混凝土結構耐久性影響因素及研究進展

劉燦

【摘 要】混凝土耐久性問題日益突出，給世界各國帶來了巨大的經濟損失。本文對混凝土結構耐久性的主要影響因素及目前研究進展進行了全面的闡述與總結，并展望了未來混凝土耐久性研究的發展方向。

【關鍵詞】混凝土耐久性；影響因素；研究進展

【Abstract】The durability of concrete has become increasingly prominent， bringing great economic losses to countries all over the world.In this paper，the main factors affecting the durability of concrete structures and the current research progress are fully described and summarized，and the development direction of future concrete durability research is prospected.

【Key words】Concrete durability；Influencing factors；Research progress

0 引言

混凝土結構在設計使用年限內，無需耗費大量資金加固修護而保持安全、使用功能和外觀條件的能力稱為耐久性[1]。近年來，世界各國普遍發現混凝土結構的耐久性問題，已經嚴重影響到了結構功能的正常發揮，并且，用于后期維修的費用往往是難以承受的經濟負擔。因此，研究混凝土結構耐久性影響因素，并在設計中考慮耐久性具有緊迫的現實意義。

混凝土耐久性受許多因素影響，根據作用方式不同，可以分為內部和外部兩方面[2]。內部因素包括水泥、外加劑和骨料種類，水灰比，保護層厚等，外部因素則主要涉及溫濕度、荷載作用、凍融、氯鹽或硫酸鹽侵蝕、碳化、堿集料反應、施工質量等方面。本文將探討幾種混凝土耐久性主要影響因素及其研究進展。

1 硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕包括化學侵蝕和物理侵蝕兩類，化學侵蝕是指鹽類與水泥水化產物發生化學反應引起的混凝土性能劣化，而由鹽類在混凝土內的結晶膨脹引起的混凝土破壞稱為物理侵蝕破壞。

美國在20世紀初便開始著手硫酸鹽侵蝕問題的研究[3]，我國自20世紀50年代開始通過室內加速試驗、長期暴露試驗等方式進行相關研究，目前已有大量文獻探索硫酸鹽侵蝕混凝土機理、影響因素，提出了許多硫酸鹽侵蝕混凝土預測模型。余紅發等[4]研究了在鹽湖地區的天然環境下，混凝土暴露20a的3種化學腐蝕類型，得到了三種腐蝕產物的化學腐蝕機理；梁詠寧等[5]通過干濕循環試驗方法，加速混凝土腐蝕，得知混凝土的破壞機理在不同的硫酸鹽溶液中并不相同；燕坤等[6]探究了硫酸鎂與彎曲荷載同時作用時，對碳化混凝土抗凍性能的影響；劉曙光等[7]、高禮雄等[8]、楊禮明等[9]則分別研究了聚乙烯醇纖維與粉煤灰、礦物摻和料、高性能混雜纖維對硫酸鹽侵蝕性能的影響。到目前為止，硫酸鹽單因素作用下侵蝕混凝土的研究相對比較完善，但是多因素耦合作用下侵蝕機理的研究有待進一步探索。

2 碳化作用

鋼筋銹蝕是造成混凝土結構耐久性不足的重要原因，一般大氣條件下，鋼筋銹蝕很大程度上受到混凝土碳化影響，故探究碳化作用對混凝土結構耐久性評估與設計的影響具有重要意義。碳化作用是因為二氧化碳與混凝土中的堿性物質作用，使混凝土堿度下降，從而造成鋼筋表面鈍化膜破壞，并且，碳化作用還會加劇混凝土收縮，加快裂縫的形成和鋼筋銹蝕[10]。

目前國內外學者針對混凝土碳化，提出了一些碳化深度的預測模型，且在混凝土碳化機理及影響因素等方面也有了不少研究成果，但現階段的研究主要停留在材料層面上，融合碳化與結構力學特性的研究較少[11]，碳化預測模型主要可以分為三類：1）理論推導模型；2）基于試驗結果的數學模型；3）基于理論與試驗的模型。

3 堿集料反應

堿-集料反應是指混凝土組成成分中的可溶性堿與集料中的活性成分發生化學反應，造成混凝土破壞性膨脹的現象，金偉良喻其為混凝土耐久性中的“癌癥”問題[10]。堿集料反應發生的三要素是：堿、堿活性骨料、水，經過數十年的研究，堿集料反應的作用機理已十分明確，也涌現了一些檢測與預防的方法，但是如何修復因堿集料反應損壞的結構，仍然是一個棘手的問題。

美國、英國等國家曾經為了降低混凝土中堿含量，使用堿含量<0.60%的水泥[12]；研究表明，降低濕度也是一種預防堿集料反應的過度膨脹的方法，但是干濕循環反而容易引起堿集料反應在某個部位集中發生[13]；國外學者McCoy等[14]證實鋰鹽等化學外加劑能有效減弱堿集料反應。目前還沒有從根本上改善堿集料反應問題的方法，仍以預防為主。

4 氯鹽侵蝕

在海工結構中，氯鹽侵蝕的影響不容忽視，此時它是造成鋼筋銹蝕的主要原因。目前有關氯鹽侵蝕的研究涉及氯離子介質滲透規律、鋼筋銹蝕機理、銹蝕量及使用壽命預測等方面。

氯鹽侵蝕主要分為兩個階段：初始階段和擴展階段。初始階段是指氯離子濃度達到鋼筋脫鈍濃度前的階段，擴展階段指腐蝕物生成并逐漸累積使鋼筋銹脹，進而使結構耐久性不足而破壞的階段[15]。現在更多的研究集中在擴展階段，許多研究者致力探究氯離子腐蝕速度與腐蝕量關系，研究氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕及保護層破裂過程等，同樣，還未上升到結構承載性能的層面。

5 凍融破壞

凍融破壞對混凝土耐久性破壞的影響十分嚴重，尤其是在嚴寒地帶。目前關于凍融破壞的破壞機理眾說紛紜，涉及有水的離析成層理論、滲透壓理論、靜水壓理論、充水系數理論、臨界飽水值理論、現象學理論等，以靜水壓和滲透壓理論為主[16]。

凍融破壞主要是因為在特定溫度下，水結冰體積膨脹，造成混凝土開裂并發展，其主要影響的是混凝土結構的力學性能。混凝土抗凍性主要與其水灰比、外加劑添加情況和養護方式等有關，預防凍融破壞的手段也主要從以上幾點入手。目前的凍融試驗方法有快凍法和慢凍法，試驗還主要停留在混凝土材料層面，但由于實際工程中幾乎均是混凝土結構，故凍融破壞試驗方法仍需進一步改善。

6 結語

1）影響混凝土耐久性的因素有許多，針對每一種因素，研究者的思路幾乎均是從機理出發，探究因素與混凝土的相互作用，并通過理論推導或試驗提出模型及預防這一類型破壞的措施，為耐久性設計和修護奠定基礎；

2）目前單一因素對混凝土的結構影響相對比較成熟，但現實環境往往是復雜因素耦合影響，而多因素耦合作用對混凝土耐久性的影響研究仍處于起步階段，因此未來的研究將向多因素耦合影響發展；

3）堿集料反應引起的混凝土耐久性破壞仍是一種致命的破壞，目前仍以預防為主，有待進一步探究；另外，由于現階段關于耐久性影響因素的研究還集中在材料層面，與實際工程結構的適應性并不強，所以更多的研究將往結構層面發展。

【參考文獻】

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[5]梁詠寧，袁迎曙.硫酸鈉和硫酸鎂溶液中混凝土腐蝕破壞的機理[J].硅酸鹽學報，2007，35（4）：504.

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[7]劉曙光，趙曉明，張菊，閆長旺.聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料在長期浸泡作用下抗硫酸鹽侵蝕性能[J].復合材料學報，2013，30（6）：60-66.

[8]高禮雄，文奔，劉金革.礦物摻合料對混凝土抗硫酸鎂侵蝕的有效性研究[J].混凝土，2007（17）：89-92.

[9]楊禮明，余紅發，麻海燕，等.高性能混雜纖維增強膨脹混凝土在硫酸鎂溶液中的抗腐蝕性能[J].硅酸鹽通報，2011，30（4）：764-769.

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[11]張亞輝.碳化作用下混凝土的氯離子滲透性能研究[D].湖北：華中科技大學，2014.

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[14]McCoy W J，Caldwell A G..New approach to inhibiting alkali-aggregate expansion[J].Journal of the American Concrete Institute，1951，22（9）：693-706.

[15]張菊輝，凌曉政，梁磊，管仲國.氯鹽侵蝕下的鋼筋均勻與非均勻銹蝕研究進展[J].混凝土，2016（10）：25.

[16]段桂珍，方從啟.混凝土凍融破壞研究進展與新思考[J].混凝土，2013（5）：16.

[責任編輯：田吉捷]