混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院　廣東　廣州　510641)

一、引言

混凝土作為當(dāng)代世界最主要的建筑材料之一，因其原料豐富、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡單、抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，應(yīng)用十分廣泛，不僅在各種土木工程中使用，在造船業(yè)、機(jī)械工業(yè)，海洋開發(fā)等工程中也是非常重要的材料。

自混凝土結(jié)構(gòu)問世以來,大量的混凝土結(jié)構(gòu)提前失效多源于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的不足。隨著混凝土結(jié)構(gòu)的大量投入使用[1]，其耐久性問題也越來越突出，引起了人們的高度重視。《中國腐蝕調(diào)查報(bào)告》指出,建筑部門的腐蝕年損失約為1000 億人民幣[2]。大量混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性劣化不僅需要花費(fèi)巨資修補(bǔ)加固或者重建,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對當(dāng)今世界能源供應(yīng)、環(huán)境污染和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大壓力和惡劣影響。

二、混凝結(jié)構(gòu)土耐久性的特點(diǎn)

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，是指混凝土結(jié)構(gòu)及其各組成部分，在某一特定工作環(huán)境及材使用條件等因素的長期作用下，在預(yù)期的使用年限內(nèi)能夠抵抗材料性能劣化、維持結(jié)構(gòu)的安全和適用功能的能力[3]。

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性失效，是指在環(huán)境作用下，混凝土或鋼筋的材料物理、化學(xué)性質(zhì)和幾何尺寸的變化，由此引起混凝土構(gòu)件外觀變化，不能滿足正常使用的要求，導(dǎo)致承載能力不滿足要求，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全[4]。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效應(yīng)該考慮如下方面：①結(jié)構(gòu)外觀或表面破損不能滿足正常使用或外觀要求；②鋼筋銹蝕或結(jié)構(gòu)破損導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力以致不能滿足結(jié)構(gòu)承載力要求；③結(jié)構(gòu)維修困難或耗資巨大不經(jīng)濟(jì)。

在一般的環(huán)境條件下，混凝土結(jié)構(gòu)比其他的建筑材料有更穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，耐久性更好。但在工程中也常發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)，在沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的使用期限之前，出現(xiàn)各種不同損傷和破裂現(xiàn)象。混凝土嚴(yán)重開裂、破損，強(qiáng)度下降，鋼筋保護(hù)層剝落、裸露和銹蝕，構(gòu)建彎曲下垂等，這些問題都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力喪失，造成安全隱患。

三、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容

(一)碳化

混凝土碳化是指大氣中的CO2、SO2、HCl或其他某些酸性氣體與暴露在空氣中的混凝土表面接觸并且通過孔隙不斷向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，與水泥石中的堿性水化物起反應(yīng)，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，是一個(gè)非常復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程[5]。

混凝土碳化會(huì)加劇混凝土的收縮，使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力出現(xiàn)微裂紋，降低混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度和抗?jié)B能力。并且，碳化作用會(huì)降低混凝土的堿度，當(dāng)混凝土中pH值降低到一定程度后,就會(huì)破壞混凝土中的鋼筋鈍化膜，造成鋼筋銹蝕，而鋼筋銹蝕又將導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力破壞、結(jié)構(gòu)耐久性降低等不良后果。

(二)凍融破壞

混凝土的凍融破壞，是指混凝土在正負(fù)溫的交替循環(huán)作用下,使混凝土從表層開始發(fā)生剝落、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低，直到破壞的一種現(xiàn)象[6]。

混凝土凝固之前受凍的情況可分為兩種：一種是混凝土拌合后立即受凍，體積膨脹，使其強(qiáng)度降低；一種是混凝土部分凝結(jié)，但在尚未達(dá)到足夠強(qiáng)度之前受凍。混凝土沒有充分水化，起緩沖作用的凝膠孔尚未形成，毛細(xì)孔水結(jié)冰，體積膨脹，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，受損嚴(yán)重，損失巨大。混凝土受凍齡期越早，強(qiáng)度越大，抵抗體積膨脹的能力越小，抗凍結(jié)破壞的循環(huán)次數(shù)越差[4]。

(三)化學(xué)腐蝕

混凝土結(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕，是指當(dāng)與混凝土接觸的周圍介質(zhì)，如空氣、土壤或水中含有不同濃度的酸、堿或鹽類等具有侵蝕性的物質(zhì)時(shí)，其滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土發(fā)生、化學(xué)反應(yīng)，使混凝土發(fā)生腐蝕，脹裂剝落，進(jìn)而引起鋼筋腐蝕、結(jié)構(gòu)失效的過程[4]。

為防止和減輕混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕，提高其耐久性，需慎重選擇建造地址，選擇周圍環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)含量較少的地區(qū)。另外，還可以選用抗腐蝕性較強(qiáng)的水泥品種；采用較低的混凝土水灰比；增大受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度；對混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行涂料或浸漬處理。

(四)鋼筋銹蝕

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋承受主要拉力，是保證結(jié)構(gòu)承載力非常重要的一部分。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)耐久性劣化沒產(chǎn)生各種裂縫或損傷時(shí)，其強(qiáng)度減小并不是很大，但若裂縫深入到鋼筋所處位置，對鋼筋造成腐蝕則會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。

在強(qiáng)堿環(huán)境中，混凝土和鋼筋之間形成一層鈍化膜，對鋼筋起保護(hù)作用。由于混凝土碳化、以及硫酸鹽、Cl -離子的侵蝕等作用，鈍化膜受到破壞，鋼筋銹蝕，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，對周圍混凝土產(chǎn)生壓力，使混凝土產(chǎn)生裂縫，混凝土保護(hù)層剝落，而混凝土保護(hù)層剝落和裂縫又進(jìn)一步引起鋼筋銹蝕。銹蝕后鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞，鋼筋截面面積減小、脆化，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

(五)堿-骨料反應(yīng)

混凝土中的堿-骨料反應(yīng)，是指混凝士孔隙中的堿性溶液與骨料中的某些活性礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),體積膨脹，引起混凝土開裂、強(qiáng)度下降，甚至破壞。堿-骨料反應(yīng)可遍布混凝土，防止和修補(bǔ)困難。

混凝土結(jié)構(gòu)中堿-骨料反應(yīng)的必要條件是：一定量的堿，活性骨料含量及孔隙中有水。因此，為防止和減輕混凝土結(jié)構(gòu)中堿-骨料反應(yīng)，可采取的措施有：減少混凝土結(jié)構(gòu)中的含堿量，選擇活性礦物含量較少的骨料，表面涂膜防水層，提高施工質(zhì)量，增加混凝土的密實(shí)度等。

四、結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出，本文闡述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的特點(diǎn)，總結(jié)了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的幾個(gè)主要研究內(nèi)容，包括混凝土的碳化、凍融破壞、化學(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕和堿—骨料反應(yīng)，為之后的理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]金偉良,呂清芳,趙羽習(xí),干偉忠.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法與壽命預(yù)測研究進(jìn)展[J].建筑工程學(xué)報(bào).2007(02).

[3]金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版).2002(04).

[4]過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京:清華出版社,20013.

[5]金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[6]程云虹,劉斌.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀及趨勢[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2003(06).

[7]郝挺玉.混凝土堿—骨料及其預(yù)防[C]//混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性設(shè)計(jì).北京:2002:273～282.