混凝土結構耐久性淺談

林麗輝

莆田市建誠工程檢測有限公司

1 引言

近年來，我國混凝土結構耐久性研究與應用皆取得重大進展，以三峽大壩、港珠奧大橋為代表的諸多建筑工程混凝土設計壽命都達到100年。綜合來看，這樣的混凝土結構耐久性設計，多數具有針對性與適用性。

2 工程概況

上海東海大橋全長32.5km，大橋主體結構為混凝土結構，全橋混凝土用量約100萬立方米，設計使用壽命100年。

東海大橋在進行混凝土結構耐久性設計時，考慮到浪濺區、變動區、大氣區、水下區對混凝土不同結構的腐蝕情況，考慮到在海洋環境下由氣候和環境介質侵蝕引起的鋼筋銹蝕、鹽類侵蝕、溶蝕、堿—集料反應等表現形式，均采用了有針對性的措施予以預防和保護。

混凝土鉆孔樁、承臺、墩柱和箱梁等主結構因所處外部環境的不同所采用的保護層厚度不同，特別是位于浪濺或潮差區的部位，以及保護層相對較小的部位，除使用高性能混凝土外，還應有附加保護措施。具體混凝土結構耐久性方案見表1。

表1 東海大橋海上段混凝土結構耐久性方案

3 混凝土耐久性的影響因素

3.1 鋼筋銹蝕

外部介質引起的電化反應是鋼筋發生銹蝕的主因，鐵銹的形成需要一個較長的過程，在這個過程中，外部介質滲入混凝土，形成裂縫，腐蝕鋼筋，使得鋼筋結構被破壞。具體鋼筋銹蝕的表現形式可見圖1。

圖1 鋼筋銹蝕

影響鋼筋銹蝕的主要因素，首先是電位，本質上鋼筋銹蝕是一個電化學過程，電位差是鋼筋銹蝕狀態與活性的直接反映【1】。

其次是氯離子含量，當混凝土中的氯離子含量達到0.6kg/m3～1.2kg/m3時，會引發去陽極化，造成陰陽極歐姆電阻降低與離子道路強化，使得鋼筋銹蝕的情況加重，腐蝕的速度加快。

第三是混凝土碳化深度，混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響可以用pH 值來直觀表示，當pH 值低于10 時，鋼筋銹蝕的速度較小，當pH值低于9時，混凝土呈現低堿性，鋼筋表層鈍化膜會因此受到破壞發生碳化，從而使得鋼筋更易被銹蝕，當pH值低于4時，鋼筋銹蝕的速度會呈現加快上升的狀態。

第四是混凝土保護層的厚度，必要的保護層厚度能夠有效推遲水汽、有害物質離子等與鋼筋表面的擴散時間【2】。

第五是鋼筋銹蝕屬于電化學腐蝕，與混凝土中的電阻率有關，混凝土是電子傳遞的介質，混凝土電阻率小，混凝土導電能力越強，鋼筋銹蝕發展速度越快。

第六是混凝土的密實度，混凝土的密實度受到振搗、級配、養護等的影響，混凝土內部孔隙、管道越小，說明密實度越好，由此就會使得增加腐蝕物質的滲入難度，從而減小鋼筋銹蝕發生的可能。

3.2 混凝土滲透破壞

滲透性是混凝土的綜合指標之一，而滲透破壞是指氣體、液體或者離子受壓力、化學勢或者電場的作用，在混凝土中滲透、擴散或遷移的難易程度而對混凝土造成的破壞。

影響混凝土抗滲性的主要因素，首先是水灰比，水灰比越大，混凝土抗滲性越差，0.6是水灰比的分界值，一旦水灰比超過0.6的值限，就會使得混凝土抗滲性大幅度降低。為此對混凝土水灰比的有效控制十分重要，是對混凝土耐久性的有效保持。

其次是骨料性能，骨料性能包括粒徑、級配等。粒徑與總表面積有關，粒徑小則總表面積大，混凝土需要增加用水量以保持流動性，由此會使孔道增多。而骨料級配差則會增加空隙率，需要增加水泥漿用量，同樣會使孔道增多。當水泥漿不能填滿空隙時，混凝土的抗滲性會嚴重降低。

第三是施工過程中的質量控制與養護情況，抗滲性與混凝土振搗情況密切相關，如果振搗不到位出現蜂窩、空洞，則會使混凝土抗滲性嚴重降低。另外，在低溫、高溫等極端天氣狀態下，加之澆水養護不到位，就會使混凝土產生裂縫，造成抗滲性的降低。

3.3 化學腐蝕

容易對混凝土結構造成化學腐蝕的有氯鹽、二氧化碳、硫酸鹽、酸雨和微生物等。

4 提高混凝土耐久性的措施

4.1 混凝土材料

通常情況下，硅酸鹽水泥是混凝土中最常使用的水泥種類，具體硅酸鹽水泥可以分為普通、礦渣、火山灰質、粉煤灰質和復合等種類。在具體選用時，強度不是唯一的指標，如果過分強調水泥的強度，會使水泥用量盲目增加，不利于混凝土耐久性的增加。另外，特別是要控制早強水泥的使用，這是因為早強水泥在早期受強度影響極易開裂，不利于混凝土的性能發揮【3】。除了水泥外，骨料也是混凝土中的常用材料，骨料最大粒徑小，有利于提高混凝土的耐久性。粗骨料最大粒徑大，混凝土抗滲性降低，反之提高。細骨料應選擇級配合理、質地均勻堅固的天然中粗砂，不宜使用機制砂和山砂，嚴禁使用海砂。礦物摻合料的使用首要目的是為了符合混凝土耐久性需求。外加劑的適當摻入能明顯改善或提高混凝土耐久性能，盡量降低拌和水用量，外加劑性能必須滿足相關產品標準的規定。拌和水不得采用海水，特別是當混凝土可能處于氯鹽腐蝕性環境時，混凝土拌和用水中的氯離子含量宜不大于200mg/L。其他材料還包括礦物摻合料、外加劑、拌和水等。

4.2 混凝土結構設計

混凝土的結構設計主要包括配合比設計和保護層設計兩個方面。

混凝土配合比設計是根據工程要求、結構形式和施工條件來確定混凝土各組分的比例關系的一個過程，大體積混凝土盡量減少水泥用量和用水量，降低水化熱，減少收縮裂縫，提高混凝土耐久性能。而混凝土保護層設計要從鋼筋黏結錨固角度對混凝土保護層提出要求，以保證鋼筋與其周圍混凝土能共同工作，并使鋼筋充分發揮計算所需強度。

4.3 施工質量控制

首先是混凝土的施工過程控制。在進行耐久混凝土施工時，質量控制是十分關鍵的工作，特別是對表層混凝土密實度、均勻度的確定，對混凝土保護層厚度的確認，對混凝土進行養護以防出現裂縫等方面。在進行混凝土施工的工序規劃時，首先要明確的目標是降低新澆筑混凝土硬化過程中因收縮而發生開裂的可能，以及降低約束拉應力。另外，為了更好地確定鋼筋保護層厚度與進行鋼筋定位，應合理使用定位夾、纖維砂漿塊等專用定位、定型工具。良好的攪拌是確保混凝土均勻性的保障，一般情況下在保證攪拌時間的前提下，使用臥軸式、行星式、逆流式等機器進行攪拌。

其次是混凝土的入模溫度控制。混凝土入模溫度的控制應以實際情況相匹配，比如溫度高時應控制入模溫度不超過氣溫，且最高不得超過30℃，溫度低時應控制入模溫度在-12℃以上。對于一些較為重要的工程，需要先對可能出現的裂縫、溫度變化、拉應力變化等情況進行分析預估，并以此為基礎制定澆筑、養護等施工順序，特別是對基礎底板等部位中點溫度、表層溫度等進行嚴格的控制，以確保養護的效果。

第三是混凝土養護。混凝土的養護方式在不同的階段有不同的注意事項，比如在混凝土發熱階段要使用噴霧養護的方法，以保證混凝土表面溫度變化不會發生激變。一般情況下，混凝土養護使用的方法是蓄水或者灑水，對于水分的保持十分關鍵，比如覆塑料薄膜時要保證搭接密封，模板的連接要保持連續等。在規定時間內的養護不得中斷。

最后是混凝土拆模。混凝土拆模時應考慮的因素包括強度、溫度等，對于溫度的考慮主要是防止混凝土因水化熱導致溫度過高狀態下接觸空氣降溫導致開裂，在這一時期特別要注意不能使用灑水養護。拆模時，應按逆立模順序進行，保證混凝土與模板完整，當混凝土與模板脫離后，可對模板進行拆卸、吊運等工作，拆模后，當混凝土強度達到100%后才可以正常使用，承受荷載。需要注意的是，在環境溫度較高的情況下，拆模工藝主要是采用逐段進行，邊拆邊覆的形式，另外，混凝土內部開始降溫以前以及混凝土內部溫度最高時不得拆模。

5 結語

混凝土結構耐久性直接影響到混凝土結構能否承受設計荷載，隨著施工技術的進步，對于混凝土結構耐久性的控制水平將會大幅度提高，在保證混凝土結構耐久性的過程中，應嚴格對原材料質量、施工組織、結構設計等方面進行有效控制，并加大對混凝土結構耐久性提高的研究。