混凝土结构耐久性问题分析与思考

崔先泽　杜石文　官　强

摘要:本文通过对当前施工中混凝土结构的设计中存在的耐久性问题进行分析,提出了影响混凝土结构耐久性的因素并指出了在施工中常见的提高混凝土结构耐久性的措施,并结合现阶段我国的实际情况,对现阶段我国设计施工中存在的一些缺陷进行了思考。

关键词:混凝土 耐久性 腐蚀

1. 混凝土耐久性的概念

混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内,在各种环境条件作用下,不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。混凝土耐久性主要指:抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化。现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中,明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。

2. 混凝土耐久性的影响因素

2.1 混凝土的冻融破坏。当结构处于冰点以下环境时,混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏.混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落,严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小,破坏作用越小,封闭气泡越多,抗冻性越好。

影响混凝土抗冻性的因素,除了孔结构和含气量外,还包括:混凝土的饱和度,水灰比,混凝土的龄期,集料的孔隙率及其间的含水率等。

2.2 混凝土的碱-集料反应。混凝土的碱-集料反应,是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应,引起混凝土的膨胀,开裂,甚至破坏。国内外因碱-集料反应不得不拆除大坝,桥梁,海堤和学校的事件并不在少数。混凝土碱-集料反应需具备三个条件,即有相当数量的碱,相应的活性集料,水分,避免碱-集料反应的方法可采用:尽量避免采用活性集料;限制混凝土的碱含量;掺用混合材。

2.3 化学侵蚀。当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学,物理与物化变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏.常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀,一般酸性水腐蚀,碳酸腐蚀,硫酸盐腐蚀,镁盐腐蚀等几类.淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使水泥石孔隙增加,密实度降低,从而进一步造成对水泥石的破坏;当水中溶有一些酸类时,水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速;碳酸在溶淅水泥石的同时,破坏混凝土内的碱环境,降低水泥水化产物的稳定性,影响水泥石的致密度;硫酸盐SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,生成物体积膨胀开裂造成损坏。

2.4 钢筋的锈蚀。钢筋的锈蚀表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应,逐步生成氢氧化铁等即铁锈,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道,加快结构的损坏.混凝土碳化和中性化主要是由于混凝土的密实度即抗渗性不足,酸性气体渗入混凝土内与氢氧化钙作用;其二,氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用;其三,钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂;其四,钢筋的氢脆现象,即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂,钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气,当钢筋内部存在缺陷,会产生很大压力,出现鼓泡现象,使钢筋脆化。

3. 提高混凝土结构耐久性的措施

3.1 原材料的选择。水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结,硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土的耐久性就被破坏,因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小,水化热低,干缩性小,耐热性,抗水性,抗腐蚀性,抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。集料的选择应考虑其碱活性,耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度;掺混合材混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施.即近年来发展的高性能混凝土。

3.2 控制施工质量。控制施工质量主要从混凝土结构保护层的厚度控制、混凝土结构各种孔隙的控制以及水灰比控制等几个方面进行。针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境),设计使用年限为100年的结构混凝土应保护层厚度应按规范的规定增加40%;混凝土结构及构件宜整体浇筑,不宜留施工缝。可以通过掺加高效减水剂,在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙率大幅度降低。

3.3 结构的日常维护。结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。在使用中,应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质,并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查,在结构破坏超过一定的界限后,就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。

4. 对现有混凝土结构设计施工的思考

我国的结构设计规范长期没有设计使用年限的要求,在近几年修订颁布的《建筑结构设计规范》中才明确规定将建筑结构的设计年限分为四类,但这对提高混凝土结构的耐久性起不到太大的作用,虽然结构的使用年限可以通过维修延长,但结构中的个别部件不一定能够达到设计使用年限,这在桥梁等结构中尤为明显。例如设计使用30年的拉索往往不到20年就要更换,这无疑会大大缩短结构的使用寿命,应该在设计时加以考虑。

另外,由于我国的国情限制,我国的混凝土结构往往达不到发达国家的设计与施工水平。随着改革开放的进行,我国的结构设计水平已经逐渐与国际接轨,但不可否认的是,我国的科技水平仍然无法与发达国家相比,在设计中也就难免有这样那样的问题。我国的劳动力素质普遍低下,建筑施工大多还是粗放型的建造方式,施工质量难以保证。同时,我国的建筑材料与国外也有不小的差距,例如我国的水泥质量一般要比欧洲差,随着龄期的发展其后期性能提高可能相对较少,因此在龄期系数的取值上宜偏低取用。而这些也就使我国的混凝土结构耐久性低于国外水平。

参考文献:

[1]GB/T 50746-2008混凝土结构耐久性设计规范.

[2]冯乃谦、邢锋,混凝土与混凝土结构的耐久性,机械工业出版社2009.

[3](瑞士)汉斯•博尼(Bohni,H.),钢筋混凝土结构的腐蚀,机械工业出版社,2009.

[4]褚明生,浅议海水环境下增强混凝土耐久性措施,2007.

[5]陈肇元,土建结构工程的安全性与耐久性(论文集).中国建筑工业出版社2003.