多种因素作用下对混凝土构件耐久性研究综述

黄振扬

(北部湾投资集团有限公司沿海高速公路分公司， 广西 钦州 535300）

0 前言

我国地域辽阔、人口众多的国情决定了我国在进行经济建设的同时，就需要进行足够的与之相匹配的基础设施建设工程项目，这些工程项目一旦建成，有很大一部分部位的构件都会直接与大气、海洋、沙漠戈壁沙漠环境接触，在不同的环境中都存在着对混凝土构件有着至关重要的影响因素。曾经有国外学者指出，因混凝土构件耐久性造成的代价，有时候甚至是其造价的五倍，因此，研究如何提高混凝土构件在不同环境中的耐久性具有十分重要的使用和经济意义。

1 一般环境状况下混凝土构件耐久性的研究

对于混凝土的耐久性，由于世界各国的国情不同，欧洲各国对混凝土构件的耐久性是以材料和构件的抵抗衰退和抗腐蚀的能力为标准，对其进行定义；我国土木行业对混凝土的耐久性基本概念是：在设计使用年限内不需要进行大修，即可实现其预期设计目标的能力。虽然，世界各国对混凝土构件耐久性的具体定义不同，但从其内容可以看出，混凝土结构的耐久性均包含了，在设计年限构件的稳定性、安全性及美观性的要求[1]。

1.1 在带裂缝工作状态下对混凝土耐久性的研究

由于混凝土抗拉能力相对较弱的材料特点，混凝土构件在承受正弯矩（一般定义混凝土梁的弯矩，以下部受拉为正）最大的部位，在混凝土构件的弹性工作阶段末期（第I 阶段末期）就会出现[2]，所以研究混凝土构件在一般环境条件下的带裂缝工作阶段具有实际的工程意义。

对带裂缝状态下的混凝土构件的耐久性做过研究的不仅有前苏联的科学家，我国的研究人员也做过研究分析；其中有代表性的是陈向勇[3]做的题目为《带裂缝钢筋混凝土构件的耐久性寿命预测》的研究，该研究在仅考虑构件在潮湿工作环境下，基于FICK 第一定律，研究混凝土构件的碳化和钢筋锈蚀。该研究表明，由于构件中裂缝的存在，在裂缝处的混凝土碳化速度与裂缝的宽度平方成正比；对构件中钢筋的锈蚀速度与裂缝宽度采用模糊数学的方法进行分析表明，混凝土裂缝的出现条件和宽度基本吻合。

1.2 在考虑Cl-作用下对混凝土构件耐久性的研究

目前，我国混凝土材料不仅是在房屋建筑中普遍使用，而且在大跨径桥梁项目建设中预应力混凝土桥梁的建设，在江河湖泊修建拦水大坝、水电站等，在这些项目的建设过程中，混凝土都是必不可少的建设用材，而且在项目竣工完成后，能否达到其预计使用寿命都与混凝土构件在海水环境作用下的耐久性能密不可分。所以，研究在海水等含有化学离子元素对混凝土构件的耐久性，不仅有着科研意义而且有着重要的实际工程和经济效益。

在针对海水作用下的混凝土构件的耐久性研究时，研究人员为量化出对构件耐久性研究的不同因素，对该影响因素的研究就从不同方面做出了研究试验，并对构件的使用寿命做了预测，本文对刘志勇[7]的研究进行主要介绍，在该研究中对钢筋混凝土构件破坏的主要原因归结为构件中钢筋首先的锈蚀破坏；在海水环境下，引起钢筋锈蚀的主要元素是海水中大量存在的Cl-[4]，海水中的Cl-在构件中的渗透是引起钢筋锈蚀的主要原因，元素离子在混凝土中的渗透速度与构件的耐久性关系密切；与在其他潮湿空气相比，在研究海洋大气中影响混凝土结构耐久性的因素时，还要考虑空气中存在的二氧化碳成分；而且在二氧化碳和海洋盐离子的共同作用下，与单一因素相比，其作用方式和作用速度有着很大不同。在考虑混凝土自身条件因素下，从饱海水混凝土、钢筋的脱钝化临界值、海洋大气环境下的混凝土、海洋潮汐环境下的混凝土、大量掺工业废渣的混凝土在不饱和状态研究[5]的基础上，刘志勇的研究基于Fick 第二定律，在考虑时间、温度、混凝土饱和度等多种因素的基础上，主要从混凝土的碳化机理、碳化模型、考虑混凝土毛细作用、离子渗透与碳化共同作用等因素，关于海水混凝土耐久性的研究主要下等不同方面对海洋环境下混凝土结构的耐久性进行了研究。在进行实验分析后，对海洋环境下的混凝土构件的使用寿命预测的方法[6]和模型进行了分类，并作出了说明；其分析表明：钢筋混凝土构件中，钢筋的锈蚀不仅与混凝土孔径溶液中的Cl-有关，而且与溶液中的 OH-密切相关；其试验结果同时还表明：混凝土的碳化对构件的锈蚀有着促进的作用。

2 冻融环境下对混凝土构件耐久性研究

冻融循环是指在结构中水分的冻结和融化交替出现的现象；由于在我国北方冬季的温度几乎全部处于零摄氏度一下，所以在这些地区的混凝土构件的设计使用年限内，肯定会伴随着冻融循环的现象，研究混凝土构件在冻融环境下的影响因素，对提高冻融地区构件的使用寿命，也会有着指导意义。

在李福海对混凝土构件在冻融环境下的耐久性研究[7]过程中，是以桥梁下部混凝土构件在冻融环境下的侵蚀研究为例进行的；在对蒸馏水、硫酸钠溶液、硫酸钠与氯化钠混合溶液进行冻融试验对比，结果表明：混凝土构件内部水的冰点由于构件内部存在的其他元素离子而降低，且在不同元素离子占优势的环境下，其损伤、破坏的表现也是不同的；盐溶液与混凝土中的成分会发生的物理化学反应，会加速构件的腐蚀破坏。在蒸馏水的试验中，冻融作用下混凝土的破坏主要是由于，构件中的混凝土在内部水结冰时的体积膨胀引起的混凝土涨裂破坏[8]；在硫酸盐与冻融环境共同作用下构件的破坏，主要是由于硫酸与混凝土内部的水泥浆体水化物成分发生反应，生成新的膨胀性物质造成混凝土开裂；在氯盐与冻融环境共同作用下，构件的破坏主要是由于水、氯离子、铁形成了宏电池，造成构件中的钢筋发生了电化学反应[9]，导致混凝土保护层不能与钢筋良好的粘结，从而降低构件的耐久性和承载能力降低。所以，为改善冻融环境下混凝土的工作性能，在混凝土掺加减水剂、硅灰等材料都有益于构件的工作性能的改善。

3 采用淡化海砂对混凝土构件耐久性的影响研究

砂石作为骨料在混凝土构件的制作和使用过程中，对构件耐久性有着至关重要的影响；目前由于对河砂开采的限制，在混凝土构件使用海砂的趋势，已是势在必行，所以有必要对海砂中存在的多种元素离子对构件耐久性的影响进行研究。

早在20 世纪80 年代，欧美各国在建筑领域中已开始大量使用海砂，并开始对海砂的淡化开始系统性研究[10]；同在在亚洲的日本，不仅在本国的建设领域内大量使用海砂，而且选择优质细砂制作构件出口国外。我国由于在海砂使用方面缺少经验和相关知识的指导，出现了“海砂屋”等贻笑大方的事件；在蒋科峰[11]进行的关于淡化海砂的使用对混凝土构件耐久性的研究中，从海砂与河砂的差异性的各个方面进行了比较研究。在研究由于海砂与河砂的形状差异引起的混凝土硬化过程中，构件内部孔隙的出现，选用敦刻尔克淡化海砂与河砂为细骨料制作构件，以“可蒸发水含量法”进行试验分析，结果表明其二者在抗拉压强度、抗弯剪强度等方面差别很小；在进行淡化海砂和河砂的制作的构件的碳化速度研究时发现，海砂构件的碳化速度比河砂构件的碳化速度，随着时间的增加差别减小，但海砂构件相比于标准砂构件的膨胀率，在各个龄期均较大。此外，洪锦祥从冻融环境对混凝土构件的抗疲劳性能的影响方面进行了研究，其研究结果也表明混凝土构件的抗疲劳性能随冻融次数的增加而急剧降低，且当外部存在盐离子情况下，构件的抗疲劳性能下降更加明显。

4 对混凝土构件耐久性研究的问题

目前，国内外对混凝土构件耐久性的研究，主要从混凝土构件的工作环境、组成骨料等方面进行，而对在设计和施工过程中可能出现的对混凝土构件耐久性产生影响的因素研究较少；如在设计过程中对受弯剪部位的构件内部弯起钢筋对构件裂缝出现的影响；在施工过程中，在承受剪力较大的部位如支座部位的下部，放置弯起的构造筋，避免在施工过程中因局部剪力过大而过早出现裂缝；在混凝土桥梁建设中，由于昼夜温差较大，在施工过程中由于施工温差的作用可能会导致温度应力作用，导致桥梁建设过程中局部构件出现裂缝，甚至由于温差位移的累加，可能导致在桥梁的合龙阶段，不能顺利合龙等后果。

总之，对混凝土耐久性的研究，已经进行了上百年，目前的研究结果皆表明，在混凝土裂缝的存在、混凝土的收缩徐变、外部盐离子的作用、冻融作用、构件混凝土的碳化等一种或多种耦合因素作用下，构件的耐久性均会降低。对混凝土构件目前仍在不断改进，如当前利用尾波干涉技术（CWI)对混凝土构件进行耐久性分析，该技术是从尾波在地震方面的研究推广而来。在材料改进方面，在本世纪初赵建昌等人合作的项目，针对超效缓凝砂浆与缓粘结预应力混凝土构件试验研究，从研制添加新的具有明显改变混凝土前期性能的方面，对构件的耐久性的影响进行研究。所以，对混凝土构件耐久性的研究技术的改进不仅与本学科的技术和研究方法的进步而向前推进，其他学科如力学、数学、材料等其他学科的认识的推进，也会对混凝土构件耐久性研究有着推进作用。