試析混凝土碳化與鋼筋混凝土耐久性

徐曉蕾

（鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院 224001）

鋼筋混凝土的使用壽命有限，影響其壽命的因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素是混凝土質(zhì)量和保護(hù)層，外部因素是自然環(huán)境和工業(yè)環(huán)境。不同的侵蝕原因會(huì)有不同侵蝕后果，有的會(huì)使混凝土毀滅，有的會(huì)侵蝕鋼鐵，使混凝土開裂剝離，雖然侵蝕的速度是不同的，但最終都會(huì)使鋼筋混凝土的構(gòu)造功能發(fā)生退化，因此分析構(gòu)造功能是非常有必要的。

1 混凝土碳化原因

混凝土是一種多孔材料，內(nèi)部含有毛細(xì)管、孔和氣泡。當(dāng)空氣中的二氧化碳進(jìn)入到混凝土孔隙及毛細(xì)管中并進(jìn)行溶解，氫氧化鈣、硅酸三鈣和磷酸氫鈣等物質(zhì)會(huì)形成水泥的中間產(chǎn)物碳酸鈣，最后碳化。換句話說，污染物中的酸性氣體與二氧化碳充分接觸，即使二氧化碳的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酸性氣體，但是二氧化碳是弱酸。所以，形成的氣體進(jìn)入到混凝土表面時(shí)，堿性物質(zhì)會(huì)比酸性物質(zhì)先發(fā)生反應(yīng)，酸性氣體如二氧化硫、鹽酸等會(huì)氫氧化鈣進(jìn)行中和反應(yīng)。

2 碳化影響鋼筋混凝土的耐久性

2.1 碳化后混凝土鋼筋的力學(xué)性能

碳化后，鋼筋的力學(xué)性能直接影響構(gòu)件的承載能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)提前失效甚至坍塌。當(dāng)鋼筋被銹蝕時(shí)，鋼筋的失重率約等于鋼筋橫截面積的損失率，鋼筋的承載能力與鋼筋橫截面積的銹損率幾乎成正比。與此同時(shí)，可以簡單的用銹蝕鋼筋的橫截面積乘以未銹鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度得到銹蝕鋼筋的極限抗拉能力。由于混凝土具有不均一性、使用環(huán)境具有不穩(wěn)定性、鋼筋各部位受力面積不同等等，實(shí)際上在正常施工過程中很出現(xiàn)鋼筋均勻銹蝕的情況。一般情況下，鋼筋重量損失率小于截面面積損失率，隨著鋼筋銹蝕時(shí)間的延長，就會(huì)增大銹蝕的離散性和不均勻性。與此同時(shí)，重量損失程度與橫截面積損失程度也越來越明顯、如此一來，就降低了鋼筋的抗拉能力。

2.2 碳化后對(duì)鋼筋與混凝土共同作用產(chǎn)生的影響

混凝土受到碳化后，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)錨固性會(huì)降低。實(shí)驗(yàn)證明，銹蝕后的鋼筋、混凝土中的主梁抗彎承載力試驗(yàn)值小于僅考慮銹蝕后鋼筋截面積減小、降低屈服強(qiáng)度獲得抗彎承載力值，也就表明鋼筋和混凝土共同作用使其粘度降低也是影響其梁抗彎承載力的主要原因。另外，受拉鋼筋需要乘以協(xié)同工作系數(shù)，結(jié)合粘結(jié)退化因素，綜合考慮對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響。

2.3 混凝土碳化后對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響

一旦混凝土中鋼筋出現(xiàn)生銹和腐蝕的情況，就會(huì)在其表面形成一層疏松性的產(chǎn)物，這種銹蝕產(chǎn)物還會(huì)向周圍的孔隙蔓延擴(kuò)散。銹蝕產(chǎn)物不容小覷，其體積累積起來是鋼筋體積的兩倍還多。體積膨脹到一定程度，會(huì)使鋼筋外的混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)力的大小達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交接處的內(nèi)部裂縫，銹蝕程度越大銹蝕產(chǎn)物越多其力也就越大，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞，甚至還會(huì)產(chǎn)生保護(hù)層的剝落，嚴(yán)重影響混凝土的使用。

3 提高耐久性的主要方法

3.1 保護(hù)層厚度

保護(hù)層的厚度可以延緩混凝土碳化的時(shí)間以及侵蝕介質(zhì)存留鋼筋表面的時(shí)間，同時(shí)還可以提高混凝土對(duì)膨脹力的抵抗能力。但是過厚的保護(hù)層同樣會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，通過研究得知，保護(hù)層厚度和混凝土耐用性存在著一定的關(guān)系。保護(hù)層厚度的平方與銹蝕所需的時(shí)間呈正比關(guān)系，并且在正常的大氣環(huán)境下，每減少25%的保護(hù)層厚度，碳化時(shí)間就會(huì)縮短一半。同時(shí)每減少1cm的保護(hù)層厚度就會(huì)增加 10%的透氧量，因此從這幾點(diǎn)可以看出，并不是保護(hù)層的厚度越大，起到的效果就越好。雖然保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋的銹蝕影響這個(gè)技術(shù)并不是太大的難題，但是我國的標(biāo)準(zhǔn)制定要求過低，不能有效控制這類問題的發(fā)生，這同時(shí)也導(dǎo)致技術(shù)性較低的問題也沒有得到很好的解決。相比國外的混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度和技術(shù)，我們還有很大的提升空間和改進(jìn)空間。

3.2 水泥品種

水泥的品種不同，相對(duì)應(yīng)的作用力也不同。抗硫酸鹽普通水泥可適用于要求不高的干濕交替部位，并摻雜一定量的粉煤灰和礦渣。想要提高混凝土的抗碳化能力，可以在使用粉煤灰時(shí)加入一定量的減水劑，砂子的強(qiáng)度相對(duì)較高可以用粉煤灰代替。

3.3 水泥用量和水灰比

碳化的速度與密實(shí)性緊密相關(guān)，密實(shí)性能越好，相對(duì)碳化的速度也就越慢。水灰比小的混凝土密實(shí)性較好，碳化的速度就比水灰大的速度慢，相同條件下，水灰小的抗碳化能力也較好。一般施工采用的加大水泥用量的方法可行性并不高，反而是合理的設(shè)計(jì)水灰比和保護(hù)層厚度，才能夠從根本上解決混凝土結(jié)構(gòu)的問題。再加上后期的保養(yǎng)和維護(hù)，混凝土的碳化問題就能得到延緩，這也就延長了混凝土的耐久性，提高了使用性能。

3.4 施工質(zhì)量

除了混凝土材料本身的一些因素，施工質(zhì)量和后期的維護(hù)工作也是不能忽視的。如果在施工期間操作不當(dāng)，如澆筑步驟不規(guī)范，振搗的頻率和次數(shù)不符合要求，都會(huì)對(duì)混凝土的密實(shí)性產(chǎn)生很大負(fù)面影響。過大的孔隙會(huì)使空氣和水分進(jìn)入，這也就加劇了鋼筋的銹蝕程度。同樣，施工后期的維護(hù)工作不及時(shí)，出現(xiàn)了細(xì)小的裂紋沒有及時(shí)整改，也會(huì)逐漸累積破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，減短使用壽命。因此我們要格外重視施工期間的操作和規(guī)范性，并定期對(duì)工程進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。

4 實(shí)際案例

4.1 項(xiàng)目簡介

某鋼筋混凝土T型橋梁，其始建于上世紀(jì)六十年代，全長約90米，下部結(jié)構(gòu)采用了U型橋臺(tái)、柱式墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋梁受設(shè)計(jì)、施工條件以及通車量等因素的影響，出現(xiàn)了多種病害，如土層剝落、鋼筋腐蝕以及開裂等，嚴(yán)重的影響了橋梁的耐久性。

4.2 病害產(chǎn)生的原因

1）材料因素

在大氣環(huán)境的影響下，空氣中二氧化碳與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土堿性降低，包裹鋼筋的鈍化膜出現(xiàn)破損，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)銹蝕，進(jìn)而增大混凝土表面的裂縫，最終造成混凝土的大量剝落。

2）環(huán)境因素

該橋梁處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，其夏季高溫多雨，這種氣候加快了混凝土的碳化速度。再加上長時(shí)間的高溫作用，使得混凝土出現(xiàn)松散，而混凝土的松散為潮濕空氣的進(jìn)入提供了條件，最后使內(nèi)部鋼筋脫碳變質(zhì)，影響了鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)效果，從而引發(fā)病害。

3）歷史因素

由于該橋的建設(shè)時(shí)間較早，在設(shè)計(jì)時(shí)雖然按照當(dāng)時(shí)的規(guī)范要求進(jìn)行操作，不過卻未對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行考量。再加上當(dāng)時(shí)施工條件的制約，施工技術(shù)的不完備，使得其在后續(xù)使用中，隨著交通量和荷載量的增加而出現(xiàn)不同問題。

4.3 改善措施

對(duì)該橋的碳化以及鋼筋銹蝕等情況進(jìn)行檢查和分析可以得出，對(duì)于碳化較小且鋼筋被完好包裹在混凝土內(nèi)部的構(gòu)件，可以利用較高標(biāo)號(hào)的混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)；而對(duì)于碳化較小，混凝土松散且伴有大面積剝落問題的構(gòu)件，需要先將松散部位予以去除和清理，之后再利用較高標(biāo)號(hào)的混凝土或者砂漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；對(duì)于碳化較為嚴(yán)重，鋼筋銹蝕的構(gòu)件，需要先對(duì)鋼筋實(shí)行除銹和防銹處理，再在混凝土和鋼筋表面涂抹粘合劑，之后利用混凝土抹平；對(duì)于裸露在外的大面積鋼筋且存在較為嚴(yán)重銹蝕情況的構(gòu)件，需要先加補(bǔ)鋼筋之后再利用砂漿補(bǔ)強(qiáng)；至于混凝土表面的裂縫，則可以利用灌漿方式實(shí)行處理。

4.4 加固后的最終效果

在加固作業(yè)完成后，經(jīng)過長時(shí)間的觀察可以看出，混凝土的密實(shí)性和膠黏劑性能都有著一定程度的改進(jìn)，且并未出現(xiàn)開裂或者脫落等情況，也未出現(xiàn)鋼筋和混凝土脫空或者鋼筋銹蝕問題，橋梁可以正常使用，加固效果良好。

5 結(jié)語

混凝土的結(jié)構(gòu)受多種因素影響，而本文則分析了各種影響因素并提出了解決方案，以期能夠?qū)π袠I(yè)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

[1]張金喜,冉晉,馬寶成,王建剛.碳化對(duì)混凝土抗凍性的影響及機(jī)理[J].建筑材料學(xué)報(bào).2017(01)