混凝土耐久性研究现状综述

张光亮 肖 建 曾 志

（湖南恒德检测有限公司， 湖南 衡阳 421000）

0 引言

混凝土自1824年被发明至今已有100 多年的历史，在过去一个多世纪的生产活动中，混凝土已成为基础工程建设当中使用最广泛的材料。与此同时，混凝土服役环境中不可避免的存在着诸如硫酸根离子、氯离子、酸等侵蚀性介质，由此带来一系列混凝土耐久性问题。混凝土耐久性是指混凝土在服役过程中抵抗侵蚀介质作用并长期保持其使用功能和完整性的特性，主要包括化学侵蚀、碳化、钢筋锈蚀、冻融以及碱骨料反应等。伴随着混凝土材料的大规模使用及自然环境的恶化，混凝土耐久性问题带来的后果也愈发严重。据不完全统计，美国在上世纪70年代每年因混凝土耐久性问题带来的损失高达1000 多亿美元，英国英格兰岛中部11 座混凝土高架桥因维修而耗资4500 万英镑，是造价的6 倍，我国每年因混凝土耐久性问题带来的损失约为5000 亿人民币。特别是我国国土面积巨大，自然环境恶劣，存在着大量影响混凝土耐久性的侵蚀性介质，混凝土耐久性问题尤为突出。如青海、天津、山东等地存在着大量的盐碱地和内陆盐湖，在西北、东北地区等严寒地带存在着冻融循环问题，在中东部沿海工业集中区存在着因环境污染带来的酸雨问题，在沿海地区大量的海上构筑物还面临着海洋环境的侵蚀。

尽管混凝土的发明只有一百多年的历史，但人们很早就开始关心并认识混凝土耐久性问题，从最开始不够重视，到投入大量人力物力进行理论和试验研究。1925年，为了获得混凝土腐蚀数据，美国开始在富含硫酸盐的土壤内进行长期侵蚀试验。1951年，前苏联学者贝科夫、莫斯克文等对混凝土薄壁结构和使用高强度钢制作钢筋混凝土构件的防腐问题做了不少的研究工作，并制定了相关防腐标准和规范，为建造具有足够耐久性的钢筋混凝土结构提供了科学依据。相比之下，我国对混凝土耐久性的研究起步较晚。上世纪 60年代初期，南京水科院开展了的钢筋锈蚀的研究，而后建筑科学研究院和冶金部建筑设计研究院等科研机构对受腐蚀钢筋混凝土构件进行了大量的研究，取得了突破性进展。

1 混凝土耐久性研究现状

混凝土耐久性是指混凝土在使用过程中抵抗环境中侵蚀介质作用并长期保持其使用功能和完整性的特性，主要包括化学侵蚀、碳化、钢筋锈蚀、冻融以及碱骨料反应等。混凝土耐久性问题比较复杂，涉及到物理、化学、力学等多种因素的耦合作用。同时，上述反应也不是单一发生的，往往同时伴随着化学侵蚀、钢筋锈蚀、冻融等，混凝土耐久性问题带来的危害十分巨大，下面从上述几个方面综述国内外相关研究进展及发展动态。

1.1 化学侵蚀

化学侵蚀对混凝土耐久性有非常重要的影响，往往直接降低混凝土结构的耐久性，甚至会造成混凝土结构的破坏，对混凝土结构耐久性影响巨大。化学侵蚀主要包括酸性物质侵蚀、硫酸盐侵蚀、氯盐侵蚀等。

受工业化影响，大量含硫、氮的有害废气和工业酸性污水的大量排放造成空气污染及环境污染问题，由此引发酸雨及混凝土在酸性环境下的耐久性问题。当混凝土处于酸性环境中时，环境中的酸性物质会与混凝土中的氢氧化钙等碱性物质发生中和反应，一方面反应直接消耗了混凝土中的碱性物质；另一方面造成混凝土中性化，进一步加剧混凝土腐蚀问题，使得混凝土表面的空隙和裂缝扩大深入，出现明显的表面腐蚀现象[1]。随着表面腐蚀的加深，混凝土内部的碱性环境将被破坏，进一步引发钢筋的锈蚀问题[2]。

硫酸盐侵蚀是混凝土劣化病害的主要问题之一，主要包含物理作用和化学作用。在我国西北地区，存在着大量的盐碱地及盐湖地区，含有大量的硫酸盐，对混凝土结构具有巨大的危害。硫酸盐的侵蚀原理是周围环境中的硫酸根离子在扩散、对流、渗流等作用下进入混凝土结构内部，并与混凝土水化产物氢氧化钙、CSH 凝胶等物质反应生成二水石膏和钙矾石等物质。一方面反应改变了混凝土成分组成，降低了混凝土的粘聚性；另一方面反应产物体积较大，能在混凝土内部产生膨胀应力，当膨胀应力大于混凝土抗拉强度时，会造成混凝土的破坏[3]。刘赞群等从微观尺度出发研究了混凝土经硫酸盐侵蚀后的产物形态，并分析了混凝土试样在硫酸盐中劣化的原因。赵顺波等在总结现有测量硫酸根侵蚀深度和浓度的基础上提出了一种新的测试混凝土中硫酸根离子浓度的方法,为研究硫酸根侵蚀机理提供了新的思路。王志娟等用化学合成的方法人工合成钙矾石和碳硫硅钙石，并比较了两者的稳定性。

氯盐侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要因素，它不仅存在于海水中，还存在于道路除冰盐、盐湖、盐碱地、受污染地下水中，能对混凝土结构造成多方面的危害。首先，氯离子不仅能破坏钢筋表面的钝化膜，还是很好的导电介质，使得钢筋极易发生锈蚀[4]。其次，氯离子还能与混凝土中的水化产物结合，生成 Friedel 盐，研究表明 Friedel 盐也是一种膨胀性物质，能对混凝土造成一定的损伤。Suryavanshi 等利用热重-热差试验和X 射线衍射试验研究了Friedel 盐在碳化后的混凝土中的稳定性，研究表明混凝土碳化越严重，Friedel盐在混凝土中的溶解度越高。何富强等比较了三种不同的硝酸银显色法对测量混凝土中氯离子浓度的不同，并指出了影响其变色边界的因素。Sun 等考虑了氯离子与混凝土水化产物的化学反应，在Fick 第二定律的基础上提出了新的氯离子侵蚀模型。罗睿等从Friedel 盐和双电层理论出发揭示了磨细矿渣混凝土具有良好抗氯离子侵蚀的原因。

1.2 碳化

碳化也被称为混凝土的中性化，是指空气或水中的二氧化碳与混凝土中的水化产物反应生成碳酸盐和水的过程，可以使混凝土碱性降低，进而失去 对内部钢筋的保护作用。一般最常见的是大气中的碳化，也是目前碳化研究的主要方向。元成方等研究了碳化对混凝土试样微观结构的影响，指出碳化不仅会降低混凝土的pH 值，还会引起混凝土总孔隙率的降低。郑永来等研究了碳化对氯离子扩散系数的影响，指出碳化能有效减小氯离子扩散系数。李冠颖等研究了二氧化碳在地质封存过程中，碳酸水环境对不同配比混凝土的力学性能、化学成分、微观结构的影响，并指出碳化初期混凝土力学强度有所增强，但后期由于淋滤作用又使得混凝土试样强度降低。周辉等研究了混凝土在空气中、水中和潮湿状态下碳化的不同机理，并指出空气与水环境下碳化对混凝土的作用有所不同，混凝土在空气中碳化能减小孔隙率，但水环境下碳化的混凝土孔隙率有所提高。

1.3 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一，也是混凝土耐久性研究的热点。混凝土中钢筋的锈蚀是在氧和水条件下发生的一种特定的电化学腐蚀。正常条件下，混凝土中由于氢氧化钙等碱性水化产物的存在，混凝土内部pH 值约为12.5 左右。在这种条件下，钢筋表面可形成钝化膜，能有效抑制钢筋锈蚀。当氯离子进入混凝土内部或发生碳化时，混凝土内部碱性环境会发生破坏，由此造成钢筋锈蚀问题。Ary 等研究了裂纹数量对钢筋锈蚀速率的影响，指出裂纹数量越多，锈蚀速率越快。Soylev 等研究了钢筋-混凝土界面过渡区对钢筋锈蚀的影响，指出由于振捣、泌水、不均质等原因导致界面过渡区存在气孔，使得界面过渡区更容易发生锈蚀。金伟良等考虑了碳化规律，并将锈蚀后的钢筋半径作为变量建立了新的预测钢筋锈蚀率的模型。

1.4 冻融破坏

冻融破坏多发生在严寒地带，其机理主要是由于水在冻结过程中发生体积膨胀，引起混凝土内部产生拉应力，当应力大小超过混凝土本身抗拉强度时就会发生拉破坏[5]。同时，伴随着温度升降，将产生冻融循环，进一步破坏混凝土内部结构，造成混凝土破坏。目前关于冻融破坏理论主要有静水压理论和渗透压理论[6]，静水压力理论认为在冰冻过程中由于混凝土孔隙中的部分孔溶液结冰时体积膨胀约 9%，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移，孔溶液在水泥浆体中移动的同时，必须克服粘滞阻力，从而产生静水压力，形成破坏应力。渗透压力理论认为由于水泥浆体孔溶液呈弱碱性，冰晶体的形成使孔隙中未结冰孔溶液的浓度上升，与其它较小孔隙中的未结冰孔溶液之间形成浓度差。在这种浓度差的作用下，较小孔隙中的未结冰孔溶液向已经出现冰晶体的较大孔隙中迁移，产生渗透压力。孔溶液的迁移使结冰孔隙中冰和溶液的体积不断增大，渗透压也相应增长。渗透压作用于水泥浆体，最终导致水泥浆体内部开裂。

1.5 碱-集料反应

碱-集料反应是指混凝土中的碱性水化产物与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性主要的因素之一[7]。该反应不同于其他混凝土病害，其开裂破坏往往是整体性的，并且目前还没有有效的修补方法。文梓芸从化学的角度详细叙述了碱-硅酸反应的四个阶段以及导致膨胀的力的来源，并且指出了Ca(OH)2在反应中的作用。杨长辉等研究了三类碱矿渣水泥砂浆的碱-集料反应引起的膨胀，并指出虽然碱矿渣水泥碱含量较高，但出现碱-集料反应的可能性远低于普通水泥。王玉江通过对比含碱集料在低碱、高碱环境下试样的膨胀效应，得出含碱集料在低碱环境下，碱-集料反应反而更加严重，并对含碱集料在碱性环境下的析碱机理进行了系统研究。

1.6 复合侵蚀

混凝土耐久性问题比较复杂，涉及到物理、化学、力学等多种因素的耦合作用，上述反应类型也不是单一发生，混凝土结构往往同时受上述几种效应的侵蚀作用。

孙昊月等研究了混凝土试样在含有碳酸氢盐、氯盐、硫酸盐的复合盐侵蚀和冻融侵蚀双重侵蚀因素下的混凝土耐久性。陈晓斌等研究了混凝土在硫酸盐、氯盐共同侵蚀条件下的耐久性，并指出了两种不同盐类的耦合作用机理。金祖权等研究了混凝土在氯盐、硫酸盐中的损伤过程，并分析了两者的耦合机理。Hill 等研究了混凝土在酸和硫酸盐中的耐久性，并探究了硅灰石膏的形成条件。Hekal 等研究了不同配比的混凝土在硫酸镁溶液中经不同条件侵蚀后的耐久性。马保国等研究了混凝土在碳酸盐、硫酸盐中混凝土的侵蚀破坏机理，指出混凝土发生了硅灰石膏型硫酸盐破坏的条件。孙伟等讨论了混凝土在疲劳、氯盐、碳化等复合作用下的劣化，重点论述了碳化、疲劳荷载对混凝土抗氯离子渗透能力的影响。高润东等研究了干湿循环作用下混凝土在硫酸盐中侵蚀劣化机理。Sahmaran 等研究了不同种类混凝土在硫酸盐、干湿循环、冷热循环等复合作用下的力学特性、微观结构劣化规律及劣化机理。

2 未来的研究方向

综上所述，混凝土耐久性问题已引起国内外学者的足够重视，针对氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、酸侵蚀、冻融循环、碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应等做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。混凝土耐久性问题及其发生变形破坏的宏观现象背后隐藏着其微观机理，即在微观尺度上微裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化过程，从微观尺度出发对混凝土微观结构劣化规律进行研究是揭示混凝土劣化机理的主要手段。目前针对混凝土微观结构劣化规律的研究多集中在硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀、酸侵蚀、冻融循环等，对经垃圾渗滤液侵蚀后的混凝土微观结构劣化规律的研究还处于空白阶段。因此，从微观尺度出发研究混凝土微观结构的劣化规律具有重要意义，将为揭示混凝土渗透特性演化规律、宏/细观力学特性演化规律及混凝土劣化机理提供可靠的依据。

3 结语

本文从化学侵蚀、碳化、钢筋锈蚀、冻融破坏、碱-集料反应、复合侵蚀六个方面对混凝土耐久性的影响机理进行综合分析。研究表明混凝土耐久性问题宏观现象已经有大量的研究成果，但其背后隐藏着其微观机理仍未十分明确。建议后续可以微观尺度出发研究混凝土微观结构的劣化规律，以为宏/细观力学特性演化规律及混凝土劣化机理提供可靠的依据。