略談地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

【摘 要】 在我國(guó)改革開放以來，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力得到了穩(wěn)步提高，大力促進(jìn)了我國(guó)新增基礎(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè)，在此前提下筆者略談一下地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)。本文就是根據(jù)地下環(huán)境中三個(gè)主要侵蝕物質(zhì)（CO2（二氧化碳）侵蝕、SO42-（硫酸根）侵蝕 、Cl-（氯離子）侵蝕）對(duì)混凝土侵蝕，來分析地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的必要性，同時(shí)給出相關(guān)地下混凝土耐久性改善措施，包括混凝土抗?jié)B性提高、鋼筋腐蝕的抑制、混凝土耐久性的環(huán)境設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】 混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；設(shè)計(jì)；侵蝕物質(zhì)；改善措施

1 前言

作為目前用量最大，效果最好的建筑用料，混凝土已經(jīng)成為建筑中不可或缺的材料之一。其最大的特點(diǎn)就是耐久性，但是在特殊的情況或者環(huán)境下也會(huì)出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，這些特殊情況包含：水泥、骨料選擇不當(dāng)、水中含有大量的鹽或者糖分。因此混凝土的耐久性設(shè)計(jì)成為建筑施工過程中重要的標(biāo)準(zhǔn)性設(shè)計(jì)。特別是在《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中關(guān)于混凝土的耐久性做出了更為全面的闡述，闡述如下：為保持結(jié)構(gòu)和構(gòu)件能夠一直維持原有的耐久性，且不受其他材料性能劣化的影響下所實(shí)現(xiàn)的耐久設(shè)計(jì)。在此筆者根據(jù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的研究和《指南》的指導(dǎo)下略談地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)。

2 地下混凝土耐久性分析

2.1 地下環(huán)境對(duì)混凝土的侵蝕

對(duì)地下混凝土的侵蝕起主要作用的是土壤和地下水，這個(gè)侵蝕的過程可以看成微觀的化學(xué)侵蝕影響到宏觀的物理變化。侵蝕物質(zhì)例如二氧化碳、硫酸根、氯離子的侵蝕很容易引起混凝土中液相石灰濃度的降低，這種情形下引起石灰濃度降低，為了補(bǔ)充就需要固相游離石灰的溶解，但是侵蝕的過程是持續(xù)的，因此在補(bǔ)充過程中固相石灰易被耗光，當(dāng)固相石灰被耗光時(shí)，液相石灰不再能夠得到補(bǔ)充，這時(shí)液相石灰濃度就會(huì)達(dá)到某種水化產(chǎn)物的極限值，從而出現(xiàn)高鈣到低鈣的轉(zhuǎn)變。在這種情形下，如果混凝土所處的地下環(huán)境有充足的酸性介質(zhì)，那么在酸性介質(zhì)的作用下使得石灰濃度進(jìn)一步降低，混凝土中水化物如硅酸鈣、鋁酸鈣將會(huì)被分解。分解轉(zhuǎn)化的物質(zhì)就是硅膠和鋁膠。還有另外一種情況的侵蝕就是由混凝土內(nèi)的孔隙滲入進(jìn)來的侵蝕物質(zhì)對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋表面進(jìn)行侵蝕，鋼筋被侵蝕就會(huì)出現(xiàn)承載能力下降、體積膨脹，膨脹就會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，這樣又為侵蝕提供了通道形成惡性循環(huán)。下面我們主要討論一下二氧化碳、硫酸根、氯離子的侵蝕機(jī)理。

2.1.1 CO2（二氧化碳）侵蝕

普通水泥的熟料的主要成分為：硅酸三鈣、硅酸四鈣、鐵鋁酸四鈣、鋁酸三鈣，而上述成分一旦經(jīng)水化生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣后就變成了碳化物質(zhì)。二氧化碳主要存在外部環(huán)境中，這種氣體通過混凝土縫隙擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部，同時(shí)，擴(kuò)散至縫隙中的二氧化碳和氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，而水化硅酸鈣也與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具體化學(xué)反應(yīng)公式如下：

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O（1）

（3CaO·2SiO2·3H2O）+3CO2→（3CaCO3·2SiO2·3H2O） （2）

這種碳化反應(yīng)造成的后果是混凝土孔隙率降低、因此阻礙了二氧化碳后續(xù)擴(kuò)散，而孔隙水中的氫氧化鈣濃度和酸堿度值下降，導(dǎo)致鋼筋容易腐蝕。

2.1.2 SO42-（硫酸根）侵蝕

硫酸根的侵蝕表現(xiàn)在硫酸根和水泥石組形成化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物是石膏和鈣礬石。其中轉(zhuǎn)變成的石膏和鈣礬石均比之前的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣的體積大的多，所以形成了水泥石的膨脹變壞。

2.1.3 Cl-（氯離子）侵蝕

氯離子的侵蝕是分步進(jìn)行，從鈍化膜破壞到腐蝕電池的形成，再到去極化和導(dǎo)電作用形成了氯離子的整個(gè)侵蝕過程。侵蝕過程中形成的氯化物還有提高混凝土吸濕性的作用，為腐蝕電池的形成提供了通道。

上述三種侵蝕物質(zhì)為土壤和地下水中主要的侵蝕物質(zhì)，通常由于人們沒有深入的了解三種侵蝕物質(zhì)的侵蝕機(jī)理，特別是研究中常常吧三種侵蝕物質(zhì)獨(dú)立分析是不正確的，三種物質(zhì)的侵蝕是相互作用的，而且三者的侵蝕過程中相互影響較為復(fù)雜，物理現(xiàn)象和化學(xué)想象的大量體現(xiàn)，因此在研究地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)θ齻€(gè)侵蝕物質(zhì)的研究尤為重要。

2.2 地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的必要性

現(xiàn)如今我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)在大力推廣，與之相對(duì)應(yīng)的是大部分發(fā)達(dá)國(guó)家大約一半左右的基礎(chǔ)建設(shè)資金用來維護(hù)，而另外一半用來投資新增建筑，因此現(xiàn)在我國(guó)的新增建筑在未來幾十年內(nèi)就要面臨維護(hù)，那么為了增加新增建筑的使用年限，結(jié)構(gòu)的耐久性被日益的受到重視，特別是在混凝土從大面積應(yīng)用至今常常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耐久性沒有達(dá)到要求導(dǎo)致建筑物提前失效。在我國(guó)南方空氣潮濕，土壤基本為酸性土壤，在這種情況下南方的建筑地下混凝土部分的耐久性面臨的腐蝕、侵蝕問題更加嚴(yán)重。特別是“五倍定律”的提出，具體內(nèi)容即建筑設(shè)計(jì)施工階段對(duì)混凝土、鋼筋的防護(hù)措施節(jié)省1美元，那么日后的發(fā)現(xiàn)混凝土、鋼筋出現(xiàn)問題進(jìn)行維護(hù)的費(fèi)用要多5美元，嚴(yán)重破壞維修將多出125美元，特別是地下結(jié)構(gòu)，其維修是面臨的條件較差，維修成本自然會(huì)更高。所以地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)有重大的意義。

2.3 地下混凝土耐久性改善措施

上文中提到地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的必要性，那么這里我們略談一下嗲下混凝土耐久性改善辦法。

2.3.1 混凝土抗?jié)B性提高

混凝土的滲透性的控制室結(jié)構(gòu)耐久性的重要保障，因?yàn)闈B透性可以控制侵蝕物質(zhì)和水的傳輸速率，滲透性的提高，也就提升了混凝土的密實(shí)度。具體方法是降低水膠比例，控制在0.3一下，水泥用量控制在120kg之下，還有活性礦物摻合料的摻入，這種辦法效果最突出，即能保證滲透性還能夠提高混凝土的密實(shí)度，還降低了氧的擴(kuò)散率，工業(yè)生產(chǎn)中建議使用。

2.3.2 鋼筋腐蝕的抑制

我們從上文中了解氯離子主要的侵蝕對(duì)象就是鋼筋，那么抑制氯離子對(duì)鋼筋的銹蝕是保證結(jié)構(gòu)耐久性主要方法，具體措施有：混凝土密實(shí)度的提升、混凝土鋼筋保護(hù)層厚度的提升但是這種措施適用在混凝土自身的氯離子含量并不多的情況下，如果混凝土自身氯離子含量較多則最有效的措施是，摻入鋼筋阻銹劑，這種物質(zhì)可以使彌補(bǔ)鋼筋表面缺陷，穩(wěn)定氧化物鈍化膜，通過鈍化膜有效的保護(hù)鋼筋被銹蝕。

2.3.3 混凝土耐久性的環(huán)境設(shè)計(jì)

混凝土的耐久性設(shè)計(jì)要根據(jù)不同的地下環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的改變，例如火車的鋼軌設(shè)計(jì)，在中原地帶和青藏高原地帶的耐久性設(shè)計(jì)就要不同。通過對(duì)環(huán)境探測(cè)，收集施工當(dāng)?shù)氐臍v年環(huán)境氣象資料統(tǒng)計(jì)分析出混凝土耐久性設(shè)計(jì)需要達(dá)到什么等級(jí)，以及在建筑中建筑公司在設(shè)計(jì)施工前對(duì)這項(xiàng)施工工程的重要目的，以安全性為主還是以耐久性為主，作為設(shè)計(jì)單位均要詳細(xì)的考慮，耐久性設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)后還要根據(jù)結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境作用，對(duì)設(shè)計(jì)的混凝土耐久性進(jìn)行驗(yàn)算。保證可靠。

3 結(jié)語

作為本文主要研究課題，地下混凝土的被侵蝕、劣化的過程的主要特征是：隱蔽、漸進(jìn)、維護(hù)困難、耐久性要求高等，特別是在地下混凝土結(jié)構(gòu)中部分鋼筋的銹蝕難以發(fā)現(xiàn)，即使在監(jiān)測(cè)的過程中也難以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銹蝕跡象足夠以發(fā)現(xiàn)的時(shí)候那么混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋部分被銹蝕的程度就已經(jīng)嚴(yán)重了。在這種情況下相關(guān)的監(jiān)測(cè)人員和技術(shù)人員在探究地下混凝土劣化過程中不僅僅要根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判定，還需要相關(guān)人員的多年經(jīng)驗(yàn)和多年的研究，才能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)鋼筋的銹蝕，和混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。從而保證建筑的耐久性，和維修的方便性。

總而言之，地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)工程的耐久性和使用年限，這個(gè)問題已經(jīng)成為工程建設(shè)設(shè)計(jì)施工所面臨的重要問題，特別是我國(guó)在發(fā)展的高速時(shí)期，對(duì)工程的耐久性的研究認(rèn)識(shí)還不是很到位，這樣正好與社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的和諧社會(huì)建設(shè)是相悖的。因此，相關(guān)人員應(yīng)加深對(duì)地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，通過理論和實(shí)踐的結(jié)合，來提升地下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

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