混凝土耐久性问题的层次分析及启示.pdf

1 6 低温建筑技术 2 0 1 6年第 4期( 总第 2 1 4期 ) DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 6 0 4 0 0 6 混凝土耐久性 问题 的层次分 析及启示 王艺霖 ， 逄鲁峰 ( 山东建筑大学土木工程学院 。 济南2 5 0 1 0 1 ) 【 摘要】 为了加深对混凝土耐久性问题 的理解， 首先从“ 辩证否定观” 和“ 度” 这两个方面进行了辩证思 考， 讨论了混凝土的刚性、 碱性和水的作用。然后按微观 一亚微观 一宏观三个层次分析了改善耐久性问题 的方 式。结合专业研究成果， 得到层次越接近宏观， 则效率越低的结论。最后 ， 归纳了对混凝土结构耐久性问题今后 研究的五点启示。 【 关键词】 混凝土； 耐久性 ； 辩证； 层次 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 6 ) 04 0 0 1 6 0 3 钢筋混凝土结构结合 了钢筋与混凝土的优点 ， 而 且取材方便 ， 造价较低 ， 是土木工程设计中的首选结 构形式， 在各类基础建设中得到了广泛应用。但任何 事物都具有两面性 ， 钢筋混凝土结构也有其明显的缺 陷。事 实上 ， 从混凝 土开始 应用 于土木工 程 以来 的一 百多 年当中 ， 大量 的钢筋混 凝土结 构 因为耐久 性不足 而达不到预定 的服役年限。特别是沿海及近海地区 的混凝土结构， 由于海洋环境对混凝土的腐蚀 ， 导致 结构发生早期损坏， 造成巨大损失。耐久性 已成为实 际工程 中的重大 问题 。 目前该 问题 已引起 了国 内外 学者 的高度 重视 ， 公 布的研究成果数量相当可观。但由于问题的复杂性 ， 系统性的耐久性评估或设计理论还有待进一步完善。 文中将结合专业领域现有的研究成果， 基于宏观性的 辩证思考 ， 从层次分析这个角度来对混凝土结构的耐 久性 问题进行深入 的探讨 ， 得 到有益 的启示 。 1 混凝土结构 耐久性问题 的辩证思考 1 1 基于“ 辩证否定观 ” 的思考 由辩证的否定观可知， 任何事物 内部都包含肯定 因素和否定因素两个方面。现实存在的事物都是在 一 定条件下产生的， 条件发生变化后 ， 对于它 自身同 时存在并不断壮大的否定因素来说 ， 它终究会逐渐丧 失存在的意义。这时， 否定因素成了促使原来事物灭 亡的新生力量 ， 使旧事物灭亡、 新事物产生” 。 同时 ， 根据辨证法 的观点 ： “ 世 上唯一不变 的就是 变化” ， 变化是无时无处不在的， 混凝土建筑物也在 内、 外因的作用下不断发生变化。根据质量互变规 律 ， 事物 由于 内部矛盾 运动 ， 必然 按照 由量变 到质变 、 再由质变到新量变的过程从一事物转化为另一事物。 对 于混凝土结构 ， 可从 以下三方面来理解这一 点 ： ( 1 ) 世上没有能长久存在的事物， 混凝土结构 物作为非天然形成的人类产物， 也必将在 自身内部的 矛盾发展 变化 过程 中不断走 向消亡 。因此我 们 先 明 确： 混凝土结构的耐久性必然是个相对概念， 我们所 指的耐久性一般是相对建筑物的设计年限而言的。 传统经典 道德经 中对此也有相应论述： “ 天下 万物生于有 ， 有生 于无 ” 。老子 认 为万 物从 “ 无” 一否 定来开始生成发展， 同时“ 反者道之动” ， 符合事物发 CD P r o c e e d i n g s I CP I C 01 ，Xt h I n t e r n a t i o n a l Co n g r e s s o n Po l y me m i n Co n c r e t e ，Ho n o l u l u，Ha wa ，2 0 01 6 赵志方 新老混凝土粘结机理和测试方法 D 大 连 ： 大连理 工大学 ， 1 9 9 8 7 A D A C H 1 I ， H A S H I M O T O K ， N I S H I M U R A T C o n s t r u c t i o n j o i n t o f c o n c r e t e s t r u c t r u e s u s i n g s h o t b l a s t i n g t e c h n i q u e J T r a n s a e t i o n s o f t h e J a p a n C o n e r e I n s t i t u t e ， 1 9 8 3， ( 5 ) ： 6 1 6 8 8 S i l f w e r b r a n d J ，P a u l s s o n J B e t t e r b o n d i n g o f b r i d g e d e c k o v e r - l a y s Co n c r I n t 1 99 8， 1 0： 5 6 6 1 9 E m m o n s P H C o n c r e t e R e p a i r a n d M a i n t e n a n c e I n ： P a r tT h r e e ： S u rfa c e Re p a i r ， S e c t i o n 6： B o n d i n g Re p a i r Ma t e ri a l s t o Ex i s t i n g C o n c r e t e M MA：R S Me a n s C o m p a n y ；1 9 9 4， 1 5 4 6 3 1 0 A u s t i n S， R o b i n s P，P a n Y T e n s i l e b o n d t e s t i n g o f c o n c r e t e r e - p a i m J Ma t e r S t r u e t 1 9 9 5 ， 2 8： 2 4 95 9 1 2 C l e l a n d D J ， L o n g A E T h e p u l l o ff t e s t f o r c o n c r e t e p a t c h r e p a i m J I n ：P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n of C i v i l E n g i n e e r s - S t me t u r e s a n d Bu i l d i n g s 1 9 9 7， 1 2 2： 4 51 6 O 1 3 E m b e r s o n M K， Ma y s G C S i g n i fi c a n c e o f p mp e r t y mi s m a t e h i n t h e p a t c h r e p a i r of s t r u c t u r a l c o n c r e t e ，P a r t J P r o p e r t i e s o f r e p a i r s y s t e mMa 9 C o n c R e s ， 1 9 9 0， 4 2 ( 1 5 2) ： 1 4 71 6 0 1 4 Y O h a m a ， K D e m u r a ， H N a g a o ， T O g i A d h e s i o n of p o l y m e r mo d i fie d mo rt a r s t o o r d i n a r y c e me n t mo r t a r b y d i ff e r e n t t e s t me t h ods C Lon d o n ： C h a p m an and Hal l ， 1 9 8 6： 7 1 97 2 9 收稿日期 2 0 1 5 1 2 2 2 作者简介 杨潮军 ( 1 9 8 9一) ， 男 ， 浙 江诸 暨人 ， 硕 士研究生 研究方 向： 先进土木工程材料。 王艺霖等 ： 混凝土耐久性 问题的层次分析及启示 1 7 展过程是“ 肯定一否定一否定之否定” 的辩证法观点。 “ 有” 之后 的发展趋势必然是“ 无” ， 所以混凝土结构 “ 生 于无 ” 也将归于 “ 无” 。 ( 2 ) 混凝土结构的刚度一般都较大， 属于“ 坚强 之物” 。刚强之性成为其内部的肯定因素 ， 相对应， 柔 韧之性成了否定因素。刚强与柔韧的对立统一， 构成 了混凝 土结 构 内部 的矛盾 运动 。起 初 混凝 土 的刚 强 之性很 突出 ， 但在外部环 境因素 ( 如冻融循 环 、 干湿交 替等) 作用下 ， 混凝土疏松剥落造成刚度减小 ， 肯定 因素与否定因素不断的“ 此消彼长” ， 会导致混凝土结 构的刚强之性不能保持下去而发生 自身破坏。 对此 ， 道德经 也讲道： “ 物壮则老， 谓之不道 ， 不 道早 已” 、 “ 坚 强者死 之徒 ” 、 “ 柔 弱胜 刚强 ” 、 “ 弱 之 胜 强 ， 柔之胜刚” 等， 都说明了强弱之势可以相互转换。 柔弱作为和刚强的对立因素， 必将不断壮大。 对照问题实际， 混凝土不能耐久大部分正是由于 水 ， 气体 ， 微离子等柔弱性物质引起的。因此要想增 强混凝 土结 构 的耐久 性 ， 在材 料 用量不 变 的情况 下 ， 增加其柔性 ， 降低刚性， 趋向“ 刚柔相济” 是个解决问 题的有效思路。 此外 ， 道德经 也讲道： “ 无有入无间” 。含有细 小毛细孔洞近似“ 无间” 的混凝土被水、 气体、 氯离子 等近似“ 无有” 之物所进人， 发生不利反应。由此， 考 虑增加混凝土的密实度， 使其密实的性质更加强化， 减缓被否定的过程也是个有效思路。 ( 3 ) 由于混 凝土 的硬化 过 程 中， 约 占水 泥用 量 的三分之一将水化生成氢氧化钙， 因此新鲜的混凝土 呈碱性。碱性和酸性即成为混凝土结构的另一对肯 定因素和否定因素。 由于碱性有余 ， 其碱性会被逐渐中性化， 所 以混 凝土和周围环境中的酸性气体 ( 二氧化碳、 氯化氢、 五 氧化二磷、 二氧化硫、 三氧化硫、 氯气 、 溴、 碘等) ， 酸性 水( 含有盐酸、 硫酸 、 硝酸、 醋酸、 乳酸等的工业废水) ， 酸性固体物等发生碳化反应， 使碱性降低。同时在混 凝土内部， 碱性物质与骨料中的活性物质之间也发生 破坏性膨胀反应 ， 即碱 一骨料 反应 。碱 一骨料 反应 造成的开裂破坏是整体性 的， 至今 尚无防治的有效措 施， 被称为混凝土的“ 癌症” 。这两点都是降低混凝土 结构耐久性的重要因素。由此， 我们很容易想到应当 考虑降低混凝土的单一性质， 使之趋于中性化 ， 从而 减少在被迫 中性化的过程中受到的损坏。目前采用 低碱水泥是在上述思路下采取的有利措施之一。 1 2 基于“ 度” 的思考 所谓“ 度” 就是 事物保 持 自己的质的数量规 定性 ， 体现了事物“ 质” 和“ 量” 的统一。一方面， 一定的质决 定 了一定 的量 ， 质 决定着量 的活动 范 围； 另 一方 面 ， 量 的变化超过了度的界限， 事物的质就会改变。因此 ， 在实践活动中， 掌握适度的原则至关重要。在混凝土 结构耐久性 问题 中， 水 的作用就突出表现 了这个 问 题。水对混凝土的作用包括两方面： 在混凝土这种 刚强之物的构成中却离不开水这种至柔物质。水泥 的水化反应是混凝土形成的基础； 水既构成混凝土 的强度 ， 又破坏其强度。碳化反应、 钢筋锈蚀、 碱一骨 料反应等都离不开水的参与。 因此 ， 要想保证混凝土的耐久性， 须严格控制水 的作用 ： 一方面， 在混凝土的形成过程 中， 水的用量就 要控制 ， 过多的水也会使形成 的混凝 土中毛细孔增 多， 孔径增大， 导致以后使用过程中抗冻性和抗渗性 较差， 侵蚀也较易发生， 故选择合适 的水灰比和使用 减水剂是有效措施； 另一方面， 在混凝土的使用过程 中， 隔绝水环境 ， 使用表面防水处理等也是有效方法。 2 混凝土结构耐久性 问题的层次分析 考虑到事物发展的质量互变规律： 量变引起质 变， 再由质变到新的量变。同时 道德经 也讲道“ 为 大于其细， 天下大事， 必作于细” 。可将改善混凝土结 构耐久 性问题 分微 观 亚微观一 宏观三个层次来考虑 。 2 1 在微观层 次 考虑掺加微细物质， 利用各种物理化学反应来实 现微观改变。“ 合抱之木， 生于毫末 ； 九层之台， 起于 累土” ( 道德经 第 6 4章) 。微观是宏观状态的根本， 改善混凝土的微观特性是解决问题最根本有效的措 施 。同时 ， 掺加 的微 细物 质都 属 于柔 弱之 性 ， 有 利于 增强结构的柔性。 目前达到实用状态的方法已有不少种， 例如： ( 1 ) 使用减水剂 ， 可以吸附于水泥颗粒表面， 减 少其多余电荷， 使絮凝结构解体 ， 释放被束缚的水分 ， 从而达到从分利用水的目的， 减小水灰比的值 。 ( 2 ) 掺加 细度和硅酸盐水泥相 近 的矿 物掺合料 ( 粉煤灰、 矿粉、 硅灰等) 能显著改善混凝土的基本性 能， 主要作用包括减水效应， 增浆效应， 活化效应和微 骨料效应等。 以上二者双掺， 即成为具有高工作度、 高流变性 、 高早期强度和长期强度、 高尺寸稳定性、 高抗渗性等 优 良品质的高性能混凝土 ， 这是 目前简便 、 经济 、 高 效的解决混凝土结构耐久性问题的基本措施之一。 ( 3 ) 掺入阻锈剂( 亚硝酸盐等) ， 优先参与并阻 止钢筋腐蚀中阳极或阴极发生 的腐蚀性电化学反应， 从而有效的控制钢筋的锈蚀 。 ( 4 ) 使用海水耐蚀剂( 用矿渣、 天然火山灰等无 机材料磨粉而成) ， 是一种高比表面积， 高性能的 l- J n 剂， 专用于抗海水和盐类的侵蚀 。 2 2 在亚微观层次 1 8 低温建筑技术 2 0 1 6 年第4期( 总第 2 1 4期) 现在广泛应用的使用外加纤维进行混凝土补强。 纤维可分为两大类 ： 弹性模 量大于水泥基体的钢纤 维 、 玻璃纤维、 石棉纤维、 碳纤维等和弹性模量小于水 泥基体的尼龙纤维、 聚乙烯、 聚丙烯纤维等。 对弹性模 量大于水泥基体的纤维， 以钢纤维为 例 ， 由于其直 径很 小 ( 一 般 为 0 4 5 0 7 m m) ， 长径 比 在 5 0 8 0左右 ， 因此除 了在轴 向外 ， 刚度很小 ， 接近柔 性物质。即使在轴 向， 根据钢材的应力 一应变特性， 当其受拉达到屈服后 ， 进入塑性 阶段， 也表现出明显 的柔性 ， 因此符合以上增加柔性原则。对玻璃纤维 和石棉纤维也有类似的分析。柔性的增加， 直接带来 了脆性的改善和抗拉性， 抗冲击性， 韧性的提高， 这些 性质正是一般混凝土 的“ 软肋 ” 。对此 ， 已有 了大量 的 研究成果。而对弹性模量小于水泥基体的纤维， 其增 加柔 性的意义更为 明显 ， 多用 于有瞬 时超 载如 吊装应 力， 冲击荷载或风载较大的场合。 在刚性物中虽然加入的是柔性物质， 起到的效果 确是补强的。深刻理解这一点 ， 意义是不言而喻的。 目前 ， 纤维补强混凝土混凝土已广泛应用于建筑结构 中的重要部位 、 路面、 桥面、 机场跑道以及各类水工、 港工构筑物等。 2 3在宏观层次 目前应用较多的措施主要有 ： ( 1 ) 提高保护层厚度和质量。理论上混凝土保 护层厚度越厚， 结构耐久性就越好。但实际上， 过厚 的保护层在硬化过程中的收缩应力和温度应力不易 受钢筋控制， 因此容易产生裂缝 ， 大大削弱其作用。 因此， 保护层厚度一般不应超过 8 Ol O O m m。 ( 2 ) 提高钢筋本身抵抗腐蚀的能力， 使用包铜 钢筋、 镀锌钢筋、 环氧涂层钢筋等 。其效果显著但 成本高， 而且导致钢筋与混凝土的粘结力下降， 共 同 作用效果降低等。 以上两种 方法 并没 有 改善 混凝 土 刚强 之 性太 大 的问题 ， 属于 “ 被动设 防” ， 因此难 以得到有效 的应用 。 ( 3 ) 使用新型模板( 渗透性控制模板 ， 聚合物镶 面板等) 进行混凝 土表层处理， 提高表 面质量和性 能 。结 构选 型和 细部设 计 时尽量 限制 混凝 土表 面 积水， 减少受潮和溅湿面积。 分析以上各种处理方法 ， 显然 ， 层次越趋于宏观， 则方式越粗放 ， 效率越低 ， 也越不可靠。 3 对今 后混凝土结构耐久性研究的启示 基于以上对混凝土结构耐久性问题更深程度的 认识 ， 对下一 步研究方 向和方法 ， 可 提出以下启示 ： ( 1 ) 在微观层次 ， 考虑提高应用现有方法的效 率和可靠性 ； 同时寻求新的高效的掺合料。 ( 2 ) 在亚微观层次， 进一步研究各种纤维补强 混凝土的机理和作用效果， 实现更精确有效的控制； 同时寻求新的纤维形式和材料。对此 ， 现在已有不少 新的技术方案， 如哑铃形钢纤维、 端钩形钢纤维、 压痕 形 钢纤维 、 螺旋钢纤维等 。 ( 3 ) 在 宏观层 次 ， 对 前述 几种方 法 的机理 和效 果展开深入研究， 以提高其效率和可靠性 ； 同时寻求 同层次的新方法。 ( 4 ) 研究趋势可以考虑从宏观向亚微观和微观 层次靠拢 、 亚微观 向微观层次靠拢。比如现在 已经采 用的给钢纤维外加刻痕， 使用变异形式等正是这种思 路的体现。 ( 5 ) 为提高效率 ， 达到效果优化， 可考虑跨层次 突破， 同时兼顾某两个层次或三个层次同时兼顾。比 如在采用纤维补强的同时 ， 以适 当的方式加入掺合料 或减水剂等物质。 参 考文献 1 高苑 论辩证唯物主义与历史唯物主义的统一 D 吉林 ： 吉 林大学 ， 2 0 1 3 2 春秋老子著 雅瑟编 道德经大全集 M 新世界 出版 社 ， 2 0 1 1 3 李强， 余红发， 张立明 冻融循环对粉煤灰混凝土氯离子扩散 系数 的影响 J 应 用基 础与工 程科 学学报 ， 2 0 1 5 ， ( 3 ) ：6 2 2 62 8 4 郑玉庆 混凝土碱骨料导致的损伤 J 四川建筑科学研究， 2 0 1 5， ( 3 ) ： 1 0 61 0 9 5 米永 刚， 刘茂 社 聚羧 酸减 水剂 复配 试验 研究 J 混凝 土 ， 2 0 1 5， ( 1 0 ) ： 1 5 81 6 0 6 魏宏云 ， 周卫 峰 ， 李源渊 掺加 矿粉 和粉煤灰的混凝 土渗透性 能分析 J 公路工程 ， 2 0 1 5， ( 5 ) ： 1 5 01 5 4 7 王恒 昌， 杨医博 ， 杨 磊 ， 等 钢筋阻锈剂阻锈性能快速评 价方法 对 比研究 J 混凝 土， 2 0 1 4， ( 2 ) ： 6 8 7 1 8 卢 坚 海 水耐 蚀剂 的研 究 与应用 J 新 型建筑 材 料 ， 2 0 0 3， ( 9) ： 6 1 6 2 9 姬小祥 ， 张帆 ， 邵 景干 不 同类 型钢 纤维混凝土力学性 能室内 试验分析 J 水利 与建筑工程学报 ， 2 0 1 5 ， ( 5) ： 1 6 81 7 2 1 0 汤雁冰， 徐云浦， 王迎飞， 等 环氧涂层钢筋涂层破损情况的电 化学阻抗研究 J 水运工程， 2 0 1 5 ， ( 5 ) ： 4 0 - 4 3 1 1 陈浩， 欧阳钦， 卢记军 可控制渗透性模板内衬对提高混凝士 表层性能的研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ， ( 1 0 ) ： l 1 1 1 1 4 收稿 日期 2 0 1 51 2 2 8 作者简介 王艺霖 ( 1 9 8 1一) ， 男 ， 河南项城人 ， 博士 ， 讲师 ， 从 事混凝土耐久性方面的研究。