混凝土结构耐久性研究

2018-04-02

福建质量管理 2018年7期

(华南理工大学土木与交通学院　广东　广州　510641)

一、引言

混凝土作为当代世界最主要的建筑材料之一，因其原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、抗压强度高，耐久性好，应用十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，在造船业、机械工业，海洋开发等工程中也是非常重要的材料。

自混凝土结构问世以来,大量的混凝土结构提前失效多源于混凝土结构耐久性的不足。随着混凝土结构的大量投入使用[1]，其耐久性问题也越来越突出，引起了人们的高度重视。《中国腐蚀调查报告》指出,建筑部门的腐蚀年损失约为1000 亿人民币[2]。大量混凝土结构由于耐久性劣化不仅需要花费巨资修补加固或者重建,造成严重的经济损失，还会对当今世界能源供应、环境污染和可持续发展产生巨大压力和恶劣影响。

二、混凝结构土耐久性的特点

混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构及其各组成部分，在某一特定工作环境及材使用条件等因素的长期作用下，在预期的使用年限内能够抵抗材料性能劣化、维持结构的安全和适用功能的能力[3]。

混凝土结构的耐久性失效，是指在环境作用下，混凝土或钢筋的材料物理、化学性质和几何尺寸的变化，由此引起混凝土构件外观变化，不能满足正常使用的要求，导致承载能力不满足要求，影响整个结构的安全[4]。混凝土结构耐久性失效应该考虑如下方面：①结构外观或表面破损不能满足正常使用或外观要求；②钢筋锈蚀或结构破损导致结构承载力以致不能满足结构承载力要求；③结构维修困难或耗资巨大不经济。

在一般的环境条件下，混凝土结构比其他的建筑材料有更稳定的物理和化学性能，耐久性更好。但在工程中也常发现一些结构，在没有达到设计的使用期限之前，出现各种不同损伤和破裂现象。混凝土严重开裂、破损，强度下降，钢筋保护层剥落、裸露和锈蚀，构建弯曲下垂等，这些问题都会影响结构的正常使用，严重的可能导致结构承载力丧失，造成安全隐患。

三、混凝土结构耐久性研究的主要内容

(一)碳化

混凝土碳化是指大气中的CO2、SO2、HCl或其他某些酸性气体与暴露在空气中的混凝土表面接触并且通过孔隙不断向混凝土内部扩散，与水泥石中的碱性水化物起反应，使其成分、组织和性能发生变化，是一个非常复杂的多相物理化学过程[5]。

混凝土碳化会加剧混凝土的收缩，使混凝土表面产生拉应力出现微裂纹，降低混凝土的抗拉、抗折强度和抗渗能力。并且，碳化作用会降低混凝土的碱度，当混凝土中pH值降低到一定程度后,就会破坏混凝土中的钢筋钝化膜，造成钢筋锈蚀，而钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、结构耐久性降低等不良后果。

(二)冻融破坏

混凝土的冻融破坏，是指混凝土在正负温的交替循环作用下,使混凝土从表层开始发生剥落、结构疏松、强度降低，直到破坏的一种现象[6]。

混凝土凝固之前受冻的情况可分为两种：一种是混凝土拌合后立即受冻，体积膨胀，使其强度降低；一种是混凝土部分凝结，但在尚未达到足够强度之前受冻。混凝土没有充分水化，起缓冲作用的凝胶孔尚未形成，毛细孔水结冰，体积膨胀，混凝土内部结构强度降低，受损严重，损失巨大。混凝土受冻龄期越早，强度越大，抵抗体积膨胀的能力越小，抗冻结破坏的循环次数越差[4]。

(三)化学腐蚀

混凝土结构的化学腐蚀，是指当与混凝土接触的周围介质，如空气、土壤或水中含有不同浓度的酸、碱或盐类等具有侵蚀性的物质时，其渗透进入混凝土内部，与混凝土发生、化学反应，使混凝土发生腐蚀，胀裂剥落，进而引起钢筋腐蚀、结构失效的过程[4]。

为防止和减轻混凝土结构的腐蚀，提高其耐久性，需慎重选择建造地址，选择周围环境中侵蚀性介质含量较少的地区。另外，还可以选用抗腐蚀性较强的水泥品种；采用较低的混凝土水灰比；增大受力钢筋的混凝土保护层厚度；对混凝土结构表面进行涂料或浸渍处理。

(四)钢筋锈蚀

钢筋混凝土结构中钢筋承受主要拉力，是保证结构承载力非常重要的一部分。当混凝土结构中出现耐久性劣化没产生各种裂缝或损伤时，其强度减小并不是很大，但若裂缝深入到钢筋所处位置，对钢筋造成腐蚀则会造成非常严重的后果。

在强碱环境中，混凝土和钢筋之间形成一层钝化膜，对钢筋起保护作用。由于混凝土碳化、以及硫酸盐、Cl -离子的侵蚀等作用，钝化膜受到破坏，钢筋锈蚀，锈蚀产物体积膨胀，对周围混凝土产生压力，使混凝土产生裂缝，混凝土保护层剥落，而混凝土保护层剥落和裂缝又进一步引起钢筋锈蚀。锈蚀后钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减小、脆化，最终导致混凝土结构破坏。