混凝土损伤成因及预防措施研究

2013-11-27李如林

华北地震科学 2013年1期

李如林，冯雷

（1.河北建研科技有限公司，石家庄 050021；2.河北省安装工程公司第二分公司，唐山 063000）

0 引言

混凝土材料是目前应用最广泛的土木工程材料之一，它是由胶凝材料、粗细骨料、外加剂和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人工石材。它是由复杂的多相多孔体系组成，在这个体系中，固相由晶体，非晶体，胶体组成；液相由化合水，晶体水，自由水，层间水组成；气相由气泡和空隙组成。由于混凝土具有所用原材料丰富、生产工艺简单、强度等级范围宽等特点，因而使其用量越来越大。混凝土的使用过程是具有耐久性要求的，但随着时间的推移，受到外界环境侵蚀等多种客观因素的影响，混凝土将会发生老化及损伤，一旦混凝土结构发生损伤，将不会自动恢复，且损伤积累到一定的程度，将会导致混凝土结构构件的承载能力下降，甚至造成安全事故的发生。因此研究混凝土损伤成因及预防措施，为避免或减少混凝土损伤提供理论基础，有利于提高混凝土的耐久性能。

1 混凝土损伤定义及检测方法

1.1 混凝土损伤的定义

混凝土损伤是指混凝土在使用过程中因荷载、湿度、温度、周围介质等的作用，使混凝土的微细结构发生变化而形成微缺陷，微缺陷经孕育、扩展和汇合，逐渐导致混凝土力学性能的降低，最终造成混凝土的破坏。从连续介质力学的观点来看，混凝土损伤又被认为是混凝土内部微细结构发生的一种不可逆的、逐渐耗能的演变过程［1］。

1.2 混凝土损伤的检测方法

直接测试法：渗透X 光观测技术、CT（断层扫描）技术、扫描电镜结合复印技术、核磁共振技术。

间接测试法：通过测试混凝土的某种物理量和材料力学性能的变化来描述损伤的状态和损伤的发展程度，如依据电阻、声速等物理量的变化，或依据刚度、强度、塑性变形、疲劳极限、剩余寿命等材料力学性能的变化来描述和间接判断混凝土的损伤程度［2］。

2 混凝土损伤成因分析

混凝土损伤按损伤的分布分为结构损伤和表面损伤。

2.1 结构损伤

结构损伤成因包括外力作用、环境作用和周围介质的作用。

2.1.1 外力作用

在混凝土硬化过程中胶凝材料与骨料可形成良好的黏结，但也有薄弱过渡区的存在，并且由于胶凝材料与骨料弹性模量不同，环境温湿度变化引起的变形也各不相同，因而在胶凝材料与骨料的界面上容易造成应力集中，当其集中应力超过界面的承受能力时，就产生许多微细裂缝。混凝土在外力作用下的变形与破坏的实质就是这些微细裂缝的引发、扩展、汇合，逐步扩大直至损伤的结果。混凝土界面损伤见图1，从图中可以看出绝大部分裂缝出现在胶凝材料与骨料的薄弱过渡区界面上。这就是最常见的混凝土界面破坏，即骨料与水泥石分离造成的混凝土损伤［3］。

图1 混凝土界面损伤图

2.1.2 环境作用

环境作用对混凝土损伤的影响主要体现在环境湿度变化和环境温度变化两方面。环境湿度变化会引起混凝土中水泥的膨胀或收缩变形，对骨料影响一般不大，因为在水饱和状态与干燥状态下骨料的尺寸几乎没有变化。同时，骨料可以承受混凝土由于湿度变化产生的应力，并对减弱应力集中是有促进作用的。环境温度变化对混凝土结构损伤影响较大，主要体现在骨料和水泥的温度线膨胀系数有所不同，当温度变化时，在水泥与骨料之间的界面上会产生较大的应力，当应力超过界面承受能力时就会产生损伤。一般来说当温度大于100℃时自由水蒸发，温度在200～300 ℃时结合水蒸发；温度大于300 ℃时化合水蒸发，强度开始损失；温度大于600℃时结构自损；当温度大于800℃时碎石弹射，爆裂出来［4］。火灾后混凝土损伤见图2。

图2 火灾后混凝土损伤图片

2.1.3 周围介质的作用

周围介质的侵蚀作用引起混凝土的某些性质发生改变。一般从气孔率高、抗渗透性能差、对周围介质变化较敏感的水泥开始发生变化，但有时周围介质变化也能触及骨料并作用于骨料的外表面。受周围介质作用时，如果引起骨料颗粒的体积变化或水泥性质的劣化，对混凝土性能的影响是最大的。周围介质的影响有的来自混凝土内部，如水泥的液相作用，水泥中的氢氧化钙、氢氧化钠、碱金属碳酸盐等对混凝土具有侵蚀作用；也有来自混凝土的外部，如外部酸性气体、液体的侵蚀等。水泥的碱性介质能改变骨料的表面性质，降低混凝土结构组分之间的黏结性能，在内压力作用下使骨料与水泥分离，从而导致混凝土损伤破坏。

2.2 表面损伤

表面损伤成因包括富浆层薄弱区、碳化反应、磨损等。

2.2.1 富浆层薄弱区

混凝土上表面由于骨料密度大于砂浆密度，所以静置时骨料下沉，形成富水泥砂浆层，富水泥砂浆层骨料少、水灰比大、导致强度低、湿度下降较大、受环境影响大，很难通过人工控制。所以，这一层混凝土容易产生冻融破坏，属于混凝土的损伤薄弱区。

2.2.2 碳化反应

混凝土结构的碳化是混凝土受到的一种化学腐蚀。碳化反应的机理是混凝土中的水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，随着空气中的二氧化碳渗透到混凝土内，发生化学反应生成碳酸钙和水，使混凝土碱度降低。混凝土碳化反应一般不会直接引起混凝土性能的劣化，并且素混凝土碳化反应还对耐久性的提高有促进作用，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土中的碱度降低，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而导致混凝土对钢筋的保护作用减弱，最终导致混凝土结构的损伤。

3 混凝土损伤预防措施

3.1 混凝土结构损伤预防

（1）完善设计过程，严防混凝土超荷服役

荷载作用是造成结构损伤发展乃至破坏的主要原因之一，因此要在设计中使结构平面简单、规则，质量、刚度和承载力分布均匀，避免或减少形成结构中的薄弱部位，进而避免薄弱部位混凝土的损伤。设计过程要严加审核，最大程度地保证设计成果的可靠性，严防混凝土超荷服役状况的发生。

（2）保证原材料质量，合理选择混凝土外加剂

合格的原材料是混凝土质量的保证，严格做好原材料的管理工作。游离氧化钙超标、安定性不良及强度不合格的水泥应禁止使用；对于原材料中碱的含量要严格控制，防止碱骨料反应；严控原材料中氯离子含量，防止混凝土结构受到氯离子的化学侵蚀。在混凝土配合比设计中掺入引气剂，使混凝土内部形成互不连通的微细气孔，减小混凝土受冻初期的静水压力，使混凝土的抗冻耐久性明显提高，也可有效地减少混凝土的结构损伤。

（3）保证施工质量，控制使用环境

在施工过程中要严格控制温度，减轻温度应力；在混凝土配合比设计中采用改善骨料级配，掺加矿物掺合料、掺加高效减水剂等措施，减少混凝土中的水泥用量；炎热季节拌合混凝土时用冷水将碎石冷却，以降低混凝土的浇筑温度；大体积混凝土浇筑时分层浇筑以减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；在混凝土内埋设水管，通入冷水降温；寒冷季节拌合混凝土时要规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温措施，避免混凝土表面发生急剧的温度变化。