钢筋混凝土结构性能退化分析——工程实践的经验教训.pdf

2 0 1 4年 3月 水 利水 电快 报 E WR H I 第 3 5卷第 3期 文章编号： 1 0 0 6 - 0 0 8 1 ( 2 0 1 4 ) 0 3 - 0 0 3 4 - 0 3 钢筋混凝土结构性能退化分析 工程实践的经验教训 英国 C L 佩奇 摘要： 在过去的4 0 a中， 对有关钢筋混凝土和预应力混凝土结构的各种问题进行了长期的研究， 从理 论分析到工程实践， 积累了不少经验教训。阐述了有关加速试验和模拟钢筋混凝土性能退化的长期过程 ， 重点涉及到混凝土钢筋腐蚀问题、 碱硅反应和碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀等主要难题。 关键词 ： 钢筋混凝土 ； 混凝 土结构 ； 结构性能； 分析 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文献标 志码 ： A 1 概述 有关钢筋混凝土和预应力混凝土结构性能过早 退化等问题 ， 其早期研究只是简单地涉及某些缓蚀 型阴离子的作用机理 ， 由于采用 的是一些简陋 的试 验方法 ， 许多尝试屡屡受挫。直到问题得到逐步解 决 ， 才开展了对缓蚀剂作用机理的研究 ， 如苯 甲酸根 离子 ， 在 有溶解氧成 分 的水 溶液 中能使 钢筋钝 化 ( 译注 ： 钝化 即生成致密 的氧化层保护膜 四氧化三 铁) ， 也就是说 ， 苯甲酸根离子与铁 阳离子在金属及 体表面结合形成难溶物 ， 能减缓金属 的腐蚀。就钢 筋混凝土而言 ， 钢筋在酸性环境 中易遭到腐蚀 ， 而碱 环境则有利于保护钢筋不被锈蚀 ， 这就是 为什么在 未污染的含碱混凝土中， 金属通常是处于钝态的。 通常， 在分析钢筋腐蚀和性能退化现象时 ， 应采 用可重复使用 、 特性保持 良好的试样表面。显然 ， 这 与探求混凝土钢筋腐蚀作用而制定的标准试验方法 有关 。可考虑综合运用与检测老建筑物中钢筋腐蚀 相类似的显微技术与分析技术 ， 但这不能不说仍是 一 大挑战， 对于众多实际建筑物可能遇到的不 同钢 筋表面状况的特性 ， 需不断完善模拟试验方法 ， 开展 进一步的深入研究。如果对其表面特性不能进行良 好的分析， 则意味着这种试验条件不具代表性， 不能 作为材料检测的依据。 2 警示事件 直到 2 0世纪7 0年代， 人们都普遍认为， 大多数 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 0 2 3 4 混凝土结构的耐久性均满足要求 ， 即使在极潮湿的 环境 中( 这种环境对钢和木材等建筑材料是有腐蚀 性的) 也无须进行重大维护。1 9 7 2年 ， 新颁 布了英 国标准应用守则 ， 即混凝土 的结构应用 ( C P 1 1 0) ， 而世界上绝大多数这种混凝 土结构 ， 其 主要组成材 料均为硅酸盐水泥 ， 而这种水泥是 1 8 2 4年 由英 国人 J 阿斯普丁发明演化而来的。到了 2 0世纪初 ， 钢筋 混凝土便成为英 国当时的主要建 筑材料。2 0世纪 4 0年代 ， 预应力混凝土开始引入英 国， 且应用规 模 越来越大 。 像 C P 1 1 0这种标准 ，主要涉及混凝土的 耐久性问题 ， 要求规范运作 ， 而对混凝土钢筋的保护 层厚度、 容许裂缝宽度、 水泥用量、 水灰 比等要求 ， 该 标准中准确的解释并不多， 而对 可能遭遇的各种环 境影响也极少明确 的提及 ， 对规定的预期寿命概念 也只字未提。 在 1 9 7 3年 6月至 1 9 7 4年 2月期 间 ， 英 国有 3 座公共建筑突然倒塌 ， 这是混凝 土结构早期不应出 现的一种迹象。从结构上看 ， 这些建筑是 由组成材 料为高铝水泥 ( 也称矾土水泥 ， H A C) 的混凝土建成 的， 据报告， 建筑物失事正是与一种称为相变过程引 起的水硬性胶凝 材料的强度退化有关 。从微观上 看 ， 硬化材料空隙结构有一渐变过程 ， 与水泥中水化 铝酸一钙的初始亚稳态水化物分解有关 ： 3 ( C a O A 1 2 0 3 1 0 H 2 ) 3 C a O A 1 2 0 3 6 H 2 0+ 2 ( A I 2 0 3 3 H2 0)+1 8 H 2 0 ( 1 ) 这种态势 引起 了英 国相关政府 部 门的密切关 注 ， 他们郑重警告 ， 需要由专业工程师来评价采用了 英国 c L 佩奇钢筋混凝士结构性能退化分析工程实践的经验教 H A C结构混凝土建造的这类建筑物。 3 混凝 土中钢 筋腐蚀 问题 2 0世纪 7 0年代初 ， 许 多国家都普遍采用氯化 钙作为加速硅酸盐水泥混凝土水化作用的一种外加 剂， 当时就有人对有关混凝 土结构性能退化这一常 规知识 问题提出了严重质疑 ， 因为人们了解到， 氯化 钙会引起埋在混凝土中的钢筋和预应力钢筋的锈蚀 问题 ， 这最终使得英 国不得不修订氯化物在结构混 凝土中容许含有量的约束规定( C P 1 1 0 ： 1 9 7 2 ) 。 如今 ， 越来越多的证据表明， 更为严重 的钢筋腐 蚀问题 ， 都与使用含氯化物的混凝土材料有关 ， 并且 硫酸盐和碳化作用 的影 响， 也是其罪魁祸首 。在阿 拉伯湾地区， 由于气候条件的不利影响 ， 混凝土性能 退化的速率 比一般常规地 区要快得多 。在美国和加 拿大 ， 也常有与采用氯化钠和氯化钙防冻剂使钢筋 大量腐蚀导致公路桥损坏的有关 报道 。2 0世纪 8 0 年代初期 ， 已形成了全球性 的对混凝土 中钢筋腐蚀 问题 的关注， 以至组成 了 R I L E M( 国际材料与结 构 联合会标准 ) 技术委员会 ( T C 6 0一C S C) 来对这种材 料的运用前景进行考证。公开出版的国际著名杂志 自然 ， 专门出版了专刊， 刊发了有关“ 混凝土中钢 筋的电化学作用” 的论文。 随后世界各 国都做了大量的努力来提高新预应 力混凝土结构的耐久性 ， 并为这种结构的运用设计 了有效的工况监控系统。不过对于现有预应力结构 仍面临着难题 ， 应 吸取 以往经验教训 ， 比如如果强力 预应力钢筋置人金属套管 内( 不论是否灌浆 ) ， 不能 用传统检测方法事先迅速监测 出其腐蚀状况 。还有 一 些很基本的教训 ， 结构设计师也应 吸取 ， 如需要控 制钢筋保护层厚度 的实际允许偏差 ， 这对钢筋混凝 土耐久性有着重要影响。另外 ，对于混凝土结构的 水平面 ， 应提供有效 的排水 ， 特别是在海水地带 ， 如 本来就聚集有海水 ， 而不 良的混凝 土构造接缝可能 不能阻止海水 的渗入而成为快速流人氯化物溶液的 通道 ， 导致钢筋腐蚀。 4 其他不可预 测的 问题 钢筋和预应力钢筋腐蚀无疑是造成混凝土结构 性能早期退化的最普遍的形式， 但也不是唯一的影 响混凝土耐久性 的突 出问题。例如在英 国， 碱硅反 应( A S R， 也叫碱骨料反应 ) 和碳硫硅钙石型硫酸盐 侵蚀 ( T S A) ， 都是 向人们发出的险情标志 ， 如果将这 些影响钢筋混泥土耐久性 的问题视 为理所 当然 ， 那 必然是后患无穷 。 4 1 碱硅反应 ( A S R) 早在 2 0世纪 3 0年代 ， 美 国就发现 了 A S R问 题 ， 二战后 不久 ， 其他 很多 国家也都发现 了此类 问 题 ， 但直到 2 O世 纪 7 0年代 ， 英 国( 英 伦各 岛上 ) 才 对这一问题有 了正确认识。最早所知的案例发生在 1 9 5 71 9 6 1 年期间建在英 国泽西 ( J e r s e y ) 岛上的一 座混凝土重力坝 ， 在 1 9 7 1 年发现大坝出现位移和裂 缝 ， 原 因就是混凝土中发生 A S R 。 随后不久 ， 在英 国本土上也发现了另一个 工程 案例。面对发生的种种情况 ， 国家需紧急修订 A S R 准则。在相关的研究 活动 中， 科研小组需按要求设 计 出一种试验方法来对可能发生反应的碱骨料进行 分类 ， 并需要评价混凝土的哪些暴露面可能受到海 水环境 的影响， 再进 一步按照掺加一定火山灰起缓 蚀作用 的原理 ， 建立空隙( 混凝土为多孔材料 ) 液相 化学特性与 A S R的关系( 见 图 1 ) 。 2 0 0 4年 ， 英 国对 A S R国家标准( 目前为 B R E D i g e s t 3 3 0 ) 进行 了最后 的修订 ， 但从水泥行业近年的发展看 ， 仍有进一步修 订的需求。 注 ： 水灰 比中的灰为水泥 + 硅粉 图 1 硅粉含量对复合水泥 浆空 隙 溶液 p H值 的影 响( 水灰 比为 0 5 ) 4 2 碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀 ( T S A) 对于 T S A， 除 了有几份零星 的报告 以外 ，通 常 为人所知 的是 ， 早在 2 O世纪 9 0年代 ， B R E( 英国建 科院) 对不合格的混凝土基础展开调查后认为， 这 种独特形式的性能退化原 因， 是寒冷和潮湿环境中 的硫酸盐所致 。随后 ， 英 国环境交通 区域部便提出 了一份最新动态报告 ， 并于 2 0 0 1年 以 B R E专辑 的 2 0 1 4年 3月 水 利 水 电快 报 E WR H I 第 3 5卷第3期 形式编制了新的“ 侵蚀性 土基条件下 的混凝 土” 准 则 ， 考虑到进一步研究所需 ， 2 0 0 32 0 0 5年进行 了 版本更新 ， 其中用了更多的篇幅 ， 对易受硫酸盐侵蚀 的混凝土提出了明确要求 。 T S A的研究中有一大难题 ， 即要找到一种快捷 的 方法来评估钢筋混凝土性能退化的长期变化过程。 加温可作为一种常用方法来加速化学反应， 便于进行 即时分析。如运用该方法发现 ， 常规形式的硫酸盐侵 蚀， 会引起钙矾石膨胀 ( 碱 硅反应膨胀 的一种形 式) ， 而这一过程 的实质 ， 其实就是在碳酸盐生成碳 硫硅钙石时， 水泥水化物与硫酸根离子结合而增强了 结晶物水化硅酸钙的成分。因此 ， 传统上采用低 c 。 A 含量的波特兰抗硫酸盐水泥 ( S R P C) ， 除作为一种能 改善常规形式硫酸盐侵蚀的状况、 降低其严重程度的 措施外， 并没有更强的抵御 T S A的作用。 5 存在 的问题 在过去的 4 0 a里， 不仅吸取了很多有关混凝土 性能退化过程的教训 ， 而且这方面的研究也取得了 重大进展 ， 特别是在无损检测和探测仪方面的运用 ， 使人们能够通过预测性措施 ， 更高效地增强钢筋混 凝土和预应力混凝土的耐久性 。 然而潜在的一大问题是 ， 针对 因建材性能和工 艺的变化而影响到其长期耐久性 ， 如何能做到采用 一 种快捷的检测方式来给 出问题 的简略答案， 是近 年来研究人员所面临的挑战。究其原 因， 部分是因 为需要在减少隐含碳 的基础上 ， 有适应应对气候变 化的措施 ， 具体来说就是采用性能更优越 的胶凝材 料来替代传统硅酸盐水泥 ， 并使之成为一种发展的 趋势 。最近英国有一篇关于“ 绿色混凝土” 的论 文， 对此作 了研究 ， 即用 8周的加速碳化作用 的试验成 果 ， 作为比较不同水泥混凝土试件在预期 5 0 a的 自 然抗碳化作用的依据。因为对预期寿命很长的材料 进行加速试验困难重重 ， 所以所需数据就必须从上 述快速试验 中获取 ， 以利于对长期独处的现场试验 b 戈 果进行修正。 在过去的2 0 a中， 人们希望把计算模型技术应 用到混凝土性能退化过程的分析中， 但因其复杂化 程度极高 ， 况且还一直在研究如何将其运用到设计 和性能规范中， 所 以这些努力都陷入了极度的困境 。 主要原因还是在于缺乏对某些需纳入到材料寿命模 3 6 型临界参数 的可靠认知度。现人们对混凝土中氯离 子水平 的阈值变化 已有了充分认识 ， 如果该阈值发 生变化( 也就是钢筋表面 的氯离子量超过 临界值) ， 则含盐程度不同的环境中的钢筋保护膜将有直接受 到攻击的风险。以下分类列出了各相关 因素 ( 并不 完整) 。 ( 1 )外界条件 ， 包括氯离子水平 、 湿度、 氧气 、 二 氧化碳、 硫酸盐、 温度等等； ( 2 )钢筋 的原始构造 面状 况 ， 包括 氧化皮 、 铁 锈 、 盐、 润滑油等杂质的自然状况和附着量； ( 3 )钢筋潜在 的钝性 ， 主要与氧气摄入量和受 到氯离子侵蚀之前钢筋钝化膜 的稳定性有关 ； ( 4 )钢筋周围混凝土空隙液中 自由氯离子和氢 氧离子的浓度； ( 5 )钢筋与混凝土界面 固态水化物和存在的空 隙、 裂缝 、 裂隙等特性。 混凝土拌和物成分 中的氯盐 ， 如果 占到水泥重 量 的0 4 左右， 那么钢筋混凝土结构中钢筋被腐蚀 的危险程度一般会 达到低至中等程度 ， 对于这种情 形 ， 只要通过为期几个月的试验室试验 ， 不同的水泥 对钢筋 的腐蚀作用就可一 目了然 。 6结语 总结过去 4 0 a的经验教训得 出， 钢筋和预应力 混凝土结构并不是经久耐用的 ， 对于如何模拟一些 在腐蚀性环境中影响其耐久性的性能退化过程的基 本知识还较为欠缺。某些混凝土结构失事或损坏的 主要原因， 是因其未得到妥善维护而导致性 能退化 造成的。由此看来 ， 在现有的混凝土结构中， 设计和 施工都需进一步完善 ， 耐久性问题亟待解决 。 在如何设计和建造有较强耐久性并能抵御外界 腐蚀性条件的混凝土结构方面 ， 以及在开发有效预 防和补救维修策略方面均取得了很大进展 ， 而且这 些补救和维修措施 ， 都将纳入到新建筑和修 复项 目 的资金计划中。当然 ， 这些都得通过材料工 程师和 结构工程师们 的共 同协 作努力才能达 到。展望未 来 ， 今后时期的一项重任 ， 就是要在政府的持续支持 下 ， 引进资深的跨学科研究人才和各专业的工程师 ， 加强团队协作 ， 不断攻克难关 ， 以实现上述 目标。 ( 郭欣 付湘宁编译 )