混凝土耐久性影响因素的分析及应对措施

2017-01-05程思胜

城市道桥与防洪 2016年12期

关键词：冻融碳化耐久性

程思胜

（徐州市政建设集团有限责任公司，江苏徐州 221000）

混凝土耐久性影响因素的分析及应对措施

程思胜

（徐州市政建设集团有限责任公司，江苏徐州 221000）

混凝土的钢筋锈蚀、碳化、侵蚀性介质腐蚀、冻融破坏、碱骨料反应是破坏其耐久性的主要因素，通过对混凝土破坏机理的分析，提出了确保和提高混凝土耐久性的措施。

混凝土；耐久性；影响因素；破坏机理；应对措施

0 引言

钢筋混凝土结构以其整体性好、可塑性强，维修费用低等优点广泛应用于整个二十世纪，混凝土因其工程量大，将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万美元，每年所需维修费或重建费用约3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已损坏，平均每年有150～200座桥梁部分或完全坍塌；美国共建有混凝土水坝3 000座，寿命30 a，其中32%的水坝年久失修。美国二战前后修建的混凝土工程，在使用30～50 a后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%～50%以上。我国上世纪50～60年代所建设的混凝土工程已使用40余年，如果我国混凝土工程的平均寿命30～50 a计，在今后的10～30 a内，一部分混凝土结构纷纷进入老化阶段，外观的损坏，变形的增大，承载力的降低，不仅对混凝土结构的使用安全带来隐患，而且所需维修费用，也将是极其巨大的。因此混凝土的耐久性逐渐成为研究的热点，钢筋混凝土的设计内容除了传统的强度、刚度、稳定性等基本的力学性能指标以外还必须考虑其耐久性、经济性。对在役老化的建筑进行科学合理的耐久性和经济性评定以及剩余寿命的预测，是当今土木工程领域的研究热点。本文在阐述混凝土耐久性的基础上，分析了影响混凝土耐久性的主要因素，提出了提高混凝土结构耐久性的措施。

1 混凝土耐久性概述

混凝土的耐久性指的是混凝土结构在自然环境及使用条件下使用过程中，混凝土维持自身正常使用状态的一种能力，或者说是结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部侵蚀破坏作用的能力。钢筋混凝土结构耐久性不足会给构筑物造成严重的后果，同时会给人类带来安全隐患。影响混凝土耐久性的因素一般包括混凝土钢筋锈蚀、碳化、侵蚀性介质腐蚀、冻融破坏、碱骨料反应等。

2 影响混凝土耐久性的因素[1,2]

（1）钢筋锈蚀

通常混凝土内部呈现的是强碱性环境（pH≥13），在钢筋表面会形成一层厚度约为(30～60)×10-10m的致密金属氧化物和金属氢氧化物晶体薄膜，即为钢筋钝化膜，保护钢筋免遭锈蚀，但当混凝土因碳化而使pH值降低或氢离子浓度相当高时，这种钝化膜就会被破坏。钝化膜被破坏后，钢筋就容易在空气和水份的环境中与氧和氢离子产生化学反应，Fe+O2+H2O→2Fe2++4OH-→2Fe（OH）2。

钢筋表面的铁不断失去电子而锈蚀，产生Fe（OH）2锈蚀物，使钢筋表面产生锈蚀。钢筋锈蚀后，产生铁锈，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，导致混凝土开裂，进而空气及水进入，进一步加剧钢筋电化学反应，导致钢筋加快锈蚀，减小钢筋的有效断面，从而降低钢筋的承载能力，导致混凝土承载力的降低，见图1。

图1 钢筋锈蚀

（2）碳化

混凝土碳化是指混凝土本身含有大量的毛细孔，空气中二氧化碳与混凝土内部的游离氢氧化钙产生化学反应生成碳酸钙，造成混凝土疏松、脱落，见图2。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，进而引发钢筋锈蚀、混凝土收缩开裂。化学反应具体如下：

图2 碳化

由此可知，混凝土的碳化是同时在气相、液相和固相中进行的一个复杂的化学反应过程。这些化学反应对混凝土耐久性是有害的，首先会降低混凝土的碱度，当pH值降低时，钢筋表面钝化膜将受到破坏，产生“去钝”，造成钢筋的锈蚀。混凝土的碳化会加剧混凝土的收缩，也会导致混凝土的开裂和结构的破坏，对钢筋混凝土结构的耐久性产生较大破坏。

（3）混凝土的抗冻融性

很长时间以来，国内外在混凝士抗冻性研究及如何保证提高建筑物混凝上的抗冻性方面，积累了大量的经验，并提出了各种学说：a.冰的分离层理论；b.充水系数理论；c.渗透压力理论；d.水压力理论；e.冰融临界饱水值理论；f.孔结构理论。

以上各种理论，总的都认为混凝土冻融破坏，是由于表面先饱水，由表及里，因混凝土不密实先从大的孔隙中造成静水压力，使过冷的水迁移，冰、水蒸汽压差造成渗透压力，当压力超过混凝土能承受的强度时，也就是破坏力大于抵杭力时，混凝土内部孔隙及微细裂缝不断扩展，由小变大，相互贯通。由于渗透压及水压力的作用，反复冻融造成最后破坏。混凝土冻融是一种物理与力学作用的综合反应。它降低混凝土强度，影响建筑物安全使用，因此混凝土的抗冻性是提高混凝土耐久性的重要指标。

（4）侵蚀性介质腐性

在酸、碱性溶液作用下的环境，侵蚀性介质将对混凝土产生腐蚀，主要是由氯盐、硫酸盐产生的“盐害”，氯离子是一种高效的活化剂，在较低的浓度下（混凝土重量的0.014%～0.022%），可以有效地破坏钢筋表面的钝化膜，引起混凝土内钢筋锈蚀。

另外一种盐是硫酸盐，硫酸盐与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐反应生成有破坏性的膨胀性产物钙矾石。C3A+3CS·H2+26H+→C3A·3CH32（钙矾石），钙矾石导致混凝土产生开裂，引起水、空气和钢筋产生电化学反应，从而引起钢筋混凝土的强度降低。

（5）混凝土碱集料反应（AAR）

混凝土碱骨料反应是指混凝土骨料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应，生成碱硅酸凝胶并吸水产生膨胀压力，致使混凝土开裂。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，骨料中活性材料主要是SiO2、硅酸盐、碳酸盐等。

碱集料反应可分为碱硅酸反应、碱碳酸盐反应、碱硅酸盐反应3类，碱硅酸反应是发生最多的一种碱集料反应。

混凝土工程发生碱集料反应破坏必须其备三个条件：

a.配制混凝土时由水泥集料、外加剂和拌和水带进混凝土中一定数量的碱，或者混凝土处于有碱渗入的环境中；

b.有一定数量的碱活性集料存在；

c.潮湿环境，可以供应反应物吸水膨胀时所需的水分。

三者缺一不可，前两者为混凝土发生碱集料反应的内因，后者为外因。混凝土发生碱集料反应破坏的特征外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物，而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱-集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，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实体的综合性破坏。

3 提高混凝土耐久性的措施

（1）预防钢筋的锈蚀。常用的方法有环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层，这种钢筋保护层能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。此外，在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，但涂料应是耐碱、耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料。还可采用新材料，如耐锈钢筋、阻锈钢筋等。

（2）在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，还可掺加高效减水剂尽可能降低用水量，减小水灰比，增强混凝土的密实性，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。

（3）避免或减轻碱集料反应。混凝土碱集料反应危害很大，一旦发生很难修复。可以采取控制混凝土所用水泥中碱含量，选用非活性骨料，尽量避免混凝土结构处于潮湿环境。

（4）严格控制施工配合比，搅拌必须均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。混凝土构件的侵蚀病害都是从表面开始的，在混凝土终凝前做好原浆抹面压光，增强表面密实度，也可采用表面浸渍和表面涂盖的手段来降低混凝土表面渗透性。

（5）防止混凝土的冻融破坏。混凝土的组成、配合比、养护条件和密实度决定了其在饱水状态下抵抗冻融破坏的能力，目前只有加气混凝土才能有效提高混凝土的抗冻性。引气是提高混凝土抗冻性的主要参数。一般引气量4%～8%，以达到混凝土内部孔隙封闭和密实，同时应避免采用吸水率较高的集料。

（6）拌合及养护用水。混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌合水应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝士生成时杂质影响其耐久性。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀长产生很大影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。

（7）针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境)设计使用年限为100 a的结构混凝土应符合下列规定：混凝土保护层厚度应按规范的规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少。混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。当需要设置后浇带时，后浇带要浇筑微膨胀混凝土，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。