混凝土结构耐久性影响因素及研究进展

刘灿

【摘 要】混凝土耐久性问题日益突出，给世界各国带来了巨大的经济损失。本文对混凝土结构耐久性的主要影响因素及目前研究进展进行了全面的阐述与总结，并展望了未来混凝土耐久性研究的发展方向。

【关键词】混凝土耐久性；影响因素；研究进展

【Abstract】The durability of concrete has become increasingly prominent， bringing great economic losses to countries all over the world.In this paper，the main factors affecting the durability of concrete structures and the current research progress are fully described and summarized，and the development direction of future concrete durability research is prospected.

【Key words】Concrete durability；Influencing factors；Research progress

0 引言

混凝土结构在设计使用年限内，无需耗费大量资金加固修护而保持安全、使用功能和外观条件的能力称为耐久性[1]。近年来，世界各国普遍发现混凝土结构的耐久性问题，已经严重影响到了结构功能的正常发挥，并且，用于后期维修的费用往往是难以承受的经济负担。因此，研究混凝土结构耐久性影响因素，并在设计中考虑耐久性具有紧迫的现实意义。

混凝土耐久性受许多因素影响，根据作用方式不同，可以分为内部和外部两方面[2]。内部因素包括水泥、外加剂和骨料种类，水灰比，保护层厚等，外部因素则主要涉及温湿度、荷载作用、冻融、氯盐或硫酸盐侵蚀、碳化、碱集料反应、施工质量等方面。本文将探讨几种混凝土耐久性主要影响因素及其研究进展。

1 硫酸盐侵蚀

硫酸盐侵蚀包括化学侵蚀和物理侵蚀两类，化学侵蚀是指盐类与水泥水化产物发生化学反应引起的混凝土性能劣化，而由盐类在混凝土内的结晶膨胀引起的混凝土破坏称为物理侵蚀破坏。

美国在20世纪初便开始着手硫酸盐侵蚀问题的研究[3]，我国自20世纪50年代开始通过室内加速试验、长期暴露试验等方式进行相关研究，目前已有大量文献探索硫酸盐侵蚀混凝土机理、影响因素，提出了许多硫酸盐侵蚀混凝土预测模型。余红发等[4]研究了在盐湖地区的天然环境下，混凝土暴露20a的3种化学腐蚀类型，得到了三种腐蚀产物的化学腐蚀机理；梁咏宁等[5]通过干湿循环试验方法，加速混凝土腐蚀，得知混凝土的破坏机理在不同的硫酸盐溶液中并不相同；燕坤等[6]探究了硫酸鎂与弯曲荷载同时作用时，对碳化混凝土抗冻性能的影响；刘曙光等[7]、高礼雄等[8]、杨礼明等[9]则分别研究了聚乙烯醇纤维与粉煤灰、矿物掺和料、高性能混杂纤维对硫酸盐侵蚀性能的影响。到目前为止，硫酸盐单因素作用下侵蚀混凝土的研究相对比较完善，但是多因素耦合作用下侵蚀机理的研究有待进一步探索。

2 碳化作用

钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性不足的重要原因，一般大气条件下，钢筋锈蚀很大程度上受到混凝土碳化影响，故探究碳化作用对混凝土结构耐久性评估与设计的影响具有重要意义。碳化作用是因为二氧化碳与混凝土中的碱性物质作用，使混凝土碱度下降，从而造成钢筋表面钝化膜破坏，并且，碳化作用还会加剧混凝土收缩，加快裂缝的形成和钢筋锈蚀[10]。

目前国内外学者针对混凝土碳化，提出了一些碳化深度的预测模型，且在混凝土碳化机理及影响因素等方面也有了不少研究成果，但现阶段的研究主要停留在材料层面上，融合碳化与结构力学特性的研究较少[11]，碳化预测模型主要可以分为三类：1）理论推导模型；2）基于试验结果的数学模型；3）基于理论与试验的模型。

3 碱集料反应

碱-集料反应是指混凝土组成成分中的可溶性碱与集料中的活性成分发生化学反应，造成混凝土破坏性膨胀的现象，金伟良喻其为混凝土耐久性中的“癌症”问题[10]。碱集料反应发生的三要素是：碱、碱活性骨料、水，经过数十年的研究，碱集料反应的作用机理已十分明确，也涌现了一些检测与预防的方法，但是如何修复因碱集料反应损坏的结构，仍然是一个棘手的问题。

美国、英国等国家曾经为了降低混凝土中碱含量，使用碱含量<0.60%的水泥[12]；研究表明，降低湿度也是一种预防碱集料反应的过度膨胀的方法，但是干湿循环反而容易引起碱集料反应在某个部位集中发生[13]；国外学者McCoy等[14]证实锂盐等化学外加剂能有效减弱碱集料反应。目前还没有从根本上改善碱集料反应问题的方法，仍以预防为主。

4 氯盐侵蚀

在海工结构中，氯盐侵蚀的影响不容忽视，此时它是造成钢筋锈蚀的主要原因。目前有关氯盐侵蚀的研究涉及氯离子介质渗透规律、钢筋锈蚀机理、锈蚀量及使用寿命预测等方面。

氯盐侵蚀主要分为两个阶段：初始阶段和扩展阶段。初始阶段是指氯离子浓度达到钢筋脱钝浓度前的阶段，扩展阶段指腐蚀物生成并逐渐累积使钢筋锈胀，进而使结构耐久性不足而破坏的阶段[15]。现在更多的研究集中在扩展阶段，许多研究者致力探究氯离子腐蚀速度与腐蚀量关系，研究氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀及保护层破裂过程等，同样，还未上升到结构承载性能的层面。

5 冻融破坏

冻融破坏对混凝土耐久性破坏的影响十分严重，尤其是在严寒地带。目前关于冻融破坏的破坏机理众说纷纭，涉及有水的离析成层理论、渗透压理论、静水压理论、充水系数理论、临界饱水值理论、现象学理论等，以静水压和渗透压理论为主[16]。

冻融破坏主要是因为在特定温度下，水结冰体积膨胀，造成混凝土开裂并发展，其主要影响的是混凝土结构的力学性能。混凝土抗冻性主要与其水灰比、外加剂添加情况和养护方式等有关，预防冻融破坏的手段也主要从以上几点入手。目前的冻融试验方法有快冻法和慢冻法，试验还主要停留在混凝土材料层面，但由于实际工程中几乎均是混凝土结构，故冻融破坏试验方法仍需进一步改善。

6 结语

1）影响混凝土耐久性的因素有许多，针对每一种因素，研究者的思路几乎均是从机理出发，探究因素与混凝土的相互作用，并通过理论推导或试验提出模型及预防这一类型破坏的措施，为耐久性设计和修护奠定基础；

2）目前单一因素对混凝土的结构影响相对比较成熟，但现实环境往往是复杂因素耦合影响，而多因素耦合作用对混凝土耐久性的影响研究仍处于起步阶段，因此未来的研究将向多因素耦合影响发展；

3）碱集料反应引起的混凝土耐久性破坏仍是一种致命的破坏，目前仍以预防为主，有待进一步探究；另外，由于现阶段关于耐久性影响因素的研究还集中在材料层面，与实际工程结构的适应性并不强，所以更多的研究将往结构层面发展。

【参考文献】

[1]吴海军.桥梁结构耐久性设计方法研究[D].上海：同濟大学，2007.

[2]JTJ275-2000海港工程混凝土结构防腐技术规范[S].北京：（下转第169页）（上接第135页）人民交通出版社，2001.

[3]杜建民，梁咏宁，张风杰.地下结构混凝土硫酸盐腐蚀机理及性能退化[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[4]余红发，孙伟，王甲春，等.盐湖地区混凝土的长期腐蚀产物与腐蚀机理[J].硅酸盐学报，2003，31（5）：434.

[5]梁咏宁，袁迎曙.硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐蚀破坏的机理[J].硅酸盐学报，2007，35（4）：504.

[6]燕坤，余红发，麻海燕，等.硫酸镁腐蚀与弯曲荷载对碳化混凝土抗冻性的影响[J].硅酸盐学报，2008，36（7）：877.

[7]刘曙光，赵晓明，张菊，闫长旺.聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在长期浸泡作用下抗硫酸盐侵蚀性能[J].复合材料学报，2013，30（6）：60-66.

[8]高礼雄，文奔，刘金革.矿物掺合料对混凝土抗硫酸镁侵蚀的有效性研究[J].混凝土，2007（17）：89-92.

[9]杨礼明，余红发，麻海燕，等.高性能混杂纤维增强膨胀混凝土在硫酸镁溶液中的抗腐蚀性能[J].硅酸盐通报，2011，30（4）：764-769.

[10]金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[J].浙江大学学报（工学版），2002，36（4）：375.

[11]张亚辉.碳化作用下混凝土的氯离子渗透性能研究[D].湖北：华中科技大学，2014.

[12]唐明述.世界各国碱集料反应动向[J].混凝土与水泥制品，1992，1：4-6.

[13]莫祥银，许仲梓，唐明述.国内外混凝土碱集料反应研究综述[J].材料科学与工程，2002，20（1）：130.

[14]McCoy W J，Caldwell A G..New approach to inhibiting alkali-aggregate expansion[J].Journal of the American Concrete Institute，1951，22（9）：693-706.

[15]张菊辉，凌晓政，梁磊，管仲国.氯盐侵蚀下的钢筋均匀与非均匀锈蚀研究进展[J].混凝土，2016（10）：25.

[16]段桂珍，方从启.混凝土冻融破坏研究进展与新思考[J].混凝土，2013（5）：16.

[责任编辑：田吉捷]