试析混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性

2018-03-28徐晓蕾

四川水泥 2018年11期

徐晓蕾

（盐城工学院土木工程学院 224001）

钢筋混凝土的使用寿命有限，影响其寿命的因素可分为内部因素和外部因素。内部因素是混凝土质量和保护层，外部因素是自然环境和工业环境。不同的侵蚀原因会有不同侵蚀后果，有的会使混凝土毁灭，有的会侵蚀钢铁，使混凝土开裂剥离，虽然侵蚀的速度是不同的，但最终都会使钢筋混凝土的构造功能发生退化，因此分析构造功能是非常有必要的。

1 混凝土碳化原因

混凝土是一种多孔材料，内部含有毛细管、孔和气泡。当空气中的二氧化碳进入到混凝土孔隙及毛细管中并进行溶解，氢氧化钙、硅酸三钙和磷酸氢钙等物质会形成水泥的中间产物碳酸钙，最后碳化。换句话说，污染物中的酸性气体与二氧化碳充分接触，即使二氧化碳的体积远远大于酸性气体，但是二氧化碳是弱酸。所以，形成的气体进入到混凝土表面时，碱性物质会比酸性物质先发生反应，酸性气体如二氧化硫、盐酸等会氢氧化钙进行中和反应。

2 碳化影响钢筋混凝土的耐久性

2.1 碳化后混凝土钢筋的力学性能

碳化后，钢筋的力学性能直接影响构件的承载能力，严重时会使结构提前失效甚至坍塌。当钢筋被锈蚀时，钢筋的失重率约等于钢筋横截面积的损失率，钢筋的承载能力与钢筋横截面积的锈损率几乎成正比。与此同时，可以简单的用锈蚀钢筋的横截面积乘以未锈钢筋的极限抗拉强度得到锈蚀钢筋的极限抗拉能力。由于混凝土具有不均一性、使用环境具有不稳定性、钢筋各部位受力面积不同等等，实际上在正常施工过程中很出现钢筋均匀锈蚀的情况。一般情况下，钢筋重量损失率小于截面面积损失率，随着钢筋锈蚀时间的延长，就会增大锈蚀的离散性和不均匀性。与此同时，重量损失程度与横截面积损失程度也越来越明显、如此一来，就降低了钢筋的抗拉能力。

2.2 碳化后对钢筋与混凝土共同作用产生的影响

混凝土受到碳化后，钢筋和混凝土之间的粘结锚固性会降低。实验证明，锈蚀后的钢筋、混凝土中的主梁抗弯承载力试验值小于仅考虑锈蚀后钢筋截面积减小、降低屈服强度获得抗弯承载力值，也就表明钢筋和混凝土共同作用使其粘度降低也是影响其梁抗弯承载力的主要原因。另外，受拉钢筋需要乘以协同工作系数，结合粘结退化因素，综合考虑对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。

2.3 混凝土碳化后对钢筋混凝土结构性能的影响

一旦混凝土中钢筋出现生锈和腐蚀的情况，就会在其表面形成一层疏松性的产物，这种锈蚀产物还会向周围的孔隙蔓延扩散。锈蚀产物不容小觑，其体积累积起来是钢筋体积的两倍还多。体积膨胀到一定程度，会使钢筋外的混凝土产生环向拉应力，当力的大小达到抗拉强度时，就会产生交接处的内部裂缝，锈蚀程度越大锈蚀产物越多其力也就越大，进而导致混凝土的结构遭到严重的破坏，甚至还会产生保护层的剥落，严重影响混凝土的使用。

3 提高耐久性的主要方法

3.1 保护层厚度

保护层的厚度可以延缓混凝土碳化的时间以及侵蚀介质存留钢筋表面的时间，同时还可以提高混凝土对膨胀力的抵抗能力。但是过厚的保护层同样会导致混凝土产生裂缝，通过研究得知，保护层厚度和混凝土耐用性存在着一定的关系。保护层厚度的平方与锈蚀所需的时间呈正比关系，并且在正常的大气环境下，每减少25%的保护层厚度，碳化时间就会缩短一半。同时每减少1cm的保护层厚度就会增加 10%的透氧量，因此从这几点可以看出，并不是保护层的厚度越大，起到的效果就越好。虽然保护层厚度对钢筋的锈蚀影响这个技术并不是太大的难题，但是我国的标准制定要求过低，不能有效控制这类问题的发生，这同时也导致技术性较低的问题也没有得到很好的解决。相比国外的混凝土保护层设计厚度和技术，我们还有很大的提升空间和改进空间。

3.2 水泥品种

水泥的品种不同，相对应的作用力也不同。抗硫酸盐普通水泥可适用于要求不高的干湿交替部位，并掺杂一定量的粉煤灰和矿渣。想要提高混凝土的抗碳化能力，可以在使用粉煤灰时加入一定量的减水剂，砂子的强度相对较高可以用粉煤灰代替。

3.3 水泥用量和水灰比

碳化的速度与密实性紧密相关，密实性能越好，相对碳化的速度也就越慢。水灰比小的混凝土密实性较好，碳化的速度就比水灰大的速度慢，相同条件下，水灰小的抗碳化能力也较好。一般施工采用的加大水泥用量的方法可行性并不高，反而是合理的设计水灰比和保护层厚度，才能够从根本上解决混凝土结构的问题。再加上后期的保养和维护，混凝土的碳化问题就能得到延缓，这也就延长了混凝土的耐久性，提高了使用性能。

3.4 施工质量

除了混凝土材料本身的一些因素，施工质量和后期的维护工作也是不能忽视的。如果在施工期间操作不当，如浇筑步骤不规范，振捣的频率和次数不符合要求，都会对混凝土的密实性产生很大负面影响。过大的孔隙会使空气和水分进入，这也就加剧了钢筋的锈蚀程度。同样，施工后期的维护工作不及时，出现了细小的裂纹没有及时整改，也会逐渐累积破坏混凝土的结构，减短使用寿命。因此我们要格外重视施工期间的操作和规范性，并定期对工程进行维护和保养。

4 实际案例

4.1 项目简介

某钢筋混凝土T型桥梁，其始建于上世纪六十年代，全长约90米，下部结构采用了U型桥台、柱式墩、扩大基础。该桥梁受设计、施工条件以及通车量等因素的影响，出现了多种病害，如土层剥落、钢筋腐蚀以及开裂等，严重的影响了桥梁的耐久性。

4.2 病害产生的原因

1）材料因素

在大气环境的影响下，空气中二氧化碳与混凝土中的碱性物质发生碳化反应，导致混凝土碱性降低，包裹钢筋的钝化膜出现破损，导致钢筋出现锈蚀，进而增大混凝土表面的裂缝，最终造成混凝土的大量剥落。

2）环境因素

该桥梁处于亚热带季风气候区，其夏季高温多雨，这种气候加快了混凝土的碳化速度。再加上长时间的高温作用，使得混凝土出现松散，而混凝土的松散为潮湿空气的进入提供了条件，最后使内部钢筋脱碳变质，影响了钢筋和混凝土之间的粘结效果，从而引发病害。

3）历史因素

由于该桥的建设时间较早，在设计时虽然按照当时的规范要求进行操作，不过却未对结构的耐久性进行考量。再加上当时施工条件的制约，施工技术的不完备，使得其在后续使用中，随着交通量和荷载量的增加而出现不同问题。

4.3 改善措施

对该桥的碳化以及钢筋锈蚀等情况进行检查和分析可以得出，对于碳化较小且钢筋被完好包裹在混凝土内部的构件，可以利用较高标号的混凝土进行补强作业；而对于碳化较小，混凝土松散且伴有大面积剥落问题的构件，需要先将松散部位予以去除和清理，之后再利用较高标号的混凝土或者砂浆进行补强；对于碳化较为严重，钢筋锈蚀的构件，需要先对钢筋实行除锈和防锈处理，再在混凝土和钢筋表面涂抹粘合剂，之后利用混凝土抹平；对于裸露在外的大面积钢筋且存在较为严重锈蚀情况的构件，需要先加补钢筋之后再利用砂浆补强；至于混凝土表面的裂缝，则可以利用灌浆方式实行处理。