钢筋混凝土结构性能退化分析——工程实践的经验教训

[] C.L.

1 概 述

有关钢筋混凝土和预应力混凝土结构性能过早退化等问题，其早期研究只是简单地涉及某些缓蚀型阴离子的作用机理，由于采用的是一些简陋的试验方法，许多尝试屡屡受挫。直到问题得到逐步解决，才开展了对缓蚀剂作用机理的研究，如苯甲酸根离子，在有溶解氧成分的水溶液中能使钢筋钝化(译注：钝化即生成致密的氧化层保护膜四氧化三铁)，也就是说，苯甲酸根离子与铁阳离子在金属及体表面结合形成难溶物，能减缓金属的腐蚀。就钢筋混凝土而言，钢筋在酸性环境中易遭到腐蚀，而碱环境则有利于保护钢筋不被锈蚀，这就是为什么在未污染的含碱混凝土中，金属通常是处于钝态的。

通常，在分析钢筋腐蚀和性能退化现象时，应采用可重复使用、特性保持良好的试样表面。显然，这与探求混凝土钢筋腐蚀作用而制定的标准试验方法有关。可考虑综合运用与检测老建筑物中钢筋腐蚀相类似的显微技术与分析技术，但这不能不说仍是一大挑战，对于众多实际建筑物可能遇到的不同钢筋表面状况的特性，需不断完善模拟试验方法，开展进一步的深入研究。如果对其表面特性不能进行良好的分析，则意味着这种试验条件不具代表性，不能作为材料检测的依据。

2 警示事件

直到20世纪70年代，人们都普遍认为，大多数混凝土结构的耐久性均满足要求，即使在极潮湿的环境中(这种环境对钢和木材等建筑材料是有腐蚀性的)也无须进行重大维护。1972年，新颁布了英国标准应用守则，即混凝土的结构应用(CP 110)，而世界上绝大多数这种混凝土结构，其主要组成材料均为硅酸盐水泥，而这种水泥是1824年由英国人J.阿斯普丁发明演化而来的。到了20世纪初，钢筋混凝土便成为英国当时的主要建筑材料。20世纪40年代，预应力混凝土开始引入英国，且应用规模越来越大。 像CP 110这种标准, 主要涉及混凝土的耐久性问题，要求规范运作，而对混凝土钢筋的保护层厚度、容许裂缝宽度、水泥用量、水灰比等要求，该标准中准确的解释并不多，而对可能遭遇的各种环境影响也极少明确的提及，对规定的预期寿命概念也只字未提。

在1973年6月至1974年2月期间，英国有3座公共建筑突然倒塌，这是混凝土结构早期不应出现的一种迹象。从结构上看，这些建筑是由组成材料为高铝水泥(也称矾土水泥，HAC)的混凝土建成的，据报告，建筑物失事正是与一种称为相变过程引起的水硬性胶凝材料的强度退化有关。从微观上看，硬化材料空隙结构有一渐变过程，与水泥中水化铝酸一钙的初始亚稳态水化物分解有关：

3(CaO·Al2O3·10H2)→3CaO·Al2O3·6H2O+

2(Al2O3·3H2O)+18H2O

(1)

这种态势引起了英国相关政府部门的密切关注，他们郑重警告，需要由专业工程师来评价采用了HAC结构混凝土建造的这类建筑物。

3 混凝土中钢筋腐蚀问题

20世纪70年代初，许多国家都普遍采用氯化钙作为加速硅酸盐水泥混凝土水化作用的一种外加剂，当时就有人对有关混凝土结构性能退化这一常规知识问题提出了严重质疑，因为人们了解到，氯化钙会引起埋在混凝土中的钢筋和预应力钢筋的锈蚀问题，这最终使得英国不得不修订氯化物在结构混凝土中容许含有量的约束规定(CP 110:1972)。

如今，越来越多的证据表明，更为严重的钢筋腐蚀问题，都与使用含氯化物的混凝土材料有关，并且硫酸盐和碳化作用的影响，也是其罪魁祸首。在阿拉伯湾地区，由于气候条件的不利影响，混凝土性能退化的速率比一般常规地区要快得多。在美国和加拿大，也常有与采用氯化钠和氯化钙防冻剂使钢筋大量腐蚀导致公路桥损坏的有关报道。20世纪80年代初期，已形成了全球性的对混凝土中钢筋腐蚀问题的关注，以至组成了RILEM(国际材料与结构联合会标准)技术委员会(TC 60-CSC)来对这种材料的运用前景进行考证。公开出版的国际著名杂志《自然》，专门出版了专刊，刊发了有关“混凝土中钢筋的电化学作用”的论文。

随后世界各国都做了大量的努力来提高新预应力混凝土结构的耐久性，并为这种结构的运用设计了有效的工况监控系统。不过对于现有预应力结构仍面临着难题，应吸取以往经验教训，比如如果强力预应力钢筋置入金属套管内(不论是否灌浆)，不能用传统检测方法事先迅速监测出其腐蚀状况。还有一些很基本的教训，结构设计师也应吸取，如需要控制钢筋保护层厚度的实际允许偏差，这对钢筋混凝土耐久性有着重要影响。另外, 对于混凝土结构的水平面，应提供有效的排水，特别是在海水地带，如本来就聚集有海水，而不良的混凝土构造接缝可能不能阻止海水的渗入而成为快速流入氯化物溶液的通道，导致钢筋腐蚀。

4 其他不可预测的问题

钢筋和预应力钢筋腐蚀无疑是造成混凝土结构性能早期退化的最普遍的形式，但也不是唯一的影响混凝土耐久性的突出问题。例如在英国，碱硅反应(ASR，也叫碱骨料反应)和碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)，都是向人们发出的险情标志，如果将这些影响钢筋混泥土耐久性的问题视为理所当然，那必然是后患无穷。

4.1 碱硅反应(ASR)

早在20世纪30年代，美国就发现了ASR问题，二战后不久，其他很多国家也都发现了此类问题，但直到20世纪70年代，英国(英伦各岛上)才对这一问题有了正确认识。最早所知的案例发生在1957～1961年期间建在英国泽西(Jersey)岛上的一座混凝土重力坝，在1971年发现大坝出现位移和裂缝，原因就是混凝土中发生ASR。

随后不久，在英国本土上也发现了另一个工程案例。面对发生的种种情况，国家需紧急修订ASR准则。在相关的研究活动中，科研小组需按要求设计出一种试验方法来对可能发生反应的碱骨料进行分类，并需要评价混凝土的哪些暴露面可能受到海水环境的影响，再进一步按照掺加一定火山灰起缓蚀作用的原理，建立空隙(混凝土为多孔材料)液相化学特性与ASR的关系(见图1)。 2004年，英国对ASR国家标准(目前为 BRE Digest 330)进行了最后的修订，但从水泥行业近年的发展看，仍有进一步修订的需求。

注：水灰比中的灰为水泥+硅粉

4.2 碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)

对于TSA，除了有几份零星的报告以外, 通常为人所知的是，早在20世纪90年代，BRE(英国建科院)对不合格的混凝土基础展开调查后认为，这种独特形式的性能退化原因，是寒冷和潮湿环境中的硫酸盐所致。随后，英国环境交通区域部便提出了一份最新动态报告，并于2001年以BRE专辑的形式编制了新的“侵蚀性土基条件下的混凝土”准则，考虑到进一步研究所需，2003～2005年进行了版本更新，其中用了更多的篇幅，对易受硫酸盐侵蚀的混凝土提出了明确要求。

TSA的研究中有一大难题，即要找到一种快捷的方法来评估钢筋混凝土性能退化的长期变化过程。加温可作为一种常用方法来加速化学反应，便于进行即时分析。如运用该方法发现，常规形式的硫酸盐侵蚀，会引起钙矾石膨胀(碱-硅反应膨胀的一种形式)，而这一过程的实质，其实就是在碳酸盐生成碳硫硅钙石时，水泥水化物与硫酸根离子结合而增强了结晶物水化硅酸钙的成分。因此，传统上采用低C3A含量的波特兰抗硫酸盐水泥(SRPC)，除作为一种能改善常规形式硫酸盐侵蚀的状况、降低其严重程度的措施外，并没有更强的抵御TSA的作用。

5 存在的问题

在过去的40 a里，不仅吸取了很多有关混凝土性能退化过程的教训，而且这方面的研究也取得了重大进展，特别是在无损检测和探测仪方面的运用，使人们能够通过预测性措施，更高效地增强钢筋混凝土和预应力混凝土的耐久性。

然而潜在的一大问题是，针对因建材性能和工艺的变化而影响到其长期耐久性，如何能做到采用一种快捷的检测方式来给出问题的简略答案，是近年来研究人员所面临的挑战。究其原因，部分是因为需要在减少隐含碳的基础上，有适应应对气候变化的措施，具体来说就是采用性能更优越的胶凝材料来替代传统硅酸盐水泥，并使之成为一种发展的趋势。最近英国有一篇关于“绿色混凝土”的论文，对此作了研究，即用8周的加速碳化作用的试验成果，作为比较不同水泥混凝土试件在预期50 a的自然抗碳化作用的依据。因为对预期寿命很长的材料进行加速试验困难重重，所以所需数据就必须从上述快速试验中获取，以利于对长期独处的现场试验成果进行修正。

在过去的20 a中，人们希望把计算模型技术应用到混凝土性能退化过程的分析中，但因其复杂化程度极高，况且还一直在研究如何将其运用到设计和性能规范中，所以这些努力都陷入了极度的困境。主要原因还是在于缺乏对某些需纳入到材料寿命模型临界参数的可靠认知度。现人们对混凝土中氯离子水平的阈值变化已有了充分认识，如果该阈值发生变化(也就是钢筋表面的氯离子量超过临界值)，则含盐程度不同的环境中的钢筋保护膜将有直接受到攻击的风险。以下分类列出了各相关因素(并不完整)。

(1) 外界条件，包括氯离子水平、湿度、氧气、二氧化碳、硫酸盐、温度等等；

(2) 钢筋的原始构造面状况，包括氧化皮、铁锈、盐、润滑油等杂质的自然状况和附着量；

(3) 钢筋潜在的钝性，主要与氧气摄入量和受到氯离子侵蚀之前钢筋钝化膜的稳定性有关；

(4) 钢筋周围混凝土空隙液中自由氯离子和氢氧离子的浓度；

(5) 钢筋与混凝土界面固态水化物和存在的空隙、裂缝、裂隙等特性。

混凝土拌和物成分中的氯盐，如果占到水泥重量的0.4%左右，那么钢筋混凝土结构中钢筋被腐蚀的危险程度一般会达到低至中等程度，对于这种情形，只要通过为期几个月的试验室试验，不同的水泥对钢筋的腐蚀作用就可一目了然。

6 结 语

总结过去40 a的经验教训得出，钢筋和预应力混凝土结构并不是经久耐用的，对于如何模拟一些在腐蚀性环境中影响其耐久性的性能退化过程的基本知识还较为欠缺。某些混凝土结构失事或损坏的主要原因，是因其未得到妥善维护而导致性能退化造成的。由此看来，在现有的混凝土结构中，设计和施工都需进一步完善，耐久性问题亟待解决。

在如何设计和建造有较强耐久性并能抵御外界腐蚀性条件的混凝土结构方面，以及在开发有效预防和补救维修策略方面均取得了很大进展，而且这些补救和维修措施，都将纳入到新建筑和修复项目的资金计划中。当然，这些都得通过材料工程师和结构工程师们的共同协作努力才能达到。展望未来，今后时期的一项重任，就是要在政府的持续支持下，引进资深的跨学科研究人才和各专业的工程师，加强团队协作，不断攻克难关，以实现上述目标。