严酷环境下的混凝土耐久性进展研究

吴嘉君，朱银国，许家宁，张士萍，宗兰

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

水泥混凝土是一种原材料来源丰富并能消纳工业废渣，能耗与成本较低，与钢筋结合使用的用量最大、用途最广的建筑材料。但是，由于混凝土抗拉强度较低、干缩大、易受某些环境条件影响，国家部分混凝土工程已出现腐蚀、碱集料反应、冻融破坏等，有些甚至已经影响了结构的安全运行。国家建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25～30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年[1]。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，许多工程建成后不久就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂的现象。我国正处在现代化建设初级阶段，基础设施工程浩大，随着我国西部大开发战略的实施，许多重大工程已经开始在我国西部地区开展，如西气东输、青藏铁路、跨国油气输送管道的建设等。所有这些重大混凝土工程都要求材料必须有抵抗各种力学、环境因素复合作用下引起混凝土损伤破坏的能力。如果忽视混凝土耐久性问题，这些工程必将迎来大规模的维修期，耗资巨大。因此，提高混凝土耐久性，延长建筑物使用寿命，避免大修大补是实施可持续发展的关键。

混凝土耐久性的研究由来已久。耐久性差的原因，可能是混凝土所处的环境因素，也可能是由于混凝土自身内在因素。外因如温度、磨损、应力、腐蚀、风化等；内因有碱集料反应、渗透性、集料与水泥浆体热工性质的差异引起的体积变化等。从破坏因素作用的机理来看，可分为物理因素、化学因素和机械因素。物理因素如温度、风化、渗透，化学因素如腐蚀、碱集料反应等，机械因素如荷载、磨损等[2]。根据混凝土耐久性的定义，我们可以将影响因素分为五个方面，即冻融作用、侵蚀性化学物质的腐蚀、钢筋锈蚀和碱集料反应。

有资料表明[3-4]，东北、华北、西北地区是冻融破坏的受灾区，尤其是东北严寒地区，几乎所有的混凝土工程均遭受不同程度的冻融破坏。因此，混凝土抗冻性的研究具有重大的社会意义和经济意义。氯盐侵蚀是混凝土耐久性的一项重要内容。我国幅员辽阔，氯离子广泛存在于海洋环境、道路化冰、盐湖和盐碱地、工业环境、特种行业等各类环境中。由氯离子引起的钢筋锈蚀是结构设计使用期内一个不容避免的问题。而钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性降低甚至破坏的首要原因。本文主要介绍了冻融环境以及氯盐环境条件下混凝土结构的耐久性。

1 混凝土冻融破坏

1.1 冻融破坏研究背景

混凝土的抗冻性能是其耐久性的一项重要指标，同时也是一项综合性能指标。水工混凝土的设计指标中经常用抗冻性指标代替其耐久性指标。根据我国水工建筑物耐久性调查资料[5]，在32座大型混凝土大坝工程、40余座中小型工程中，22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题，大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华北和西北地区，尤其是在东北严寒地区。除三北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，在我国长江以北、黄河以南的华中及华东、中南区域每年也有负温天气，混凝土建筑物均有可能出现冻融损伤[2]。与水工、海工结构相比，我国对路桥混凝土结构耐久性的研究滞后了约20年。1999年以前建成的路面基本上没有采取抗冻融技术措施，路面设计基准期为30年，而大部分实际使用不到10年就需要进行大修[5]。2001年进行的东北地区民用机场道面损伤研究调查发现，所有被调查机场均发现不同程度和范围的冻融损伤，某机场开通不足10年，其道面90%以上混凝土板块发生冻融破坏[5]，还有某机场建成使用不到2年，机场跑道道肩及停机坪表面出现冻融破坏引起的裂纹和剥落。黑龙江省交通部门发现，混凝土路面一般在建成后7～8年就易产生较为严重的冻融破坏[5]。位于吉林的云峰水电站，是中朝两国合建的工程，在建成后运行不到10年已出现严重的冻融破坏现象[6]。葠窝水库位于东北地区辽宁省东部，大坝运行约10年左右，溢流面混凝土出现严重的冻融剥蚀，骨料外露呈麻面状态[6]。混凝土的冻融破坏是我国混凝土建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期和安全运行。为使这些工程继续发挥作用，有关部门每年都耗费了巨额的维修费用，根据以往经验，混凝土工程安全使用期和维护使用期的比例为1:3-10，而维护使用期的维修费用为建设费用的1～3倍[7]。因此，混凝土结构的抗冻耐久性问题对于我国混凝土建筑是一个非常普遍和重要的问题。

所有混凝土耐久性问题几乎都与环境作用相关。而对于全球面积广阔的寒冷地区而言，冻融作用无疑是导致这些区域混凝土结构性能损伤的主要因素。混凝土冻融破坏已引起国内外混凝土科学家和工程技术人员的高度重视并开展了大量研究工作。20世纪40年代以来，美国、原苏联、欧洲、日本等均着手开展了关于混凝土冻融破坏机理的研究，提出的破坏机理假说就有5～6种。但大部分假说是从纯物理模型出发，经假设和推导得出的，没有实测的数据证明。且由于混凝土结构冻融问题的复杂性，至今尚未得到公认的完全反映混凝土冻害的机理[8-9]。只有搞清楚破坏机理，才能从根本上解决混凝土的抗冻耐久性。抗冻耐久性的研究在我国乃至世界均具有重大的社会和经济意义。

1.2 冻融破坏机理

水泥混凝土的冻融破坏过程比较复杂，是一个物理变化过程。一般认为，混凝土的冻融破坏机理是在某一冰点温度下，混凝土内存在结冰的水和过冷的水。结冰的水体积增加10%，使混凝土内部发生膨胀；过冷的水发生迁移，从而引起各种压力，当压力超过混凝土承受能力时，混凝土孔隙增大，产生裂缝。当温度升高，混凝土内部水融化后，混凝土进一步吸收水达到饱和，进行新一轮冻融。可见，冻融反复循环会产生累积效果，当混凝土不能抵抗冻融产生的压力时，结构破坏。对于多孔材料而言，水在材料中的传输，是造成材料性能劣化的主要原因之一。一般认为，混凝土水分渗透性与抗冻性之间存在较好的相关性。Scherer等人认为尤其是冻融环境下的混凝土，其耐久性与水分传输性密切相关[10]。水分渗透性又与混凝土结构的密实度、孔隙构造和数量等相关。掺合料、水胶比以及有机防水涂料等都对混凝土渗透性有一定影响。1945年，Powers提出了混凝土受冻破坏的静水压假说[11]。该假说认为，在冰冻过程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液结冰膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移。孔溶液在可以渗透的水泥浆体结构中移动，必须克服粘滞阻力，因而产生静水压力[12]。静水压假说成功地解释了混凝土冻融过程中的很多现象，如引气剂的作用、结冰速度对抗冻性的影响等。

2 氯盐环境下混凝土的耐久性能

2.1 氯盐腐蚀研究背景

大量工程实践表明，沿海及近海地区由于氯离子对钢筋混凝土结构的侵蚀，导致钢筋锈蚀、结构失效。目前，国内外在关于氯离子渗透导致混凝土结构耐久性失效方面做了大量深入的研究，内容包括氯离子侵蚀机理、侵蚀模型、检测方法等。

由交通部四航局科研所主持、南科院等单位参加的华南地区18座码头调查的结果指出，80%以上的工程都发生了严重或较严重钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的时间有的仅5～10年。随后有关单位对华东地区、北方地区沿海码头调查也得出类似结果[13]。其原因除了施工质量存在一定问题外，另一主要原因是当时对氯离子侵入引发钢筋锈蚀的严重性认识不足。

2.2 破坏机理

氯离子也是影响混凝土耐久性的一个重要因素。水泥水化呈高碱性（PH＞12.6），使混凝土中钢筋表面形成一层致密的钝化膜。最近研究表明，该钝化膜中含有Si-O键，它对钢筋有很强的保护能力[13]。然而，该钝化膜在高碱性作用下才是最稳定的，当PH＜11.5时，钝化膜开始不稳定，当PH＜9.9时，钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当混凝土中氯离子含量超过标准时，钝化膜破坏，钢筋会锈蚀，而水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件，因此，若混凝土开裂，形成水和氧的通道，则会加速钢筋锈蚀，促成混凝土进一步开裂，混凝土保护层剥落，最终使结构失去承载力。氯离子是很强的去钝剂，氯离子进入混凝土到达钢筋表面并吸附于局部的钝化膜处时，可以使该处的PH值迅速降低到4.0以下，从而在短时间内破坏钢筋表面的钝化膜[14]。钢筋腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种，混凝土结构中的钢筋腐蚀以电化学腐蚀居多。

有研究表明，混凝土试件距离表面25 mm深度位置的氯离子浓度与吸水率之间呈良好的线性关系，并且吸水率还与钢筋锈蚀开始时间呈线性关系。在严酷条件下，氯离子主要来自水泥及外部环境（海洋）。水泥取决于国家标准和生产厂商。因此，控制外部环境氯离子渗透尤为重要。通过对混凝土养护龄期的延长和矿物掺合料的火山灰效应，可以优化混凝土的孔结构，降低孔隙率和水泥水化产生的Ca(OH)2含量，从而产生更多水化产物，使得混凝土的微结构更加细致密实，更有利于降低混凝土的氯离子渗透性能。

3 结语

对于在北方寒冷地区海洋环境下的混凝土结构，经冻融循环作用的同时还会受到氯离子侵蚀，结果加速混凝土劣化进程，进而导致钢筋锈蚀，混凝土开裂，混凝土结构无法达到预期使用寿命。混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性是影响混凝土结构耐久性的重要因素。

[1] 张广义.浅谈钢筋混凝土耐久性的影响因素及对策[D].临汾:山西省临汾市交通勘测设计院,2005.

[2] 赵炜璇.冻融环境下混凝土结构温度场及温度应力分析研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.[3]刘学波.湿筛大骨料混凝土冻融循环后多轴强度的试验研究仁[D].大连:大连理工大学土木水利学院,2009.

[4] 亢景富,冯乃谦.水工混凝土耐久性问题与水工高性能混凝土[J].混凝土与水泥制品,1997,8（4）:4-10.

[5] 张士萍.水泥基材料冻融损伤机理[D].南京：南京工业大学，2008.

[6] 李金玉，曹建国.水工混凝土耐久性的研究与应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

[7] 王媛莉,姚燕.重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用[M].北京：中国建材工业出版社,2001.

[8] Coussy O,Monteiro P J M.Poroelastic model for concrete exposed to freezing temperatures[J].Cement and Concrete Research,2008（38）:40-48.

[9] 李田,刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计[M].北京：科学出版社,1999.

[10] Hilsdorf H K,Schonlin K,Burieke F.Dauerhaftigkeit von Beto-nen[D].Institute for Massivbau and Baustofftechnologie,Universtat Karlsruhe,1992.[11]Powers T C.A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete[J].ACI,1945,（41）:245-272.

[12] Powers T C.Void spacing as basis for producing air-entrained concrete[J].ACI Journal,Proceedings.1954,50(9):741-760.

[13] 洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与防护技术（3）——钢筋腐蚀危害与对混凝土的破坏作用[J].工业建筑，1999，（10）：7-9.

[14] 唐晓东.北方寒冷海洋环境混凝土氯离子扩散系数的研究[D].大连：大连理工大学，2010.