混凝土结构的耐久性分析

权少华

【摘要】通过对混凝土耐久性概念的阐述，从内外两个方面分析了影响混凝土耐久性的主要因因素，并提出提高混凝土耐久性的技术措施。

【关键词】混凝土；耐久性；影响因素；措施

【Abstract】Pass to the elaborate of the concrete durable concept， from inside outside two analysis the influence concrete durable of main because of the factor， and put forward exaltation the concrete durable of technique measure.

【Key words】Concrete；Durable；Impact factor；Measure

1. 引言

1.1混凝土结构以其取材容易、可模性好、整体性好、维修费用少等优点在20世纪得到了广泛运用。一般混凝土工程的使用年限约为50～100年，然而一些发达国家的混凝土桥使用了二三十年后，便纷纷进入老化期。在我国，有调查显示，大多数工业建筑在使用20～30年后就需要大修，处于恶劣环境下的建筑物使用寿命15～20年，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀，混凝土出现裂缝甚至开裂。经多年实践，工程人士发现，即使混凝土强度再高，但若其耐久性差、寿命短，则仍满足不了工程的需求。混凝土的碳化、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏、混凝土集料的化学腐蚀等耐久性问题日益突出，这给世界各国造成了巨大的经济损失。混凝土结构的耐久性直接关系着国民经济的顺利发展以及人民生命和财产的安全。工程人士对混凝土的要求也不断由强度转向耐久性，在实际工程中必须考虑混凝土耐久性的影响因素，采取有效途径提高混凝土的耐久性。

1.2所谓混凝土的耐久性，是指结构在要求的目标使用期限内，不需要花费大量资金加固处理而能保证其安全性和使用性的能力。概括来说，耐久性问题主要表现在以下三个方面：（1）钢筋的锈蚀、疲劳、脆化、应力腐蚀；（2）混凝土的损伤，包括裂缝、磨损、破碎、酥裂等；（3）钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱。这些不仅影响结构的外观及使用功能，而且会降低结构的安全度，成为事故发生的隐患。下面从影响混凝土结构耐久性的主要因素和提高耐久性的技术措施两个方面来探讨混凝土的耐久性问题。

2. 影响混凝土耐久性的主要因素

影响混凝土耐久性的因素十分复杂，引起结构破坏往往是混凝土内部组成不完善，外部不利因素综合作用的结果。现就内外两方面因素加以分析：

2.1内部因素的影响。

（1）混凝土的材质通常讲的混凝土是用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水（加或不加外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的。砂、石、水泥等材料的优劣直接影响到硬化后混凝土的密实度和强度，好质量的材料将为工程使用期混凝土的耐久性打下良好基础。

（2）混凝土的碳化（又称中性化）。混凝土中的水泥在水化过程中产生氢氧化钙，钢筋周围混凝土的孔隙水则呈弱碱性，在钢筋表面形成碱性"钝化"薄膜而保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀。但是由于空气中的二氧化碳与水反应生成的碳酸等酸性物质通过孔隙和毛细孔侵入混凝土，中和这种碱性物质生成碳酸钙，即发生碳化。碳化过程使混凝土碱性降低，钢筋表面在高碱条件下产生的致密氧化膜（钝化膜）遭到破坏，混凝土失去对钢筋的保护作用，使钢筋的锈蚀成为可能。当碳化进行到钢筋表面后，钢筋表面钝化膜遭到破坏，当氧和水同时存在时，钢筋开始锈蚀，其力学性能急剧衰减。同时，碳化还会加剧混凝土的收缩，致使混凝土出现裂缝，粘结力下降，甚至钢筋保护层剥落，导致结构的破坏。

（3）混凝土碱集料反应。碱集料反应是指混凝土原材料中的碱性物质与活性成分发生化学反应，生成具有强烈的吸水膨胀能力的物质，引起混凝土内部产生不均匀膨胀，造成裂缝，并使混凝土的强度和弹性模量下降，影响混凝土的耐久性。混凝土中的碱主要来自水泥熟料、外加剂等，活性材料主要是SiO2、碳酸盐、硅胶盐等。碱与硅胶盐产生的凝胶遇水会膨胀，在混凝土内部产生膨胀应力引起混凝土开裂。

2.2外部因素的影响。

（1）钢筋锈蚀。钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要原因。当钢筋表面处于活化状态且存在氯离子和水时，钢筋就会发生电化学腐蚀。氯离子可破坏钢筋表面的钝化保护膜，使腐蚀介质渗入钢筋，加快混凝土结构的损坏。钢筋锈蚀后，钢筋的有效截面面积减小，构件承载能力降低。同时，钢筋的不均匀锈蚀还将导致导致钢筋表面凹凸不平，产生应力集中现象，使钢筋的脆性增大、延性变差、强度降低。

（2）混凝土的冻融破坏。冻融循环对混凝土结构的损伤分为内部损伤和表层损伤两类。混凝土具有热胀冷缩的性质，在干燥时失水收缩，而在水浸润后又膨胀。这种作用循环进行，当超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝。混凝土本身就是多孔隙的复合材料，开裂后水分更易侵入。渗入到混凝土中的水在温度在冰点以下时会结冰引起膨胀，将从内部损伤混凝土结构。混凝土表层若持续受盐溶液浸蚀，在混凝土薄弱处也将会发生剥落。经过多次冻融循环，最终将引起混凝土剥落酥裂而降低其耐久性。

（3）侵蚀性介质的腐蚀。混凝土在外部环境条件下，硫酸盐、盐水、腐殖质、镁盐等一些化学介质都可能对混凝土产生腐蚀。

（4）施工因素影响。施工时水灰比增大时，混凝土的密实性就降低，抗渗性就变差。混凝土渗水也主要是由于混凝土多余水分蒸发留下空隙，拌合物保水性差引起混凝土泌水现象造成的，混凝土的抗渗性好坏直接影响混凝土的耐久性。因此，施工时应该控制水灰比，确保混凝土有良好的和易性和保水性，以保证混凝土的密实度，提高结构的耐久性。

（5）其他外部因素。诸如风沙、持续的超高气温、持续冰冻天气、生物腐蚀等都会影响到混凝土结构的耐久性。

3. 提高混凝土耐久性的措施

综上分析可知，混凝土的内部结构、外部环境、原料、抗渗性等都是混凝土耐久性能的重要影响因素。因此，工程中应根据实际的具体情况，有针对性地采取相应措施以提高混凝土的耐久性。

（1）设计之前，首先要详细勘察建筑结构将处的环境条件，并确定主导破坏因素（如大气和雨雪造成混凝土干缩循环和冻融循环作用、地表永久或地下水中的侵蚀性介质影响等），实现考虑环境条件的建筑结构设计。

（2）严格遵守国家设计规范的要求。在满足使用功能前提下，结构设计尽量规整、简单，合理布置排水及各种结构缝。由于环境中侵蚀介质很容易在构件棱角或突出处侵入混凝土，所以在进行构件截面设计时，应使结构形状有利于湿气的蒸发，且便于构件检测、维护和更换。

（3）开发和使用高性能混凝土。水灰比会影响混凝土的孔隙结构。众所周知，水灰比越大，水泥硬化后，内部因水分蒸发而留下的孔隙就会越来越多，强度越低，耐久性越差。高性能混凝土在配制上尽量采用了低水灰比，选用优质原材料，掺入了矿物集料和高效碱水剂，减少了水泥用量，减少混凝土的内部孔隙率，增强了混凝土的密实性和抗渗性，减少了体积收缩，提高了强度和耐久性。

（4）合理选择混凝土和钢筋品种。选择高标号水泥的混凝土，水泥标号高，混凝土强度高，碳化深度小，抗渗性和抗冻性好，相同标号早强水泥比普通水泥耐久性好。对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，宜采用有利于提高结构耐久性的高性能混凝土；针对钢筋的腐蚀可采用对混凝土进行表面处理的耐腐蚀钢筋；混凝土中掺加钢筋阻锈剂、电化学驱氯和电化学再碱化等措施。

（5）合理确定混凝土和钢筋的保护层厚度。一般来说，混凝土保护层厚度每减少25%，碳化到钢筋表面时间就缩短50%。因此，混凝土保护层厚度应根据结构类型、所处环境和有无饰面，在保证功能、节省成本基础上适度增加厚度以提高耐久性。另外，钢筋保护层厚度小，不能保护钢筋，也不能满足钢筋的有效锚固；保护层厚度过大，一方面不经济，另一方面可能使裂缝宽度增大。

（6）选用级配良好的集料。若混凝土材料本身质量低下、水灰比选择以及骨料级配不当都会导致混凝土性能下降。集料占混凝土总体积的75%以上，良好的级配可制得和易性好的混合料，并能在相应成型条件下得到均匀密实的高强度的混凝土，级配好的集料可以在混凝凝土中形成刚性骨架从而从本质上大大改善混凝土的力学性能，提高其耐久性。

（7）加强施工质量控制。材料进入施工场地时技术人员要严把材料质量关，砂、石、水泥、钢筋等必须符合质量要求。不定期对混凝土拌合物的稠度、含气量、塌落度、水灰比、等进行测量，并适时测定砂、石的含水率，及时调整混凝土配合比。提高施工质量、施工技术水平，完善施工管理工作，强化对施工过程的监督、检查，严格按照混凝土结构验收规范要求进行施工，严格禁止盲目追求进度。

（8）使用抗腐蚀涂层。在一些重要建筑物中，可以在混凝土表面使用环氧树脂等涂层以阻止氯离子和混凝土的碳化深入到内部，并且能抗侵蚀环境的影响。在钢筋表面使用防腐层也可以保护钢筋免受腐蚀，从而延长混凝土使用寿命。

（9）经常性的进行结构检查与维护。结构在使用阶段，应注意定期检测、维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程应建立检测和评估体系，及时发现，及时修理，确保混凝土结构的正常使用。

4. 结束语

影响混凝土耐久性的因素是复杂的、综合性的，必须从原材料、结构设计、施工、使用环境及其检测维护等多种因素综合考虑，使混凝土既满足承载力要求，又要满足其耐久性的要求。合理的原材料品种选择，精确的结构设计，较好的配合比设计，先进的施工技术，及时到位的维修养护都能有效提高钢筋混凝土结构的耐久性。

参考文献

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