淺析鋼筋混凝土的耐久性

(山東科技大學 土木工程與建筑學院， 山東 青島 266590)

0 前言

隨著我國科技的不斷進步，對建筑方面的需求也越來越高，鋼筋混凝土結構的應用也日益廣泛，具有堅固，整體性和防火性好等優點。但是鋼筋混凝土結構工作階段，會發生很多預料不到的因素，比如疲勞荷載，外界環境變化都會對結構造成很大的損傷，導致結構達不到預期的壽命，1987年美國國家材料顧問委員會的一個關于混凝土耐久性的調查研究報告在美國甚至全世界范圍內引起了很大的轟動。該報告指出，大約有25.3萬座混凝土結構的橋梁橋面板，其中有一部分僅使用了還不到20年就已經發生不同程度地損壞，使用年限大大低于40 ～50年的設計的壽命，并且每年橋梁的破壞數量還在增加[1]，不僅僅存在安全隱患，還會造成很多經濟上的損失。每年各國都會在結構維修上花費大量的錢財，此外還會影響人們的交通出行等，嚴重阻礙了經濟的發展。在社會進步的同時，對于建筑行業也要跟上時代步伐，在結構穩定性以及耐久性上進行不斷探索研究，有利于我國的進一步發展。

鋼筋混凝土的耐久性關乎建筑結構的使用壽命，對于其存在的安全隱患也逐漸引起了重視。1992至 2008年，我國先后舉辦過 7次全國性的學術交流會和 2次專題討論會。在2000年1月，國務院頒布的<建設工程質量管理條例>第二十一條明確規定:“設計文件應當符合國家規定的設計深度要求，注明工程合理使用年限”，同年7月份建設部又下達了“關于建設單位執行建設工程合理使用年限問題的通知”。[2]由此可見，我國越來越重視混凝土的耐久性問題，加強結構的耐久性也可以減少不必要的浪費，如何延長混凝土結構的壽命仍然是當今混凝土研究的一個重點問題。

1 鋼筋混凝土耐久性的影響因素

在橋梁，鐵路，隧道，房屋建設等等，鋼筋混凝土結構隨處可見，在抵抗荷載作用以及環境帶來的病害時，使結構保持整體的穩定性和良好的工作性能，混凝土都發揮著巨大的作用。在鋼筋混凝土結構工作階段，鹽類的侵蝕，環境作用以及疲勞荷載等等都會對結構造成不同程度的影響，為減少鋼筋混凝土結構的病害，首先要研究使其性能下降的因素，然而影響鋼筋混凝土耐久性因素有很多，本文主要從以下幾個方面介紹：

1.1 抗滲性

混凝土的抗滲性取決于液體在混凝土表層或鋼筋保護層內的滲透速率，并且滲透速率隨著混凝土內部最可幾孔徑尺寸的變化而變化。[3]混凝土的抗滲性不僅僅體現于抗水能力，更重要的是抗各種離子的滲透性（例如氯離子等），由于混凝土在拌和的時候往往會加入一些輔助材料，水泥水化也會產生氣泡等，結構中就會分布有不同的孔隙，這些離子就會進入到混凝土的孔隙中，一些有害離子對混凝土或鋼筋發生侵蝕。而且滲透進入混凝土孔隙中的微觀離子有可能會改變混凝土的內部結構，所以抗滲性對于混凝土耐久性的影響不容忽視。

1.2 抗凍性

凍害無疑是鋼筋混凝土結構破壞的主要因素之一。我國有相當大的部分地區處于嚴寒地帶，尤其在東北地區，興建的水工混凝土建筑物基本都發生了不同程度的凍融破壞。主要是因為水泥水化反應剩余的水游離于混凝土內部的毛細孔中，隨著水泥水化混凝土內部也會存在一些凝膠，溫度較低時，水結冰體積膨脹可能就會發生破壞，如果混凝土處于飽和水狀態，膠凝孔中尚未凍結的水向毛細孔方向滲透，導致毛細孔進一步膨脹，此時還會產生滲透壓，結構就很可能會產生開裂等破壞。[4]由于一年四季的溫差變化較大，鋼筋混凝土結構會經歷反反復復的凍脹，對鋼筋混凝土結構會造成嚴重的損傷，所以混凝土的抗凍性至關重要。

1.3 抗侵蝕性

混凝土的侵蝕性體現在很多方面，常見的有鋼筋銹蝕，混凝土碳化以及一些其他的化學反應等。混凝土碳化是指空氣中的 CO2氣體進入混凝土中并與堿性物質發生化學反應，使混凝土的堿度降低，機理下降的過程[4]。水泥水化生成的Ca(OH)2與鋼筋作用會形成一層鈍化膜，對鋼筋起到保護作用，如果空氣中的 CO2進入就會破壞這層保護膜，鋼筋失去保護就會開始發生銹蝕。一般情況下，混凝土保護層碳化，氯離子的侵蝕和雜散電流誘導是混凝土中鋼筋銹蝕的主要三個原因，其中，氯離子的銹蝕危害最大。[5]鋼筋發生銹蝕后，結構的承載能力下降主要體現在一下三方面：(1)鋼筋截面面積減小；(2)混凝土出現銹脹裂縫；(3)粘結錨固性能下降[6]。鋼筋一旦銹蝕，鋼筋的力學性能就會折減，并且鋼筋不能與混凝土充分結合發揮理想的強度。此外，鋼筋銹蝕體積膨脹，也有可能使混凝土結構發生起鼓，剝落等。

1.4 堿集料的反應

堿集料反應是指存在于混凝土孔隙中的堿性物質與混凝土中骨料的一些活性物質發生的化學反應[7]，混凝土發生堿一集料反應需要3個必要條件:集料具有潛在活性；混凝土孔溶液有足夠高的堿度；混凝土處于高濕度環境下[8]。混凝土在配制時，水泥水化會生成Ca(OH)2，在混凝土的孔隙中就會以堿溶液的形式存在，此外都會根據需要來添加外加劑，這樣就會引進高活性物質，在混凝土的工作階段，堿集料反應的很容易發生，使混凝土的體積發生變化，影響混凝土的微觀結構，對混凝土結構的危害非常大，嚴重時會導致結構的剝落，坍塌。

2 改善混凝土耐久性的措施

影響鋼筋混凝土結構耐久性的因素如此之多，我們也要采取相應的措施來提高結構的壽命，使結構能夠最大化地為人類帶來便利。隨著對鋼筋混凝土結構的不斷深入研究，眾多的專家和學者對混凝土的耐久性問題做出了深入的研究，并且得到了多種解決方案：(1) 在選材上，合理選擇水泥品種并按照嚴格的比例配置來配置混凝土，并且保障施工質量，不僅可以防治混凝土的碳化，而且可以從根本上提高混凝土的性能，加強結構的耐久性，此外也有助于后期的維修改進工作。(2) 在混凝土的配制時加入硅灰，粉煤灰，礦渣等高活性摻和料，有助于水泥的水化反應，并且能使混凝土的密實度增加，有效改善混凝土的強度。現如今，大量的摻合料已經廣泛應用，因為這些礦物摻合料很多都來源于工業廢渣，簡單易得，成本低廉。(3) 摻加引氣劑來改善混凝土的和易性，來增強混凝土的抗凍性；也可以考慮摻加減水劑，減水劑的摻入，可以降低混凝土的水膠比，提高混凝土的抗氯離子滲透能力。[9](4) 在鋼筋表面涂保護層，可以阻礙鋼筋與有害物質的接觸。也可以選用陰極保護法和陽極保護法，陰極保護法經濟有效已被廣泛使用，陽極保護法是將被保護的構件與外加直流電源的正極連接，當電流通過時，發生電化學反應，形成鈍化區，從而金屬構件得到保護。[10](5) 在施工過程中，按要求澆筑混凝土，并且加強混凝土的養護，控制混凝土表面的裂縫，確保施工質量，[11]從而提高混凝土結構的使用壽命。

3 鋼筋混凝土結構的評估方法

對于我們生活中常見的鋼筋混凝土結構或多或少都會看見裂縫，那么對于這樣的結構我們還能否放心使用呢？另一方面，在鋼筋混凝土結構的使用階段，由于外界條件無法掌控，實際情況錯綜復雜難易預料，與理想化的設計時通常會有很大的區別，所以對結構進行評估是十分必要的，對結構進行安全監測與評估，了解結構的安全情況，如有特殊情況以比便于及時處理。目前，對于混凝土耐久性的評估方法有很多，主要有三種：(1) 傳統經驗法：就是有經驗的技術人員依據結構的檢測結果做出評估；(2) 人工智能：借助于模糊數學、神經網絡等人工智能手段的綜合評估法；(3) 可靠度理論：以可靠度理論為基礎的混凝土結構耐久性評估方法[12]。因此本文認為要對結構進行定期檢測，及時了解結構的狀態，加大對結構的保護力度，以免不確定因素對結構造成破壞；同時有利于對結構的影響因素以及加固進行下一步的研究，掌握結構的安全系數也可以大大減少安全隱患，及時對結構進行維修加固。

4 結語

影響混凝土耐久性的因素主要有抗滲性，抗凍性，抗侵蝕性以及堿集料反應等，可以從這些方面綜合考慮來提高混凝土的耐久性，并實時對結構進行監測與評估，了解結構的現狀，采取相應的措施增加混凝土結構的壽命，有利于我國經濟的快速發展。目前，雖然已經有很多渠道可以很好的改善混凝土結構的耐久性，但對于混凝土的耐久性問題，仍然是廣大專家學者研究的重點問題之一。

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