混凝土结构耐久性问题综述

河南省交通科学技术研究院有限公司 邢 洁

混凝土结构耐久性问题综述

河南省交通科学技术研究院有限公司 邢 洁

一、混凝土结构耐久性

混凝土结构已经成为世界上应用最广泛的工程结构形式之一，结构耐久性是工程结构可靠性的重要内涵之一，欧美国家关于混凝土结构耐久性的解释，主要着眼点是经济合理的使用寿命。而在我国，关于混凝土结构耐久性的解释多与结构的安全性相联系，将耐久性看成是承载能力极限状态的问题，是结构的安全问题。

二、混凝土结构耐久性影响因素

混凝土结构耐久性的影响因素众多，常见的有混凝土碳化、碱-骨料反应、钢筋锈蚀、混凝土冻融损伤、化学物质的侵蚀以及机械物理损伤、大气侵蚀、生物侵蚀、熔蚀等因素。在这些影响因素的作用下，混凝土结构的使用寿命大大缩短，尤其是钢筋锈蚀，它是影响混凝土结构耐久性最常见的因素之一。以下就几种主要的影响因素进行阐述。

1.混凝土碳化。空气中的二氧化碳与水泥石中的碱性物质通过复杂的物理、化学过程，相互作用，使混凝土的成分和性能发生变化，使用机能下降，这就是混凝土碳化。碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用。混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

以普通硅酸盐水泥为例，在其充分水化后，混凝土孔隙水溶液为氢氧化钙饱和溶液，pH值约为12～13，呈强碱性。普通硅酸盐水泥碳化反应的产物主要是碳酸钙，碳酸钙为非溶解性钙盐，会堵塞凝胶孔隙和部分毛细孔隙，使混凝土的密实度和强度提高，孔隙率降低，因而使混凝土的力学性能和构件的受力性能发生变化。但试验研究表明，其影响并不大。混凝土碳化对混凝土结构的主要负面影响在于其引起的钢筋锈蚀的耐久性问题。

2.混凝土碱-集料反应。碱-集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺和料或拌和水中的可溶性碱和混凝土孔隙中及集料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化过程中逐渐发生的一种化学反应。碱-集料反应发生于混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱之间，反应产物为硅胶体。这种硅胶体遇水膨胀，产生很大的膨胀压力，从而引起混凝土开裂。碱混凝土结构一旦发生碱-集料反应出现裂缝后，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，使得裂缝进一步扩大。若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这样就造成了混凝土工程的综合性破坏。对此类破坏，目前还没有有效的修补方法。对碱-碳酸盐反应的预防也尚无有效的措施。

3.氯离子侵蚀。我国海域辽阔，海岸线长，基础建设多集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，已建的海港码头等工程多数都达不到设计的使用寿命。我国北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撤除冰盐，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏。我国盐碱地分布广泛，其腐蚀条件更为苛刻，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀严重威胁混凝土结构的耐久性。

氯离子侵入混凝土主要通过扩散作用、毛细管作用、渗透作用、电化学迁移等方式。氯离子在混凝土中的侵入过程通常是几种作用共同存在的，与速度最快的毛细管吸附相比，渗透和电化学迁移产生的迁移可以忽略。但在许多情况下，尤其是在海洋环境下，扩散被认为是最主要的侵入方式。

4.混凝土冻融破坏。混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。当毛细孔中的水处于饱和水状态，在温度下降到冰点以下时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，胶凝孔中处于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀，毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压力，当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，使混凝土由表及里遭到破坏。

5.钢筋锈蚀。在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素。新鲜混凝土孔隙中是碱度很高（pH值可超过13）的氢氧化钙饱和溶液，在这样的高碱性环境中，钢筋表面被氧化，形成一层厚度为20～60A的氧化膜，使钢筋处于钝化状态。但混凝土的中性化（主要是碳化）使混凝土中的pH值降低时，或者有足够浓度的氯离子扩散到钢筋表面时，钢筋钝化膜将会遭到破坏。钢筋锈蚀后，除了有效截面积减小，屈服强度下降等变化外，其与混凝土黏结性能也会发生变化。试验研究表明：随着钢筋锈蚀量的增加，变形钢筋与混凝土的黏结强度比先期略有增加，而后期则有较大幅度的衰退。钢筋与混凝土之间黏结强度的衰退，使得钢筋的强度不能被全部利用，从而与其他因素一起影响混凝土构件的使用性能和承载力。

混凝土结构的耐久性是一个十分复杂而且越来越突出的工程结构问题。在工程界引起普遍的的重视。国内外学者对此进行了大量的研究，并且取得了可喜的成果。同时在这一领域还存在着诸多未解决的难题有待探讨。