混凝土結構耐久性問題綜述

河南省交通科學技術研究院有限公司 邢 潔

混凝土結構耐久性問題綜述

河南省交通科學技術研究院有限公司 邢 潔

一、混凝土結構耐久性

混凝土結構已經成為世界上應用最廣泛的工程結構形式之一，結構耐久性是工程結構可靠性的重要內涵之一，歐美國家關于混凝土結構耐久性的解釋，主要著眼點是經濟合理的使用壽命。而在我國，關于混凝土結構耐久性的解釋多與結構的安全性相聯系，將耐久性看成是承載能力極限狀態的問題，是結構的安全問題。

二、混凝土結構耐久性影響因素

混凝土結構耐久性的影響因素眾多，常見的有混凝土碳化、堿-骨料反應、鋼筋銹蝕、混凝土凍融損傷、化學物質的侵蝕以及機械物理損傷、大氣侵蝕、生物侵蝕、熔蝕等因素。在這些影響因素的作用下，混凝土結構的使用壽命大大縮短，尤其是鋼筋銹蝕，它是影響混凝土結構耐久性最常見的因素之一。以下就幾種主要的影響因素進行闡述。

1.混凝土碳化。空氣中的二氧化碳與水泥石中的堿性物質通過復雜的物理、化學過程，相互作用，使混凝土的成分和性能發生變化，使用機能下降，這就是混凝土碳化。碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用。混凝土碳化還會加劇混凝土的收縮，導致混凝土的裂縫和結構的破壞。

以普通硅酸鹽水泥為例，在其充分水化后，混凝土孔隙水溶液為氫氧化鈣飽和溶液，pH值約為12～13，呈強堿性。普通硅酸鹽水泥碳化反應的產物主要是碳酸鈣，碳酸鈣為非溶解性鈣鹽，會堵塞凝膠孔隙和部分毛細孔隙，使混凝土的密實度和強度提高，孔隙率降低，因而使混凝土的力學性能和構件的受力性能發生變化。但試驗研究表明，其影響并不大。混凝土碳化對混凝土結構的主要負面影響在于其引起的鋼筋銹蝕的耐久性問題。

2.混凝土堿-集料反應。堿-集料反應是混凝土組成中的水泥、外加劑、摻和料或拌和水中的可溶性堿和混凝土孔隙中及集料中能與堿反應的活性成分在混凝土硬化過程中逐漸發生的一種化學反應。堿-集料反應發生于混凝土中的活性骨料與混凝土中的堿之間，反應產物為硅膠體。這種硅膠體遇水膨脹，產生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。堿混凝土結構一旦發生堿-集料反應出現裂縫后，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，使得裂縫進一步擴大。若在寒冷地區，混凝土出現裂縫后又會使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土工程的綜合性破壞。對此類破壞，目前還沒有有效的修補方法。對堿-碳酸鹽反應的預防也尚無有效的措施。

3.氯離子侵蝕。我國海域遼闊，海岸線長，基礎建設多集中于沿海地區，而海邊的混凝土工程由于長期受氯離子侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現象非常嚴重，已建的海港碼頭等工程多數都達不到設計的使用壽命。我國北方地區，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撤除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。我國鹽堿地分布廣泛，其腐蝕條件更為苛刻，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕嚴重威脅混凝土結構的耐久性。

氯離子侵入混凝土主要通過擴散作用、毛細管作用、滲透作用、電化學遷移等方式。氯離子在混凝土中的侵入過程通常是幾種作用共同存在的，與速度最快的毛細管吸附相比，滲透和電化學遷移產生的遷移可以忽略。但在許多情況下，尤其是在海洋環境下，擴散被認為是最主要的侵入方式。

4.混凝土凍融破壞。混凝土是由水泥砂漿和粗骨料組成的毛細孔多孔體。當毛細孔中的水處于飽和水狀態，在溫度下降到冰點以下時，毛細孔中水結冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態，膠凝孔中處于過冷狀態的水分子因為其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向毛細孔中冰的界面處滲透，于是在毛細孔中又產生一種滲透壓力。此外，膠凝水向毛細孔滲透的結果必然使毛細孔中的冰體積進一步膨脹，毛細孔壁同時承受膨脹壓和滲透壓兩種壓力，當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。在反復凍融循環后，混凝土中的裂縫會互相貫通，使混凝土由表及里遭到破壞。

5.鋼筋銹蝕。在鋼筋混凝土結構中，鋼筋的銹蝕是造成混凝土結構耐久性損傷的最主要因素。新鮮混凝土孔隙中是堿度很高（pH值可超過13）的氫氧化鈣飽和溶液，在這樣的高堿性環境中，鋼筋表面被氧化，形成一層厚度為20～60A的氧化膜，使鋼筋處于鈍化狀態。但混凝土的中性化（主要是碳化）使混凝土中的pH值降低時，或者有足夠濃度的氯離子擴散到鋼筋表面時，鋼筋鈍化膜將會遭到破壞。鋼筋銹蝕后，除了有效截面積減小，屈服強度下降等變化外，其與混凝土黏結性能也會發生變化。試驗研究表明：隨著鋼筋銹蝕量的增加，變形鋼筋與混凝土的黏結強度比先期略有增加，而后期則有較大幅度的衰退。鋼筋與混凝土之間黏結強度的衰退，使得鋼筋的強度不能被全部利用，從而與其他因素一起影響混凝土構件的使用性能和承載力。

混凝土結構的耐久性是一個十分復雜而且越來越突出的工程結構問題。在工程界引起普遍的的重視。國內外學者對此進行了大量的研究，并且取得了可喜的成果。同時在這一領域還存在著諸多未解決的難題有待探討。