鋼筋混凝土結構耐久性研究

張亞峰 王延安 鮑 林

鋼筋混凝土結構隨著服役時間的增加,其結構中將會出現各種各樣的病害。如果混凝土結構的施工質量不佳或結構物設計有缺陷等,都會加速病害的進一步發展。在過分追求經濟效益的現在,這種問題更值得關注。我國混凝土結構量大面廣,隨著環境的變遷和功能要求的提高,耐久性問題越來越突出,是迫切需要加以解決的問題。

1 影響混凝土結構耐久性的因素

在1991年召開的第二屆混凝土耐久性國際學術會議上,Metha教授指出:“當今世界混凝土破壞原因按重要性遞減順序排列是:鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環境下的物理化學作用。”其中侵蝕環境下的物理化學作用包括淡水及酸性水侵蝕、混凝土的碳化等。

1.1 鋼筋的銹蝕

鋼筋銹蝕不僅與混凝土外保護層厚度、密實度有關,而且與混凝土的組成、pH值、有害離子含量、混凝土含水量等諸多因素密切相關。當空氣中的二氧化碳、水汽和氯離子等有害物質從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內部時,會和混凝土材料中的堿性物質發生中和反應,使混凝土中的pH值降低,鋼筋的鈍化膜就會破壞,在氧氣、水等的共同作用下,鋼筋就會發生銹蝕。生成的鐵銹體積比原金屬增大2倍～4倍,產生膨脹壓力,造成混凝土順筋裂縫,從而成為腐蝕介質滲入鋼筋的通道,使鋼筋的銹蝕加劇,加快結構的損壞。

1.2 混凝土的凍融

當結構處于冰點以下環境時,部分混凝土內孔隙中的水將結冰,產生體積膨脹,過冷的水發生遷移,形成各種壓力,當壓力大于混凝土的抗拉強度時,混凝土即產生開裂破壞。

1.3 化學侵蝕

當混凝土結構處在有侵蝕性介質作用的環境時,會引起水泥石發生一系列化學、物理與物化變化,而逐步受到侵蝕。

1)混凝土的碳化。混凝土在空氣中的碳化是最常見的一種形式。大氣中的二氧化碳時刻在向混凝土的內部擴散,與混凝土中的氫氧化鈣等發生反應,生成碳酸鹽或者其他物質,從而使水泥石原有的強堿性降低,這種現象就稱為混凝土的碳化。同時,混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮,這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞,對混凝土的耐久性產生嚴重影響。

2)淡水及酸性水侵蝕。淡水的沖刷會溶解水泥石中的組分,形成一些沒有粘結能力的SiO·2nH2O及Al(OH)3,使水泥石孔隙增加,密實度降低,混凝土強度降低,從而進一步造成對水泥石的破壞。當水中溶有一些酸類時,水泥石就受到浸析和化學溶解雙重作用,使混凝土的侵蝕明顯加速。酸溶液與水泥石中的氫氧化鈣作用生成水和可溶性鈣鹽,同時能直接與硅酸鹽、鋁酸鹽作用使之分解,使混凝土結構遭到嚴重的破壞。

3)硫酸鹽的侵蝕。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生成石膏和硫鋁酸鈣,產生體積膨脹,使混凝土瓦解。

4)氯鹽的腐蝕。混凝土中的氯離子主要來源有原材料、海洋環境、道路除冰鹽、鹽湖和鹽堿地、工業環境等。混凝土在使用壽命期間,氯化物是一種最危險的侵蝕介質,它的危害是多方面的,它可以使鋼筋銹蝕、混凝土剝落、堿度降低等。

2 提高混凝土結構耐久性的主要措施

2.1 提高鋼筋混凝土結構抗銹性能的方法

1)機械除銹法。首先通過人工或高壓水噴射,去除因鋼筋銹脹產生的混凝土表面松散層,然后進行修補或替換已銹蝕的鋼筋,在鋼筋表面涂刷阻銹層,再用密實水泥砂漿或細石混凝土覆蓋抹平。即使修補質量較好,修補處的砂漿或混凝土與周圍混凝土含鹽量不同,密實性差,也有可能構成新的宏觀腐蝕電池,使鄰近這個界面的混凝土中鋼筋形成新的陽極區,加速鋼筋銹蝕。另外,這種方法施工比較麻煩,工期較長,施工質量不易控制。

2)環氧涂層鋼筋法。該方法是在鋼筋表面靜電噴涂一層環氧樹脂粉末,形成一層具有一定厚度的堅韌不滲透連續的絕緣層,可以隔離鋼筋與腐蝕介質的接觸。使用這種鋼筋會使鋼筋與混凝土之間的粘合力降低35%,并且需要嚴格注意不得破壞涂層。

3)陰極保護法。陰極保護法有犧牲陽極和外加電流兩種方式:犧牲陽極的陰極保護法是采用電化學上比鋼更活潑,即電位更負的金屬作為陽極,與被保護的鋼筋相連接,以其本身的銹蝕提供自由電子來對鋼筋實施保護。該方法不需外部直接電流,施工簡便不必經常護理。但由于提供的電流有限,此法不適用于暴露于大氣中的混凝土結構中的保護。外加電流陰極保護法是采用外加電流使被保護鋼筋上所有陽極區均變成陰極區來對鋼筋進行保護的方法。一般做法是在混凝土表面涂一層導電涂料或埋設導電材料與直流電流正極相連,形成新的電位差,使原鋼筋骨架轉化為陰極。

4)阻銹劑法。鋼筋阻銹劑是指加入混凝土中或涂刷在硬化混凝土表面,能阻止或減緩鋼筋腐蝕的化學物質。一些能改善混凝土對鋼筋防護性能的添加劑或外涂保護劑(如硅灰、硅烷浸漬劑等)不屬于鋼筋阻銹劑范疇,鋼筋阻銹劑必須能直接阻止或延緩鋼筋銹蝕的電化學過程。鋼筋阻銹劑使用比較方便,無需專門維護,且費用比較低廉,為世界各國廣泛推廣采用。

2.2 提高鋼筋混凝土結構抗凍性的方法

長期的工程實踐與室內研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。

2.3 提高鋼筋混凝土結構抗化學侵蝕性的方法

一般硅粉減少滲透性的效果要大于強度的增加,特別在硅粉以小摻量摻入低強混凝土時更是如此。對于摻入一定量的硅粉的高性能混凝土,水膠比通常小于0.4,且有超細微粒填充,因此,摻入硅粉的高性能混凝土具有非常好的抗滲能力。因為加入硅粉可以明顯地降低混凝土滲透性及減少游離的Ca(OH)2,從而提高了混凝土抗化學侵蝕能力。在混凝土中摻入硅粉,能減少Ca(OH)2含量,增加混凝土密實性,有效提高弱酸腐蝕能力,但在強酸或高深度的弱酸中不行,因混凝土中的C—S—H在酸中分解,另外,它還能抗鹽類腐蝕,尤其是對氯鹽及硫酸鹽類。

3 結語

影響混凝土結構耐久性是多方面的,因此,工程中應根據具體情況,有針對性地采取相應措施,提高混凝土的耐久性。只有這樣,混凝土結構才會真正經久耐用,才能夠更好地適應我國現代化建設的需求。

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