混凝土耐久性的影響因素分析

劉鴻賀,張元弘

(1.黑龍江省隆興公路勘測設計有限公司;2.黑龍江高速公路建設局)

1 混凝土耐久性的提出

在傳統(tǒng)概念中,混凝土結構似乎不存在耐久性的問題,起碼在構造物一般使用年限內(nèi),不會因耐久性而出現(xiàn)使用上的問題。實際上這是認識上的一個誤區(qū),混凝土結構是由多種材料組成的復合人工材料,由于結構本身的組成成分及承載力特點,其抗力有初期增長和強盛階段,在外界環(huán)境和各種因素的作用下也存在逐漸削弱的過程,經(jīng)過一定時間以后,甚至會不能滿足設計應有的功能而“失效”。因此,混凝土結構也是有使用年限(壽命)的。

混凝土結構中的鋼筋在酸性介質(zhì)作用下,會受到銹蝕,而作為結構主體材料的混凝土也會存在缺陷。混凝土的骨料——砂、石體積基本是穩(wěn)定的,而水泥膠體在凝固硬化的過程中體積縮小,在界面上形成許多裂縫,這些并不連續(xù)的裂縫在受力收縮和溫度作用下會互相貫通,形成裂紋并延伸到結構的表面。混凝土在澆筑后會發(fā)生離析、泌水現(xiàn)象,多余水分溢出而形成毛細孔道,在鋼筋或粗骨料下窩水而形成疏松層,伴隨產(chǎn)生混凝土沉陷,受到鋼筋阻攔后還會發(fā)生鋼筋的縱向裂縫。攪拌、澆筑和振搗時混凝土中還會加入氣體而形成氣泡、孔穴。因此,混凝土存在著許多孔道、裂縫,這些缺陷都可以成為有害介質(zhì)入侵的通道,并且隨著時間的推移而顯示出混凝土缺陷的嚴重性——這就是影響混凝土結構耐久性的根源。

2 混凝土耐久性的影響因素

(1)鋼筋銹蝕

混凝土中水泥石含有氫氧化鈣Ca(OH)2而呈堿性,其在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護了金屬鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕,起到“鈍化”保護作用。但大氣中存在的酸性介質(zhì)及水通過各種孔道、裂縫而滲入混凝土,可以中和這種堿性。混凝土碳化的速度十分緩慢,并且與混凝土的質(zhì)量,環(huán)境條件等因素有關。幾十年的時間碳化深度才達到鋼筋的表面,從而消除鋼筋表面的鈍化膜——脫鈍,使鋼筋的銹蝕成為可能。碳化的速度與許多因素有關,但時間是最主要的,同時與混凝土的強度、水灰比、施工質(zhì)量結構所處環(huán)境(室內(nèi)、室外)、表面狀態(tài)、氣候環(huán)境(溫度、濕度、有害介質(zhì))、鋼筋所處位置等因素也有關。幾乎所有的混凝土表面都處在碳化的過程中,并且隨著時間的推移碳化深度向內(nèi)滲透。但不一定所有脫鈍的鋼筋都會銹蝕,鋼筋的銹蝕還需要有水氧和酸性介質(zhì)的存在。

(2)凍融循環(huán)

滲入混凝土中的水在低溫下結冰膨脹,將從內(nèi)部損傷混凝土的微觀結構。經(jīng)多次凍融循環(huán)后,損傷積累將使混凝土剝落、酥裂而降低混凝土的強度。混凝土會熱脹冷縮,同樣也會在干燥失水時收縮而在泡水浸潤后膨脹。這種作用的交替進行,特別在驟然發(fā)生時,如夏季陽光暴曬下的混凝土受驟雨的沖刷,會因混凝土表層及內(nèi)部體積變化不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。這些因膨脹不均而引起的損傷日積月累,導致混凝土內(nèi)部組織的破壞,最終會削弱結構抗力。

(3)堿骨料反應

堿骨料反應是指混凝土中的水泥在水化過程中釋放出的堿金屬與含堿性骨料中的堿活性成分發(fā)生化學反應而生成堿活性物質(zhì),這種物質(zhì)在吸水以后體積膨脹,破壞混凝土的內(nèi)部結構,從而影響混凝土結構的使用。

(4)機械作用

反復的機械作用(磨損、沖刷等)會削弱混凝土結構,天長日久以后因損傷積累而影響抗力。沖撞、碰擊等也會影響混凝土結構,生物的腐蝕作用也不能忽視,苔蘚及攀附生物對結構混凝土的損傷常見于城市排污工程及海洋工程,使這些構筑物的使用年限大大減小。

(5)外加劑

在漫長的材料應用過程中,人類對材料宏觀、亞微觀、微觀等結構層次的認識不斷深刻,20世紀 40年代出現(xiàn)并開始推廣使用的外加劑,使人類首次能夠通過摻入外加劑的方法,改變材料的施工性能,并從微觀、亞微觀層次控制材料的內(nèi)部結構,獲得滿足使用性能要求的高質(zhì)量建材。用于調(diào)節(jié)建筑材料某些性能的外加劑如減水劑、調(diào)凝劑、泵送劑等已成為現(xiàn)代建筑材料必要的組分。在建筑材料中摻加一定量的外加劑可以改善材料或結構的施工性能、力學性能、耐久性能、經(jīng)濟性以及其他性能。

3 表面處理對提高混凝土耐久性的影響

當今,有些國家已經(jīng)通過涂抹有機硅化合物來進行混凝土的表面處理。有機硅化合物主要包括:硅烷和硅氧烷。有機硅涂料具有較好的防水性能和耐久性能,可極大的減緩材料的吸水速率,并有效地降低吸水率,可用于建筑材料防水及建筑保護。硅酸鹽材料在固化或燒結成型過程中,會在材料基體中形成許多毛細管通道。由于水與硅酸鹽材料有較強的化學親和力,水在毛細管中的接觸角較小,空氣中的水分或雨水極易在材料表面延展,并延毛細管向材料內(nèi)部擴展,從而提高了材料的吸水速率和吸水率。有機硅涂料以帶一定反應活性基團的有機聚硅氧烷為主要成膜物質(zhì),其主鏈結構與硅酸鹽結構相似,它們之間具有較強的化學親和力;另外,有機聚硅氧烷大分子上的少量活性基團在成膜過程中與硅酸鹽基材中的羥基反應,結構為主鏈的有機聚硅氧烷在多孔的硅酸鹽材料表面及毛細管內(nèi)壁形成一層均勻且結合緊密的網(wǎng)狀硅氧烷膜,而有機基團則排列在漆膜表面。這種漆膜具有很低的表面張力,水在漆膜表面只能以球狀小水滴形式存在。而毛細管壁表面張力的降低,使水難以通過毛細管滲入到基體內(nèi)部,從而賦予基體憎水性能。

用于混凝土的滲透型有機硅憎水劑,必須主要由低分子量和含長鏈有機基團的有機硅組成。三烷氧基硅烷是國際上最常用的混凝土保護有機硅,但它也有一個很大的缺點,即其揮發(fā)性。如果使用硅烷、硅氧烷低聚物混合物來代替純硅烷,揮發(fā)問題就可以得到解決。通過改變產(chǎn)品中硅烷與硅氧烷的不同質(zhì)量比,可以滿足不同的需求。

4 結束語

分析結構的耐久性,一般不考慮結構是否處于受力狀態(tài),以及結構承受荷載的大小。可以說結構的安全性與耐久性是描述結構可靠性能的兩個相對獨立的指標,但混凝土結構中必然存在的微裂縫以及結構設計允許的可見裂縫將影響到混凝土結構的耐久性,而那些可見裂縫往往是荷載引起的。結構的安全性可由結構的靜動力分析和承載能力驗算得到,結構耐久性的評價則要綜合分析結構的材料組成和結構所處的環(huán)境因素才能取得。結構的耐久性更多的需要進行概念性的分析。但是有些因素既能對結構的受力性能產(chǎn)生影響,又能對結構的耐久性產(chǎn)生影響,如結構的設計、施工質(zhì)量等。結構耐久性的降低引起結構損傷,也必然引起結構受力性能的退化,最終導致混凝土結構破壞而喪失使用功能。

混凝土結構的耐久性與材料、設計、施工、使用環(huán)境和服役期間的維護維修有關。提高混凝土結構的耐久性就是根據(jù)混凝土耐久性的影響因素,結合結構的環(huán)境條件,進行系統(tǒng)化地耐久性設計,正確地選用材料,規(guī)范地施工和養(yǎng)護,合理地維護、維修,防止混凝土結構發(fā)生耐久性損傷,達到預期的使用壽命。正如前節(jié)所說,混凝土結構的耐久性不是混凝土材料及其結構的某個單一的性能,而是混凝土結構的綜合品質(zhì)的反映,受其內(nèi)在外在各方面的因素作用。因此,提高混凝土結構的耐久性的方法應是系統(tǒng)的、全面的,應當是建設、設計、施工、使用(維護)以及材料等各環(huán)節(jié)的通力配合。

總的來說,混凝土結構的耐久性損害是一個緩慢發(fā)展的過程,發(fā)展的結果是將降低結構的使用功能,提高混凝土耐久性能還應當綜合考慮對結構進行事前防護、事后補強加固的問題。

[1] 中華人民共和國交通部部標準.公路橋涵施工技術.[M].北京:人民交通出版社,1989.

[2] 鄭兆毅.混凝土工程施工[M].成都:西南交通大學出版社, 1988.

[3] 勞動部培訓司.混凝土工.[M].北京:中國勞動出版社, 1995.