（徐州市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土的鋼筋銹蝕、碳化、侵蝕性介質(zhì)腐蝕、凍融破壞、堿骨料反應(yīng)是破壞其耐久性的主要因素，通過對混凝土破壞機理的分析，提出了確保和提高混凝土耐久性的措施。

混凝土；耐久性；影響因素；破壞機理；應(yīng)對措施

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其整體性好、可塑性強，維修費用低等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于整個二十世紀(jì)，混凝土因其工程量大，將會因耐久性不足對未來社會造成極為沉重的負擔(dān)。據(jù)美國一項調(diào)查顯示，美國的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程總價值約為6萬美元，每年所需維修費或重建費用約3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已損壞，平均每年有150～200座橋梁部分或完全坍塌；美國共建有混凝土水壩3 000座，壽命30 a，其中32%的水壩年久失修。美國二戰(zhàn)前后修建的混凝土工程，在使用30～50 a后進行加固維修所投入的費用，約占建設(shè)總投資的40%～50%以上。我國上世紀(jì)50～60年代所建設(shè)的混凝土工程已使用40余年，如果我國混凝土工程的平均壽命30～50 a計，在今后的10～30 a內(nèi)，一部分混凝土結(jié)構(gòu)紛紛進入老化階段，外觀的損壞，變形的增大，承載力的降低，不僅對混凝土結(jié)構(gòu)的使用安全帶來隱患，而且所需維修費用，也將是極其巨大的。因此混凝土的耐久性逐漸成為研究的熱點，鋼筋混凝土的設(shè)計內(nèi)容除了傳統(tǒng)的強度、剛度、穩(wěn)定性等基本的力學(xué)性能指標(biāo)以外還必須考慮其耐久性、經(jīng)濟性。對在役老化的建筑進行科學(xué)合理的耐久性和經(jīng)濟性評定以及剩余壽命的預(yù)測，是當(dāng)今土木工程領(lǐng)域的研究熱點。本文在闡述混凝土耐久性的基礎(chǔ)上，分析了影響混凝土耐久性的主要因素，提出了提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施。

1 混凝土耐久性概述

混凝土的耐久性指的是混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境及使用條件下使用過程中，混凝土維持自身正常使用狀態(tài)的一種能力，或者說是結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)抵抗外界環(huán)境或內(nèi)部侵蝕破壞作用的能力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足會給構(gòu)筑物造成嚴重的后果，同時會給人類帶來安全隱患。影響混凝土耐久性的因素一般包括混凝土鋼筋銹蝕、碳化、侵蝕性介質(zhì)腐蝕、凍融破壞、堿骨料反應(yīng)等。

2 影響混凝土耐久性的因素[1,2]

（1）鋼筋銹蝕

通?；炷羶?nèi)部呈現(xiàn)的是強堿性環(huán)境（pH≥13），在鋼筋表面會形成一層厚度約為(30～60)×10-10m的致密金屬氧化物和金屬氫氧化物晶體薄膜，即為鋼筋鈍化膜，保護鋼筋免遭銹蝕，但當(dāng)混凝土因碳化而使pH值降低或氫離子濃度相當(dāng)高時，這種鈍化膜就會被破壞。鈍化膜被破壞后，鋼筋就容易在空氣和水份的環(huán)境中與氧和氫離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e+O2+H2O→2Fe2++4OH-→2Fe（OH）2。

鋼筋表面的鐵不斷失去電子而銹蝕，產(chǎn)生Fe（OH）2銹蝕物，使鋼筋表面產(chǎn)生銹蝕。鋼筋銹蝕后，產(chǎn)生鐵銹，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，導(dǎo)致混凝土開裂，進而空氣及水進入，進一步加劇鋼筋電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋加快銹蝕，減小鋼筋的有效斷面，從而降低鋼筋的承載能力，導(dǎo)致混凝土承載力的降低，見圖1。

圖1 鋼筋銹蝕

（2）碳化

混凝土碳化是指混凝土本身含有大量的毛細孔，空氣中二氧化碳與混凝土內(nèi)部的游離氫氧化鈣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，造成混凝土疏松、脫落，見圖2。碳化后使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，進而引發(fā)鋼筋銹蝕、混凝土收縮開裂?；瘜W(xué)反應(yīng)具體如下：

圖2 碳化

由此可知，混凝土的碳化是同時在氣相、液相和固相中進行的一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。這些化學(xué)反應(yīng)對混凝土耐久性是有害的，首先會降低混凝土的堿度，當(dāng)pH值降低時，鋼筋表面鈍化膜將受到破壞，產(chǎn)生“去鈍”，造成鋼筋的銹蝕。混凝土的碳化會加劇混凝土的收縮，也會導(dǎo)致混凝土的開裂和結(jié)構(gòu)的破壞，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生較大破壞。

（3）混凝土的抗凍融性

很長時間以來，國內(nèi)外在混凝士抗凍性研究及如何保證提高建筑物混凝上的抗凍性方面，積累了大量的經(jīng)驗，并提出了各種學(xué)說：a.冰的分離層理論；b.充水系數(shù)理論；c.滲透壓力理論；d.水壓力理論；e.冰融臨界飽水值理論；f.孔結(jié)構(gòu)理論。

以上各種理論，總的都認為混凝土凍融破壞，是由于表面先飽水，由表及里，因混凝土不密實先從大的孔隙中造成靜水壓力，使過冷的水遷移，冰、水蒸汽壓差造成滲透壓力，當(dāng)壓力超過混凝土能承受的強度時，也就是破壞力大于抵杭力時，混凝土內(nèi)部孔隙及微細裂縫不斷擴展，由小變大，相互貫通。由于滲透壓及水壓力的作用，反復(fù)凍融造成最后破壞?；炷羶鋈谑且环N物理與力學(xué)作用的綜合反應(yīng)。它降低混凝土強度，影響建筑物安全使用，因此混凝土的抗凍性是提高混凝土耐久性的重要指標(biāo)。

（4）侵蝕性介質(zhì)腐性

在酸、堿性溶液作用下的環(huán)境，侵蝕性介質(zhì)將對混凝土產(chǎn)生腐蝕，主要是由氯鹽、硫酸鹽產(chǎn)生的“鹽害”，氯離子是一種高效的活化劑，在較低的濃度下（混凝土重量的0.014%～0.022%），可以有效地破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕。

另外一種鹽是硫酸鹽，硫酸鹽與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鹽反應(yīng)生成有破壞性的膨脹性產(chǎn)物鈣礬石。C3A+3CS·H2+26H+→C3A·3CH32（鈣礬石），鈣礬石導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生開裂，引起水、空氣和鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而引起鋼筋混凝土的強度降低。

（5）混凝土堿集料反應(yīng)（AAR）

混凝土堿骨料反應(yīng)是指混凝土骨料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，生成堿硅酸凝膠并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，致使混凝土開裂。堿主要來源于水泥熟料、外加劑，骨料中活性材料主要是SiO2、硅酸鹽、碳酸鹽等。

堿集料反應(yīng)可分為堿硅酸反應(yīng)、堿碳酸鹽反應(yīng)、堿硅酸鹽反應(yīng)3類，堿硅酸反應(yīng)是發(fā)生最多的一種堿集料反應(yīng)。

混凝土工程發(fā)生堿集料反應(yīng)破壞必須其備三個條件：

a.配制混凝土?xí)r由水泥集料、外加劑和拌和水帶進混凝土中一定數(shù)量的堿，或者混凝土處于有堿滲入的環(huán)境中；

b.有一定數(shù)量的堿活性集料存在；

c.潮濕環(huán)境，可以供應(yīng)反應(yīng)物吸水膨脹時所需的水分。

三者缺一不可，前兩者為混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的內(nèi)因，后者為外因?；炷涟l(fā)生堿集料反應(yīng)破壞的特征外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物，而內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿-集料、內(nèi)部裂縫、堿含量等?；炷两Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿集料反應(yīng)出現(xiàn)裂縫后，會加速混凝土的其他破壞，空氣、水、二氧化碳等侵入，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，若在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后又會使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土實體的綜合性破壞。

3 提高混凝土耐久性的措施

（1）預(yù)防鋼筋的銹蝕。常用的方法有環(huán)氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環(huán)氧樹脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹脂防腐涂層，這種鋼筋保護層能長期保護鋼筋使其免遭腐蝕。此外，在混凝土表面涂層也是簡便有效的方法，但涂料應(yīng)是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。還可采用新材料，如耐銹鋼筋、阻銹鋼筋等。

（2）在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，還可摻加高效減水劑盡可能降低用水量，減小水灰比，增強混凝土的密實性，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細孔隙率大幅度降低。

（3）避免或減輕堿集料反應(yīng)。混凝土堿集料反應(yīng)危害很大，一旦發(fā)生很難修復(fù)?？梢圆扇】刂苹炷了盟嘀袎A含量，選用非活性骨料，盡量避免混凝土結(jié)構(gòu)處于潮濕環(huán)境。

（4）嚴格控制施工配合比，攪拌必須均勻，振搗必須到位，要嚴格遵守養(yǎng)護制度，可以用表面養(yǎng)護劑來改善養(yǎng)護條件，提高保水性，加速表面硬化?；炷翗?gòu)件的侵蝕病害都是從表面開始的，在混凝土終凝前做好原漿抹面壓光，增強表面密實度，也可采用表面浸漬和表面涂蓋的手段來降低混凝土表面滲透性。

（5）防止混凝土的凍融破壞。混凝土的組成、配合比、養(yǎng)護條件和密實度決定了其在飽水狀態(tài)下抵抗凍融破壞的能力，目前只有加氣混凝土才能有效提高混凝土的抗凍性。引氣是提高混凝土抗凍性的主要參數(shù)。一般引氣量4%～8%，以達到混凝土內(nèi)部孔隙封閉和密實，同時應(yīng)避免采用吸水率較高的集料。

（6）拌合及養(yǎng)護用水?；炷涟韬霞梆B(yǎng)護用水，應(yīng)考慮其對混凝土強度的影響。水灰比的大小很大程度影響混凝土強度值的大小。拌合水應(yīng)檢查其雜質(zhì)情況，防止影響砂漿及混凝士生成時雜質(zhì)影響其耐久性。海水中含有硫酸鹽、鎂鹽和氯化物，除了對水泥石有腐蝕作用外，對鋼筋的腐蝕長產(chǎn)生很大影響，因此在腐蝕環(huán)境中的混凝土不宜采用海水拌制和養(yǎng)護。

（7）針對不同的腐蝕環(huán)境應(yīng)設(shè)計不同的保護層厚度。如一類環(huán)境(室內(nèi)正常環(huán)境)設(shè)計使用年限為100 a的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)符合下列規(guī)定：混凝土保護層厚度應(yīng)按規(guī)范的規(guī)定增加40%；當(dāng)采取有效的表面防護措施時，混凝土保護層厚度可適當(dāng)減少。混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件宜整體澆筑，不宜留施工縫。當(dāng)需要設(shè)置后澆帶時，后澆帶要澆筑微膨脹混凝土，其位置及構(gòu)造不得有損于結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 結(jié) 語

混凝土耐久性問題是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、配合比設(shè)計、材料、施工、以及維護等多方面的因素，只有各方面共同努力，才能解決這一工程領(lǐng)域中的重大課題。合理的構(gòu)造、合理的混凝土配合比、優(yōu)質(zhì)的原材料、嚴格的施工質(zhì)量控制以及定期養(yǎng)護檢測與維修是確保混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效措施。

[1]GB/T50476-2008,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].

[2]李占文.影響混凝土結(jié)構(gòu)工程耐久性的主要因素分析[J].國防交通工程與技術(shù),2012(S2):31-32.

U444

B

1009-7716（2016）12-0113-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.033

2016-09-05

程思勝（1977-），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事道路、橋梁施工技術(shù)管理工作。