混凝土耐久性的影响因素分析

刘鸿贺,张元弘

(1.黑龙江省隆兴公路勘测设计有限公司;2.黑龙江高速公路建设局)

1 混凝土耐久性的提出

在传统概念中,混凝土结构似乎不存在耐久性的问题,起码在构造物一般使用年限内,不会因耐久性而出现使用上的问题。实际上这是认识上的一个误区,混凝土结构是由多种材料组成的复合人工材料,由于结构本身的组成成分及承载力特点,其抗力有初期增长和强盛阶段,在外界环境和各种因素的作用下也存在逐渐削弱的过程,经过一定时间以后,甚至会不能满足设计应有的功能而“失效”。因此,混凝土结构也是有使用年限(寿命)的。

混凝土结构中的钢筋在酸性介质作用下,会受到锈蚀,而作为结构主体材料的混凝土也会存在缺陷。混凝土的骨料——砂、石体积基本是稳定的,而水泥胶体在凝固硬化的过程中体积缩小,在界面上形成许多裂缝,这些并不连续的裂缝在受力收缩和温度作用下会互相贯通,形成裂纹并延伸到结构的表面。混凝土在浇筑后会发生离析、泌水现象,多余水分溢出而形成毛细孔道,在钢筋或粗骨料下窝水而形成疏松层,伴随产生混凝土沉陷,受到钢筋阻拦后还会发生钢筋的纵向裂缝。搅拌、浇筑和振捣时混凝土中还会加入气体而形成气泡、孔穴。因此,混凝土存在着许多孔道、裂缝,这些缺陷都可以成为有害介质入侵的通道,并且随着时间的推移而显示出混凝土缺陷的严重性——这就是影响混凝土结构耐久性的根源。

2 混凝土耐久性的影响因素

(1)钢筋锈蚀

混凝土中水泥石含有氢氧化钙Ca(OH)2而呈碱性,其在钢筋表面形成碱性薄膜而保护了金属钢筋免遭酸性介质的侵蚀,起到“钝化”保护作用。但大气中存在的酸性介质及水通过各种孔道、裂缝而渗入混凝土,可以中和这种碱性。混凝土碳化的速度十分缓慢,并且与混凝土的质量,环境条件等因素有关。几十年的时间碳化深度才达到钢筋的表面,从而消除钢筋表面的钝化膜——脱钝,使钢筋的锈蚀成为可能。碳化的速度与许多因素有关,但时间是最主要的,同时与混凝土的强度、水灰比、施工质量结构所处环境(室内、室外)、表面状态、气候环境(温度、湿度、有害介质)、钢筋所处位置等因素也有关。几乎所有的混凝土表面都处在碳化的过程中,并且随着时间的推移碳化深度向内渗透。但不一定所有脱钝的钢筋都会锈蚀,钢筋的锈蚀还需要有水氧和酸性介质的存在。

(2)冻融循环

渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀,将从内部损伤混凝土的微观结构。经多次冻融循环后,损伤积累将使混凝土剥落、酥裂而降低混凝土的强度。混凝土会热胀冷缩,同样也会在干燥失水时收缩而在泡水浸润后膨胀。这种作用的交替进行,特别在骤然发生时,如夏季阳光暴晒下的混凝土受骤雨的冲刷,会因混凝土表层及内部体积变化不协调而产生裂缝。这些因膨胀不均而引起的损伤日积月累,导致混凝土内部组织的破坏,最终会削弱结构抗力。

(3)碱骨料反应

碱骨料反应是指混凝土中的水泥在水化过程中释放出的碱金属与含碱性骨料中的碱活性成分发生化学反应而生成碱活性物质,这种物质在吸水以后体积膨胀,破坏混凝土的内部结构,从而影响混凝土结构的使用。

(4)机械作用

反复的机械作用(磨损、冲刷等)会削弱混凝土结构,天长日久以后因损伤积累而影响抗力。冲撞、碰击等也会影响混凝土结构,生物的腐蚀作用也不能忽视,苔藓及攀附生物对结构混凝土的损伤常见于城市排污工程及海洋工程,使这些构筑物的使用年限大大减小。

(5)外加剂

在漫长的材料应用过程中,人类对材料宏观、亚微观、微观等结构层次的认识不断深刻,20世纪 40年代出现并开始推广使用的外加剂,使人类首次能够通过掺入外加剂的方法,改变材料的施工性能,并从微观、亚微观层次控制材料的内部结构,获得满足使用性能要求的高质量建材。用于调节建筑材料某些性能的外加剂如减水剂、调凝剂、泵送剂等已成为现代建筑材料必要的组分。在建筑材料中掺加一定量的外加剂可以改善材料或结构的施工性能、力学性能、耐久性能、经济性以及其他性能。

3 表面处理对提高混凝土耐久性的影响

当今,有些国家已经通过涂抹有机硅化合物来进行混凝土的表面处理。有机硅化合物主要包括:硅烷和硅氧烷。有机硅涂料具有较好的防水性能和耐久性能,可极大的减缓材料的吸水速率,并有效地降低吸水率,可用于建筑材料防水及建筑保护。硅酸盐材料在固化或烧结成型过程中,会在材料基体中形成许多毛细管通道。由于水与硅酸盐材料有较强的化学亲和力,水在毛细管中的接触角较小,空气中的水分或雨水极易在材料表面延展,并延毛细管向材料内部扩展,从而提高了材料的吸水速率和吸水率。有机硅涂料以带一定反应活性基团的有机聚硅氧烷为主要成膜物质,其主链结构与硅酸盐结构相似,它们之间具有较强的化学亲和力;另外,有机聚硅氧烷大分子上的少量活性基团在成膜过程中与硅酸盐基材中的羟基反应,结构为主链的有机聚硅氧烷在多孔的硅酸盐材料表面及毛细管内壁形成一层均匀且结合紧密的网状硅氧烷膜,而有机基团则排列在漆膜表面。这种漆膜具有很低的表面张力,水在漆膜表面只能以球状小水滴形式存在。而毛细管壁表面张力的降低,使水难以通过毛细管渗入到基体内部,从而赋予基体憎水性能。

用于混凝土的渗透型有机硅憎水剂,必须主要由低分子量和含长链有机基团的有机硅组成。三烷氧基硅烷是国际上最常用的混凝土保护有机硅,但它也有一个很大的缺点,即其挥发性。如果使用硅烷、硅氧烷低聚物混合物来代替纯硅烷,挥发问题就可以得到解决。通过改变产品中硅烷与硅氧烷的不同质量比,可以满足不同的需求。

4 结束语

分析结构的耐久性,一般不考虑结构是否处于受力状态,以及结构承受荷载的大小。可以说结构的安全性与耐久性是描述结构可靠性能的两个相对独立的指标,但混凝土结构中必然存在的微裂缝以及结构设计允许的可见裂缝将影响到混凝土结构的耐久性,而那些可见裂缝往往是荷载引起的。结构的安全性可由结构的静动力分析和承载能力验算得到,结构耐久性的评价则要综合分析结构的材料组成和结构所处的环境因素才能取得。结构的耐久性更多的需要进行概念性的分析。但是有些因素既能对结构的受力性能产生影响,又能对结构的耐久性产生影响,如结构的设计、施工质量等。结构耐久性的降低引起结构损伤,也必然引起结构受力性能的退化,最终导致混凝土结构破坏而丧失使用功能。

混凝土结构的耐久性与材料、设计、施工、使用环境和服役期间的维护维修有关。提高混凝土结构的耐久性就是根据混凝土耐久性的影响因素,结合结构的环境条件,进行系统化地耐久性设计,正确地选用材料,规范地施工和养护,合理地维护、维修,防止混凝土结构发生耐久性损伤,达到预期的使用寿命。正如前节所说,混凝土结构的耐久性不是混凝土材料及其结构的某个单一的性能,而是混凝土结构的综合品质的反映,受其内在外在各方面的因素作用。因此,提高混凝土结构的耐久性的方法应是系统的、全面的,应当是建设、设计、施工、使用(维护)以及材料等各环节的通力配合。

总的来说,混凝土结构的耐久性损害是一个缓慢发展的过程,发展的结果是将降低结构的使用功能,提高混凝土耐久性能还应当综合考虑对结构进行事前防护、事后补强加固的问题。

[1] 中华人民共和国交通部部标准.公路桥涵施工技术.[M].北京:人民交通出版社,1989.

[2] 郑兆毅.混凝土工程施工[M].成都:西南交通大学出版社, 1988.

[3] 劳动部培训司.混凝土工.[M].北京:中国劳动出版社, 1995.