影響混凝土結構耐久性的因素及設計措施

馮錦祥

摘要:近幾十年來,混凝土結構因材質劣化造成失效以至破壞崩塌的事故在國內外頻繁發生,用于混凝土結構修補、重建和改建的費用日益增大。因此,混凝土結構的耐久性問題越來越受到人們的重視。在設計混凝土結構時,除了進行承載力計算、變形和裂縫驗算外,還必須進行耐久性設計。本文主要論述了影響混凝土結構耐久性的因素,并進一步提出提高其耐久性的設計措施。

關鍵詞:混凝土結構;耐久性;措施

混凝土結構耐久性設計實質上是針對影響混凝土結構耐久性能的主要因素提出相應的對策。

1 影響混凝土結構耐久性的因素

影響混凝土結構耐久性的因素主要有內部和外部兩個方面。內部因素主要有混凝土的強度、滲透性、保護層厚度、水泥品種和標號及用量、外加劑、集料的活性等,外部因素則主要有環境溫度、濕度、CO2含量、侵蝕性介質等。耐久性不好往往是內部的不完善性和外部的不利因素綜合作用的結果,而結構缺陷往往是設計不妥、施工不良引起的,也有因使用維修不當引起的。混凝土結構耐久性問題有:混凝土凍融破壞、堿-集料反應、侵蝕性介質腐蝕、機械磨損、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等。

1.1 混凝土的凍融破壞

混凝土水化結硬后,內部有很多孔隙,非結晶水滯留在這些孔隙中。在寒冷地區,由于低溫時混凝土孔隙中的水凍結成冰后產生體積膨脹,引起混凝土結構內部損傷。在多次凍融作用下,混凝土結構內部損傷逐漸積累達到一定程度而引起宏觀的破壞。在破壞前期是混凝土強度和彈性模量降低,接著是混凝土由表及里的剝落。我國部分地區特別是北方地區的室外混凝土結構存在凍融破壞問題。與環境水接觸較多的混凝土,如電廠的通風冷卻塔、水廠的水池、外露陽臺、水工結構等的凍融破壞相對嚴重。

當混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯離子時,混凝土的凍融破壞加劇。海港工程、使用化冰鹽的混凝土高速公路和、城市立交橋和停車場等均有此類問題。

1.2 混凝土的堿-集料反應

混凝土堿-集料反應是指混凝土微孔中來自水泥、外加劑等的可溶性堿溶液和集料中某些活性組分之間的反應。發生堿-集料反應后,會在界面生成可吸水腫脹的凝膠或體積膨脹的晶體,使混凝土產生何種膨脹,嚴重時會發生開裂破壞。堿溶液還會浸入集料在破碎加工時產生的裂縫中發生反應,使集料受腫脹作用而破壞。

堿-集料反應分為兩類:一類為堿-硅酸反應,指堿與集料中活性組分反應,生成堿硅酸鹽凝膠,凝膠吸水腫脹導致混凝土膨脹或開裂;另一類為堿-碳酸鹽反應,指堿與集料中微晶體白云石反應,其生成物在白云石周圍和周圍基層之間的受限空間內結晶生長,使集料膨脹,進而使混凝土膨脹開裂。混凝土由于堿-硅酸反應破壞的特征是呈地圖形裂縫,堿-碳酸反應造成的裂縫中還會有白色漿狀物滲出。

1.3 侵蝕性介質的腐蝕

在石化、化學、冶金及港灣等工程結構中,由于環境中化學侵蝕性介質的存在,對混凝土的腐蝕很普遍。常見的侵蝕性介質腐蝕有:硫酸鹽侵蝕。對混凝土有侵蝕性的硫酸鹽存在于某些地區的土壤、工業排放的固體或液體的廢棄物和海水中,當硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發生化學反應時,將生成鈣礬石。當有CO32-存在并牌高濕度的低溫下時,還會生成硅灰石膏,產生體積膨脹,從而破壞混凝土。

酸腐蝕。酸不僅僅存在于化工企業,在地下水,特別是沼澤地區或泥炭地區也廣泛存在碳酸及溶有CO2的水。混凝土是堿性材料,遇到酸性物質會產生化學反應,使混凝土產生裂縫、脫落并導致破壞。海水腐蝕。海水中的CI-和硫酸鎂對混凝土有較強的腐蝕作用,并造成鋼筋銹蝕。

1.4 鋼筋的銹蝕

鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最關鍵問題,也是混凝土結構最常見和量最大的耐久性問題。新成型的混凝土是一種高堿性的材料,在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜,有效地保護鋼筋不發生銹蝕。混凝土保護層的碳化和氯離子腐蝕介質的影響是鋼筋銹蝕的主要原因。當空氣中的二氧化碳、二氧化硫等氣體及其他酸性介質通過混凝土的孔隙進入到混凝土內部后,與混凝土孔隙溶液中的氫氧化鈣發生化學反應,使溶液的堿度降低,鋼筋表面出現脫鈍現象,如果有足夠氧和水,鋼筋就會腐蝕。當混凝土成型時使用了含氯離子的原材料,如海沙、海水或含氯的外加劑等,或混凝土結構處于使用含氯原材料的工業環境、海洋環境、鹽漬土與含氯地下水的環境和使用化冰鹽的環境中,氯離子通過構件表面侵入到混凝土內部,達到鋼筋表面,鈍化膜也會提早破壞,鋼筋銹蝕就會更嚴重。隨著混凝土保護層的剝落,鋼筋銹蝕加速,直到構件破壞。混凝土中的鋼筋銹蝕是電化學腐蝕。首先在裂縫寬度較大處發生個別點的“坑蝕”,進而逐漸形成“環蝕”,同時向裂縫兩邊擴展,形成銹蝕面,使鋼筋截面削弱,銹蝕產生的鐵銹體積要比原來的體積增大3-4倍,使周圍的混凝土產生膨脹拉應力。鋼筋銹蝕嚴重時,體積膨脹導致沿鋼筋長度出現縱身裂縫。順筋裂縫的產生又加劇了鋼筋的銹蝕,形成惡性循環。如果混凝土的保護層比較薄,最終會導致混凝土保護層剝落,鋼筋也可能銹斷,導致截面承載力降低直到構件喪失承載力。

2提高混凝土結構耐久性的設計措施。目前,對混凝土結構耐久性的研究尚不夠深入,因此,耐久性設計主要采

取以下技術保證措施。

2.1劃分混凝土結構的環境類別

混凝土結構耐久性與結構的工作環境條件有密切的關系。同一結構在強腐蝕環境中要比一般大氣環境中使用壽命短。對結構所處的環境劃分類別可使設計者針對不同的環境采用相應的對策。第一類環境類別為:室內正常環境; 第二類環境類別為:室內潮濕環境;非嚴寒和非寒冷地區的露天環境、與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環境。這部分主要是考慮基礎、地下室、人防工程等在浸水情況下的耐久性;第二類環境類別為:嚴寒和非寒冷地區的露天環境、與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環境;第三類環境類別為:使用除冰鹽的環境;嚴寒和寒冷地區冬季水位變動的環境;濱海室外環境。這類環境在空氣中含有大量的氯離子,氯離子有很強的活性,日長月久極易破壞鋼筋表面的鈍化膜而引起鋼筋銹蝕;水位變動的環境加上嚴寒和寒冷地區冬季的反復凍融,往往對混凝土造成很大的損傷;第四類環境類別為:海水環境。如港口碼頭,燈塔、海島高腳屋等;第五類環境類別為:受人為或自然的侵蝕性物質影響的環境。由于耐久性與環境條件密切相關,不同的環境條件,應有不同的控制要求。對此設計者應根據具體工程情況具體分析。

2.2控制混凝土保護層厚度

混凝土保護層厚度的大小及保護層的密實性是決定結構的設計使用年限的根本因素。環境條件及保護層厚度又是從鋼筋開始銹蝕到出現沿鋼筋的縱向裂縫的時間的決定因素。因此,《結構規范》根據混凝土結構所處的環境條件類別,規定了混凝土保護層的最小厚度。要求設計人員應根據已有的經驗和當地工程實踐來適當增加鋼筋混凝土保護層厚度。

2.3控制裂縫等級和限值

裂縫的出現加快了混凝土的碳化,也是鋼筋開始銹蝕的主要條件。因此,《結構規范》根據鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構所處的環境類別和構件受力特征,規定了裂縫控制等級和最大裂縫寬度限值。

2.4混凝土的基本要求

根據結構的環境類別,合理地選擇混凝土原材料,控制混凝土的氯離子含量和堿含量,防止堿集料反應。改善混凝土的級配,控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土強度等級,提高混凝土的抗滲性能和密實度。選擇合適的混凝土抗滲等級和抗凍等級。對抗凍混凝土必須摻加引氣劑。有抗滲要求的混凝土結構,混凝土的抗滲等級應符合有關標準的要求;嚴寒及寒冷地區的潮濕環境中,結構混凝土應滿足抗凍要求,混凝土抗凍等級應符合有關標準的要求。混凝土表面噴涂或涂刷聚合物水泥砂漿、瀝青及環氧樹酯等防腐層。必要時在結構表面設置專門的防滲面層。對于二類和三類環境中,設計年限為100年的混凝土結構,應采用專門有效措施。采用耐腐蝕鋼筋。暴露在侵蝕環境中的結構構件,其受力鋼筋宜采用環氧樹酯涂層帶肋鋼筋;為防氯鹽的腐蝕,采用各種鋼筋阻銹劑或對鋼筋采用陰極防護法。對預應力鋼筋、錨具及連接器,應采取專門防護措施。

四類和五類環境中的混凝土結構,其耐久性設計應符合有關標準的規定。

總結:規范采用了宏觀控制的方法,即根據結構設計使用年限和環境類別對結構混凝土提出相應的限制和要求,以保證其耐久性。這種方法概念清楚,設計簡單。規范規定設計人員在設計圖紙上應標明建筑結構的使用年限,為此,設計人員應結合已有的設計經驗和當地工程建設實踐認真進行結構的耐久性設計,以保證和提高混凝土結構的耐久性。