影響混凝土結構耐久性的環(huán)境因素

張陽+丁爽

（1.濟南新世界陽光發(fā)展有限公司 250022；2.濟南市城市道路橋梁管理處 250022）

摘 要：混凝土結構作為暴露在自然環(huán)境中的一種建筑物，在使用過程中不可避免的因受環(huán)境影響而性能下降。本文闡述了自然環(huán)境對考慮混凝土結構耐久性的合理性，從環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、侵蝕離子濃度、風與降水量及環(huán)境pH值等方面對影響混凝土結構耐久性失效的環(huán)境因素進行了分析，為后續(xù)研究奠定了基礎。

關鍵詞：混凝土，耐久性，環(huán)境因素

前言

混凝土結構耐久性是一個綜合性的問題，受環(huán)境、材料、構件、結構四個層次多種因素的影響。結構在使用期間可能遇到各種暴露條件，混凝土結構的服役環(huán)境是影響其耐久性的最重要也是最直接的因素。由于結構所處環(huán)境的千差萬別，混凝土結構的耐久性劣化也根據環(huán)境的不同表現出不同的侵蝕特征，如混凝土碳化、氯離子侵蝕、凍融破壞、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應以及其他物理、化學或生化作用等侵蝕破壞機理。

影響混凝土結構耐久性的環(huán)境因素包括環(huán)境氣候條件與環(huán)境侵蝕介質兩個方面，主要的影響因素包括溫度、濕度、降水以及二氧化碳、氯鹽、二氧化硫、硫酸鹽、碳酸等。本文針對不同的環(huán)境因素綜合考慮其對混凝土結構耐久性的影響，并最終確定需要考慮的環(huán)境因素。

一、環(huán)境與混凝土對環(huán)境作用的響應

外界環(huán)境因素對結構的影響是從表面開始并逐步向結構內部擴展的，環(huán)境溫度、濕度對混凝土內部的影響過程其實是一個傳熱、傳質的過程，自然環(huán)境指標和混凝土內微環(huán)境指標是不相同的[1]。結構性能的退化是受其內部微環(huán)境的直接影響。

基于以下三個方面的考慮，利用自然環(huán)境來考慮混凝土的耐久性對于混凝土結構的耐久性設計研究是合理的：

（1）不管外部環(huán)境條件的影響如何（溫度、降水時段或降水時長等），或是混凝土對其響應的滯后性或一致性，從大的趨勢上講，在較長的時間段內（如壽命期），混凝土內的飽水度與外界環(huán)境的相對濕度是相對一致的。因此，相對濕度大或者降水豐沛的環(huán)境中，混凝土內的孔隙水飽和度也相應較高。

（2）對于環(huán)境溫度和濕度，長期以來的研究都是把混凝土所處的周圍環(huán)境氣候條件作為混凝土內部的微氣候條件來考慮的，大量研究根據外部環(huán)境參數，基于試驗研究或現場檢測等建立了一系列的經驗模型，如大量的混凝土碳化深度預測模型和氯離子侵蝕深度預測模型。

（3）作為混凝土耐久性的環(huán)境影響因素，研究關心的是一個大的趨勢，如劣化程度，而不著眼于影響指標——壽命、侵蝕深度等的精確預測。

二、環(huán)境因素對混凝土結構耐久性的影響

環(huán)境條件是混凝土結構耐久性環(huán)境區(qū)劃工作中考慮的重點，其中，溫濕度更是首先要考慮的部分。

（1）環(huán)境溫度

碳化反應受溫度影響較大，在CO2濃度和環(huán)境相對濕度相同的條件下，溫度升高，碳化速度加快[2]。發(fā)生凍融循環(huán)時，溫度越低，降溫速度越快，一定時間內發(fā)生的凍融循環(huán)次數越多，則對結構的破壞越大。對于硫酸鹽侵蝕環(huán)境，溫度升高將導致SO2-4擴散速度提高，同時也能加快反應速度，但溫度過高或溫度過低將會影響水泥水化過程與硫酸鹽的侵蝕機理。堿-集料反應中每一種反應性集料都有一個溫度限值，在該溫度以下，膨脹值隨溫度增高而增大，當超過該溫度限值時，隨溫度升高反應膨脹值明顯下降。溫度對于混凝土滲透性具有雙重影響，但總體上來，講氯離子的擴散系數隨溫度的升高而增大。

（2）環(huán)境相對濕度

混凝土表面接觸水分時，水可通過滲透和吸附使內部空隙水增加，相對濕度的交化決定了混凝土孔隙水飽和度的大小，相對濕度大或者降水豐沛的環(huán)境中，混凝土內的飽水度也相應較高。環(huán)境濕度對混凝土碳化速度有很大影響，國內外碳化資料表明，碳化速度與相對濕度的關系呈拋物線狀[3]，有研究認為導致混凝土碳化速度最快的相對濕度為65%。對于氯離子侵蝕條件，構件表面氯離子通過吸收、擴散、滲透等途徑向混凝土內部傳輸的過程都需要孔隙水作為載體。混凝土的抗凍能力跟混凝土的飽水度和混凝土的臨界飽水度有關，環(huán)境濕度較大的地區(qū)對混凝土的抗凍能力要求則較高。對于硫酸鹽侵蝕環(huán)境，一般認為由于干濕循環(huán)產生了結晶壓力，使混凝土膨脹開裂，硫酸鹽的侵蝕速度加快。國外長期的對比研究表明，混凝土經過一年的干濕循環(huán)侵蝕破壞程度大致相當于8年的浸泡侵蝕破壞程度。濕度越大，堿.集料反應越嚴重，要阻止堿.集料反應，相對濕度必須低于50%。

（3）侵蝕離子濃度

離子的擴散是由濃度差引起的，混凝土表面相應離子的濃度越高，內外濃度差越大，則擴散至混凝土內部的離子越多。CO2濃度越高，碳化速度越快。近海陸地上結構表面的氯離子濃度隨著海水表層氯離子濃度和風速的增大而增大，隨離海岸距離的增加而減小。氯離子的存在會對碳化速度產生影響[4]。在一定濃度條件下SO2-4濃度越大則構件抗力衰減速率越大，當SO2-4離子濃度不同時，反應機理發(fā)生變化，生成物也不同。

（4）風與降水量

風壓能夠加速氣體、水和侵蝕性介質在混凝土內部的擴散和滲透，目前對于各種侵蝕環(huán)境下的研究能夠完整考慮風的影響的模型比較少見。相對濕度與降水的強度和頻率存在著一定的相關性[5]，通常降水豐沛的地區(qū)相對濕度也較大。

（5）環(huán)境pH值

隨著侵蝕溶液pH值的下降，混凝土的抗侵蝕能力下降。侵蝕溶液pH值的變化會使侵蝕反應不斷變化，對pH值小于8.8的酸雨和城市污水，即使摻用超塑化劑和活性摻合料也難以避免混凝土遭受侵蝕。

三、結論

混凝土結構的環(huán)境因素對其耐久性劣化具有決定性的作用，無論是實際環(huán)境中的工程結構的考慮，還是耐久性的科學研究，均需要明確環(huán)境條件這個前提。本文指出了外部環(huán)境對混凝土結構耐久性研究的合理性，綜合分析了環(huán)境因素對混凝土結構耐久性的影響。

參考文獻：

[1] 馬文彬，李果.自然氣候條件下混凝土北部溫濕度相應規(guī)律研究陰.混凝土與水泥制品，2007（2）：18-21.

[2] 徐道富.環(huán)境氣候條件下混凝土碳化速度研究[J[.西部探礦工程，2005（10）147-149.

[3] 蔣清野.混凝土碳化數據庫與混凝土碳化分析[R].攀登計劃一鋼筋銹蝕與混凝土凍融破壞的預測模型1997年度研究報告，1997.

[4] 李林.客運專線高性能混凝土箱梁氯離子耦合作用下碳化壽命研究[D].北京，北京交通大學，2008.

[5] 秦琰琰，李柏，張沛源.降水的雷達反射率因子與大氣相對濕度的相關關系研究[J].大氣科學，Vo1.30 No.2，2006.