混凝土结构耐久性的影响因素及对策.pdf

收稿日期：2008-09-24 作者简介：王海彦（1975-），男，汉，河北张北人，硕士，讲师，研究方向隧道及地下工程。16 第7 卷 第4 期 石家庄铁路职业技术学院学报 VOL.7 No 42008 年 12 月 JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAY TECHNOLOGY Dec.2008 混凝土结构耐久性的影响因素及对策 王海彦 周敏娟 田彦平（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 0 5 0 0 4 1）摘要：钢筋混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但由于其结构自身和使用环境的特点，使得混凝土结构经常存在严重的耐久性问题。通过对国内外钢筋混凝土结构工程耐久性现状的介绍，论述影响混凝土结构耐久性的因素及混凝土的破坏机理，并针对性地提出预防的措施。关键词：钢筋混凝土 耐久性 冻融破坏 影响因素 中图分类号：U 4 4 8.3 4 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3-1 8 1 6(2 0 0 8)0 4-0 0 1 6-0 5 1 概述 在钢筋混凝土应用于土木工程结构至今的 150 年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到规定的使用年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化引起的，但更多的是由于结构耐久性不足导致的。长期以来，人们一直认为混凝土是非常耐久的材料，直到 20 世纪 70 年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后 2030 年，甚至在更短的时期内就出现劣化。我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用 2530 年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅 1520 年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持 50 年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有 3040 年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用 10 年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达 2 万亿元人民币以上，约 3050年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续 20 年，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有“大修”20 年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。2 混凝土耐久性的含义 混凝土耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的 第 4 期 王海彦，等 混凝土结构耐久性的影响因素及对策 17目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。混凝土耐久性主要包括以下几方面：（1）抗渗性：即指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时控制混凝土受热或受冷时水的移动。（2）抗冻性：混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次抵抗冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。（3）抗侵蚀性：混凝土暴露在有化学物质的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏。一般的化学侵蚀有水泥浆体组分的浸出、硫酸盐侵蚀、氯化物侵蚀、碳化等。3 影响混凝土耐久性的主要因素 一般混凝土工程的使用年限为 50 100 年，但实际中有不少工程在使用 10 20 年，有的甚至在使用几年后即需要维修，这就是由于混凝土耐久性低（不足）造成的。影响混凝土耐久性的原因错综复杂，除去社会因素、人为因素，技术方面的因素之外，其主要因素有以下几点。3.1 混凝土的碳化 混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜和钝化膜遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。所以说，混凝土的碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构可靠度的重要指标。3.2 混凝土的冻融破坏 混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和用水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积，另外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结成冰后会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，这样使得胶凝孔中的水向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，胶凝孔向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中冰的体积进一步膨胀。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐减低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。3.3 侵蚀性介质的腐蚀 在各种侵蚀性介质如酸、碱溶液等作用的环境下，侵蚀性介质对混凝土产生腐蚀，最终可能 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 0 8 年第 4 期 18导致结构破坏。冬季，为保证公路交通的畅通，道路养护人员向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或泼盐水，以化雪和放冰，这使得氯离子进入混凝土结构的内部。在混凝土结构使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件中，氯化物是最危险的侵蚀介质，应引起高度重视。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理，一是破坏钝化膜，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，使该处呈酸性，从而破坏了钢筋表面的钝化膜；二是形成腐蚀电池，腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑，且蚀坑发展十分迅速；三是去极化作用，氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用，即凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始地起到破坏作用，这也是氯离子危害的特点之一。3.4 混凝土碱集料反应 混凝土碱集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，集料中活性材料主要是 SiO2和硅酸盐、碳酸盐等。混凝土碱集料反应分为 3 种：碱硅反应，碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应。其中碱 硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布，故裂缝首先在混凝土表面无序、大量产生，随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速降低。引起碱集料反应的 3个条件中有 2 个来自混凝土内部，一是混凝土中掺入了一定数量的碱性物质，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境；二是集料中有一定数量的碱活性骨料（如含 SiO2的骨料）；三是潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所需要的水分。在干燥条件下碱集料反应难以发生。混凝土发生碱集料反应破坏的特征：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物；而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，又会使裂缝扩大。若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这样就造成了混凝土工程的综合性破坏。3.5 钢筋锈蚀 混凝土在一种或多种外界作用下，材料的耐久性能会发生衰退，逐渐降低了对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况时，钢筋失去了碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀也是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接的因素。混凝土中的钢筋锈蚀一般是电化学锈蚀。电化反应的必要条件是钢筋表面呈活化状态且同时存在水和 CL。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素，CL 侵入也可使钢筋表面钝化膜迅速破坏。根据钢筋锈蚀区的分布将钢筋锈蚀分为两类：（1）裂缝处锈蚀。构件混凝土表面可能由于荷载作用产生结构性裂缝，或因干缩、湿度应力、碳化、碱集料反应等产生非结构性裂缝。当环境中的水、氧、CL 沿裂缝侵入时，造成裂缝处的钢筋产生锈蚀。（2）普遍锈蚀。当混凝土碳化至钢筋表面时，一旦存在水、氧、CL 等条件时，首先在裂缝处出现钢筋坑蚀，进而发展为钢筋横向的环状锈蚀，最终沿钢筋纵向扩展为片状锈蚀。成片的锈蚀因 第 4 期 王海彦，等 混凝土结构耐久性的影响因素及对策 19其体积膨胀导致混凝土沿钢筋布置方向发生混凝土保护层裂缝。4 提高混凝土耐久性的措施 如前分析，不论是上述哪一种因素主导着混凝土的劣化过程，其共同点是混凝土内有充足的水分和其他有害物质的侵入。要提高混凝土耐久性，满足耐久性要求，必须降低混凝土的孔隙率，特别是降低毛细管孔隙率，即混凝土必须有足够的密实性并且不出现有害裂缝，从而能够抵抗水分和侵蚀性介质的渗入。针对影响混凝土耐久性的因素，采取的措施多种多样，归纳起来主要有以下几点：（1）提高混凝土抗碳化能力。碳化对混凝土结构耐久性影响主要是使混凝土碱度降低，进而钢筋脱钝、锈蚀。为此必须减小、延缓混凝土的碳化。钢筋外留下足够的混凝土保护层厚度是简单有效的方法；混凝土配合比将影响碳化速度，足够的水泥用量、降低水灰比、采用减水剂都可减缓碳化速度。此外，提高混凝土密实性、增强抗渗性、对混凝土采用覆盖面层等措施可减缓或隔离 CO2向混凝土内部渗透，大大提高混凝土抗碳化能力。（2）防止混凝土的冻融破坏。冻融破坏在我国北方寒冷地区大量出现。防止冻融破坏主要措施是降低水灰比、使用引气技术（加引气剂）。但是，由于引入空气微泡会降低混凝土强度，加之市场上引气剂品种繁多，质量参差不齐，故在工程使用时应慎重选用。（3）预防侵蚀性介质的腐蚀。在我国侵蚀性介质对混凝土结构危害最严重的应是氯盐的影响。提高混凝土抗氯离子渗透能力的措施是限制水灰比，保证最低水泥用量以确保碱度，掺入适量优质掺和料（粉煤灰、磨细矿渣、硅灰）等。（4）减轻混凝土碱集料反应。混凝土碱集料反应危害很大，而且一旦发生很难修复。但在我国由于碱集料反应引起开裂的实例很少见。这是因为我国混凝土强度等级较国外低，水泥用量少，总碱量低。另外，我国水泥中普遍掺有 15%以上碎矿渣、粉煤灰、沸石粉等混合料，有效抑制了可能发生的碱集料反应。但随着混凝土强度提高，水泥用量增加，同时水泥生产工艺的改变，混凝土含碱量已在明显提高。由于大量基建项目的兴建，骨料来源减少，劣质骨料可能被采用，施工队伍素质等问题也将提高碱集料反应几率，故应采取有效预防措施。避免碱集料反应的方法可采用：尽量避免采用活性集料；限制混凝土的碱含量；掺用混合材。（5）钢筋锈蚀的预防。对钢筋锈蚀问题，可以采用的表面保护措施有：环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层，这种钢筋保护层即使氯离子、氧等大量侵入混凝土时也能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。另外，在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，涂料应是耐碱、耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料。此外，自 20 世纪 60 70 年代起，国内外都开始在混凝土拌和物中掺入亚硝酸钠作为预防恶劣条件下钢筋腐蚀的补充措施。另外，还可掺加高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性（工作性）的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。掺入高效活性矿物掺料，如硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成，使水泥石结构更为致密，有效地阻断可能形成的渗透通道，提高混凝土强度，增强混凝土自身抵抗环境侵蚀破坏的能力等。（6）加强混凝土配合比设计。强调以降低混凝土水胶比，而不是片面强调水泥的高强、早强为选用原则。减小水胶比是改善混凝土耐久性的重要方法，现在一些大体积混凝土一般采用低水胶比 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 0 8 年第 4 期 20的碾压混凝土，三峡工程的大坝就是采用这样的技术。同时，还应加强混凝土组分中粗、细骨料的均质性、稳定性；较好的骨料粒型（针片状较少）、级配合理、强调不同组分之间的相容性和超叠效应，而不是单个组分的品质；水泥和高效减水剂之间必须要做相容性实验。（7）防止混凝土产生裂缝。因为混凝土有裂缝之后，耐久性将大大降低。资料表明，近几十年来，基础桥梁、隧道等部位产生的大量裂缝和干燥收缩的关系不是最重要的，水化热及温度变化已经成为混凝土开裂的主导原因。因此防止混凝土裂缝提高混凝土的耐久性，降低混凝土的水化热尤为重要，而降低水化热的办法可以采用降低混凝土新拌温度；加入一定比例的粉煤灰可以提高混凝土的粘聚性，同时产生胶凝反应对混凝土有内养护作用，从而改善抗裂性能减少收缩，延缓早期强度发展率。（8）加强养护，控制早期裂缝。混凝土的裂缝与混凝土的收缩有关。试验表明，干缩在浇筑28 天收缩 40%，三个月收缩 60%，六个月收缩 80%，干缩与浆骨比有关，当浆骨比一定时与水胶比有关。由于现代硅酸盐水泥发热量大，细度细，混凝土早期强度高，早期裂缝为 60%，所以控制早期裂缝尤为重要。采取的措施就是及时养护，拆模时间要以混凝土的内外温差来定，不能随意，尤其不能在拆模后才开始浇水养护因为那样会造成混凝土因解除束缚，而内外温差大造成开裂。5 结语 目前，混凝土结构耐久性问题已十分严重，这应该引起每一名从业人员的高度重视。从设计方面，应进一步明确使用年限，针对影响混凝土结构耐久性的主要因素，结合工程具体情况，采取相应的措施。为保证混凝土结构耐久性，还应对施工提出详细要求。同时，应该大量使用新技术、新成果来改善、提高混凝土的耐久性，延长混凝土工程的使用寿命。另外，作为提供给用户的产品，明确正常使用方法、日常维护内容也是必需的。（责任编辑 田明山）参考文献：1牛荻涛.混凝土结构的耐久性与寿命预测J.北京:科学出版社出版,2003 2金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性J.北京:科学出版社出版,2002 3陈肇元.混凝土结构的耐久性设计方法J.建筑技术,2003(5)4叶见曙.结构设计原理J.北京:人民交通出版社出版,2007 Review of Effect Factors on Reinforced Concrete Structure s Durability and the Countermeasures Wang Haiyan Zhou Minjuan Tian Yanping(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 china)Abstract：Reinforced concrete structure is very commonly used.However,because of the features of the structure and the application environment,there re serious problems of the concrete s durability.By introducing the present situation of reinforced concrete structure project s durability at home and abroad,the thesis discussed the connotation of concrete structure s durability and put forwards the preventing measures.Key words：reinforced concrete durability freezing-thawing damage effect factor