混凝土耐久性研究現狀綜述

張光亮 肖 建 曾 志

（湖南恒德檢測有限公司， 湖南 衡陽 421000）

0 引言

混凝土自1824年被發明至今已有100 多年的歷史，在過去一個多世紀的生產活動中，混凝土已成為基礎工程建設當中使用最廣泛的材料。與此同時，混凝土服役環境中不可避免的存在著諸如硫酸根離子、氯離子、酸等侵蝕性介質，由此帶來一系列混凝土耐久性問題。混凝土耐久性是指混凝土在服役過程中抵抗侵蝕介質作用并長期保持其使用功能和完整性的特性，主要包括化學侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕、凍融以及堿骨料反應等。伴隨著混凝土材料的大規模使用及自然環境的惡化，混凝土耐久性問題帶來的后果也愈發嚴重。據不完全統計，美國在上世紀70年代每年因混凝土耐久性問題帶來的損失高達1000 多億美元，英國英格蘭島中部11 座混凝土高架橋因維修而耗資4500 萬英鎊，是造價的6 倍，我國每年因混凝土耐久性問題帶來的損失約為5000 億人民幣。特別是我國國土面積巨大，自然環境惡劣，存在著大量影響混凝土耐久性的侵蝕性介質，混凝土耐久性問題尤為突出。如青海、天津、山東等地存在著大量的鹽堿地和內陸鹽湖，在西北、東北地區等嚴寒地帶存在著凍融循環問題，在中東部沿海工業集中區存在著因環境污染帶來的酸雨問題，在沿海地區大量的海上構筑物還面臨著海洋環境的侵蝕。

盡管混凝土的發明只有一百多年的歷史，但人們很早就開始關心并認識混凝土耐久性問題，從最開始不夠重視，到投入大量人力物力進行理論和試驗研究。1925年，為了獲得混凝土腐蝕數據，美國開始在富含硫酸鹽的土壤內進行長期侵蝕試驗。1951年，前蘇聯學者貝科夫、莫斯克文等對混凝土薄壁結構和使用高強度鋼制作鋼筋混凝土構件的防腐問題做了不少的研究工作，并制定了相關防腐標準和規范，為建造具有足夠耐久性的鋼筋混凝土結構提供了科學依據。相比之下，我國對混凝土耐久性的研究起步較晚。上世紀 60年代初期，南京水科院開展了的鋼筋銹蝕的研究，而后建筑科學研究院和冶金部建筑設計研究院等科研機構對受腐蝕鋼筋混凝土構件進行了大量的研究，取得了突破性進展。

1 混凝土耐久性研究現狀

混凝土耐久性是指混凝土在使用過程中抵抗環境中侵蝕介質作用并長期保持其使用功能和完整性的特性，主要包括化學侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕、凍融以及堿骨料反應等。混凝土耐久性問題比較復雜，涉及到物理、化學、力學等多種因素的耦合作用。同時，上述反應也不是單一發生的，往往同時伴隨著化學侵蝕、鋼筋銹蝕、凍融等，混凝土耐久性問題帶來的危害十分巨大，下面從上述幾個方面綜述國內外相關研究進展及發展動態。

1.1 化學侵蝕

化學侵蝕對混凝土耐久性有非常重要的影響，往往直接降低混凝土結構的耐久性，甚至會造成混凝土結構的破壞，對混凝土結構耐久性影響巨大。化學侵蝕主要包括酸性物質侵蝕、硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕等。

受工業化影響，大量含硫、氮的有害廢氣和工業酸性污水的大量排放造成空氣污染及環境污染問題，由此引發酸雨及混凝土在酸性環境下的耐久性問題。當混凝土處于酸性環境中時，環境中的酸性物質會與混凝土中的氫氧化鈣等堿性物質發生中和反應，一方面反應直接消耗了混凝土中的堿性物質；另一方面造成混凝土中性化，進一步加劇混凝土腐蝕問題，使得混凝土表面的空隙和裂縫擴大深入，出現明顯的表面腐蝕現象[1]。隨著表面腐蝕的加深，混凝土內部的堿性環境將被破壞，進一步引發鋼筋的銹蝕問題[2]。

硫酸鹽侵蝕是混凝土劣化病害的主要問題之一，主要包含物理作用和化學作用。在我國西北地區，存在著大量的鹽堿地及鹽湖地區，含有大量的硫酸鹽，對混凝土結構具有巨大的危害。硫酸鹽的侵蝕原理是周圍環境中的硫酸根離子在擴散、對流、滲流等作用下進入混凝土結構內部，并與混凝土水化產物氫氧化鈣、CSH 凝膠等物質反應生成二水石膏和鈣礬石等物質。一方面反應改變了混凝土成分組成，降低了混凝土的粘聚性；另一方面反應產物體積較大，能在混凝土內部產生膨脹應力，當膨脹應力大于混凝土抗拉強度時，會造成混凝土的破壞[3]。劉贊群等從微觀尺度出發研究了混凝土經硫酸鹽侵蝕后的產物形態，并分析了混凝土試樣在硫酸鹽中劣化的原因。趙順波等在總結現有測量硫酸根侵蝕深度和濃度的基礎上提出了一種新的測試混凝土中硫酸根離子濃度的方法,為研究硫酸根侵蝕機理提供了新的思路。王志娟等用化學合成的方法人工合成鈣礬石和碳硫硅鈣石，并比較了兩者的穩定性。

氯鹽侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要因素，它不僅存在于海水中，還存在于道路除冰鹽、鹽湖、鹽堿地、受污染地下水中，能對混凝土結構造成多方面的危害。首先，氯離子不僅能破壞鋼筋表面的鈍化膜，還是很好的導電介質，使得鋼筋極易發生銹蝕[4]。其次，氯離子還能與混凝土中的水化產物結合，生成 Friedel 鹽，研究表明 Friedel 鹽也是一種膨脹性物質，能對混凝土造成一定的損傷。Suryavanshi 等利用熱重-熱差試驗和X 射線衍射試驗研究了Friedel 鹽在碳化后的混凝土中的穩定性，研究表明混凝土碳化越嚴重，Friedel鹽在混凝土中的溶解度越高。何富強等比較了三種不同的硝酸銀顯色法對測量混凝土中氯離子濃度的不同，并指出了影響其變色邊界的因素。Sun 等考慮了氯離子與混凝土水化產物的化學反應，在Fick 第二定律的基礎上提出了新的氯離子侵蝕模型。羅睿等從Friedel 鹽和雙電層理論出發揭示了磨細礦渣混凝土具有良好抗氯離子侵蝕的原因。

1.2 碳化

碳化也被稱為混凝土的中性化，是指空氣或水中的二氧化碳與混凝土中的水化產物反應生成碳酸鹽和水的過程，可以使混凝土堿性降低，進而失去 對內部鋼筋的保護作用。一般最常見的是大氣中的碳化，也是目前碳化研究的主要方向。元成方等研究了碳化對混凝土試樣微觀結構的影響，指出碳化不僅會降低混凝土的pH 值，還會引起混凝土總孔隙率的降低。鄭永來等研究了碳化對氯離子擴散系數的影響，指出碳化能有效減小氯離子擴散系數。李冠穎等研究了二氧化碳在地質封存過程中，碳酸水環境對不同配比混凝土的力學性能、化學成分、微觀結構的影響，并指出碳化初期混凝土力學強度有所增強，但后期由于淋濾作用又使得混凝土試樣強度降低。周輝等研究了混凝土在空氣中、水中和潮濕狀態下碳化的不同機理，并指出空氣與水環境下碳化對混凝土的作用有所不同，混凝土在空氣中碳化能減小孔隙率，但水環境下碳化的混凝土孔隙率有所提高。

1.3 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的主要因素之一，也是混凝土耐久性研究的熱點。混凝土中鋼筋的銹蝕是在氧和水條件下發生的一種特定的電化學腐蝕。正常條件下，混凝土中由于氫氧化鈣等堿性水化產物的存在，混凝土內部pH 值約為12.5 左右。在這種條件下，鋼筋表面可形成鈍化膜，能有效抑制鋼筋銹蝕。當氯離子進入混凝土內部或發生碳化時，混凝土內部堿性環境會發生破壞，由此造成鋼筋銹蝕問題。Ary 等研究了裂紋數量對鋼筋銹蝕速率的影響，指出裂紋數量越多，銹蝕速率越快。Soylev 等研究了鋼筋-混凝土界面過渡區對鋼筋銹蝕的影響，指出由于振搗、泌水、不均質等原因導致界面過渡區存在氣孔，使得界面過渡區更容易發生銹蝕。金偉良等考慮了碳化規律，并將銹蝕后的鋼筋半徑作為變量建立了新的預測鋼筋銹蝕率的模型。

1.4 凍融破壞

凍融破壞多發生在嚴寒地帶，其機理主要是由于水在凍結過程中發生體積膨脹，引起混凝土內部產生拉應力，當應力大小超過混凝土本身抗拉強度時就會發生拉破壞[5]。同時，伴隨著溫度升降，將產生凍融循環，進一步破壞混凝土內部結構，造成混凝土破壞。目前關于凍融破壞理論主要有靜水壓理論和滲透壓理論[6]，靜水壓力理論認為在冰凍過程中由于混凝土孔隙中的部分孔溶液結冰時體積膨脹約 9%，迫使未結冰的孔溶液從結冰區向外遷移，孔溶液在水泥漿體中移動的同時，必須克服粘滯阻力，從而產生靜水壓力，形成破壞應力。滲透壓力理論認為由于水泥漿體孔溶液呈弱堿性，冰晶體的形成使孔隙中未結冰孔溶液的濃度上升，與其它較小孔隙中的未結冰孔溶液之間形成濃度差。在這種濃度差的作用下，較小孔隙中的未結冰孔溶液向已經出現冰晶體的較大孔隙中遷移，產生滲透壓力。孔溶液的遷移使結冰孔隙中冰和溶液的體積不斷增大，滲透壓也相應增長。滲透壓作用于水泥漿體，最終導致水泥漿體內部開裂。

1.5 堿-集料反應

堿-集料反應是指混凝土中的堿性水化產物與集料中的活性組分之間發生的破壞性膨脹反應，是影響混凝土耐久性主要的因素之一[7]。該反應不同于其他混凝土病害，其開裂破壞往往是整體性的，并且目前還沒有有效的修補方法。文梓蕓從化學的角度詳細敘述了堿-硅酸反應的四個階段以及導致膨脹的力的來源，并且指出了Ca(OH)2在反應中的作用。楊長輝等研究了三類堿礦渣水泥砂漿的堿-集料反應引起的膨脹，并指出雖然堿礦渣水泥堿含量較高，但出現堿-集料反應的可能性遠低于普通水泥。王玉江通過對比含堿集料在低堿、高堿環境下試樣的膨脹效應，得出含堿集料在低堿環境下，堿-集料反應反而更加嚴重，并對含堿集料在堿性環境下的析堿機理進行了系統研究。

1.6 復合侵蝕

混凝土耐久性問題比較復雜，涉及到物理、化學、力學等多種因素的耦合作用，上述反應類型也不是單一發生，混凝土結構往往同時受上述幾種效應的侵蝕作用。

孫昊月等研究了混凝土試樣在含有碳酸氫鹽、氯鹽、硫酸鹽的復合鹽侵蝕和凍融侵蝕雙重侵蝕因素下的混凝土耐久性。陳曉斌等研究了混凝土在硫酸鹽、氯鹽共同侵蝕條件下的耐久性，并指出了兩種不同鹽類的耦合作用機理。金祖權等研究了混凝土在氯鹽、硫酸鹽中的損傷過程，并分析了兩者的耦合機理。Hill 等研究了混凝土在酸和硫酸鹽中的耐久性，并探究了硅灰石膏的形成條件。Hekal 等研究了不同配比的混凝土在硫酸鎂溶液中經不同條件侵蝕后的耐久性。馬保國等研究了混凝土在碳酸鹽、硫酸鹽中混凝土的侵蝕破壞機理，指出混凝土發生了硅灰石膏型硫酸鹽破壞的條件。孫偉等討論了混凝土在疲勞、氯鹽、碳化等復合作用下的劣化，重點論述了碳化、疲勞荷載對混凝土抗氯離子滲透能力的影響。高潤東等研究了干濕循環作用下混凝土在硫酸鹽中侵蝕劣化機理。Sahmaran 等研究了不同種類混凝土在硫酸鹽、干濕循環、冷熱循環等復合作用下的力學特性、微觀結構劣化規律及劣化機理。

2 未來的研究方向

綜上所述，混凝土耐久性問題已引起國內外學者的足夠重視，針對氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕、酸侵蝕、凍融循環、碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應等做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。混凝土耐久性問題及其發生變形破壞的宏觀現象背后隱藏著其微觀機理，即在微觀尺度上微裂紋的萌生、擴展、貫通至破壞的演化過程，從微觀尺度出發對混凝土微觀結構劣化規律進行研究是揭示混凝土劣化機理的主要手段。目前針對混凝土微觀結構劣化規律的研究多集中在硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕、酸侵蝕、凍融循環等，對經垃圾滲濾液侵蝕后的混凝土微觀結構劣化規律的研究還處于空白階段。因此，從微觀尺度出發研究混凝土微觀結構的劣化規律具有重要意義，將為揭示混凝土滲透特性演化規律、宏/細觀力學特性演化規律及混凝土劣化機理提供可靠的依據。

3 結語

本文從化學侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞、堿-集料反應、復合侵蝕六個方面對混凝土耐久性的影響機理進行綜合分析。研究表明混凝土耐久性問題宏觀現象已經有大量的研究成果，但其背后隱藏著其微觀機理仍未十分明確。建議后續可以微觀尺度出發研究混凝土微觀結構的劣化規律，以為宏/細觀力學特性演化規律及混凝土劣化機理提供可靠的依據。