淺析混凝土結構耐久性

蔣明輝，王 浩，杭美艷

內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010

0 引言

混凝土結構因具有優越的材料性能，因此被廣泛運用于建筑、橋梁、鐵路等土木工程結構中［1］。然而，由于外界環境發生變化，會對結構造成不同類型的腐蝕破壞，導致耐久性下降［2］。據統計，結構發生腐蝕破壞和基礎設施惡化造成的經濟損失大約每年有2.5 萬億美元，一方面造成巨大經濟損失，另一方面也給人們的生命健康帶來重大隱患。因此，必須重視混凝土結構耐久性問題，保護其不受侵蝕破壞［3］。

目前，科學界已經做出了大量研究得出了混凝土耐久性下降的主要原因，但是對于每種原因所對應的影響因素并未做深層次分析。因此，應該綜合考慮各種影響因素來研究混凝土性能下降的原因。本文通過查閱國內外大量文獻，系統地概述了混凝土結構耐久性下降的主要原因、機理分析以及影響因素，并針對性列舉多種改善措施，為今后研究混凝土結構耐久性等問題提供理論依據。

1 硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕是造成混凝土結構耐久性不足、發生結構破壞的重要因素之一，也是一個相對復雜的過程，并對混凝土結構的危害性較大，常見的硫酸鹽侵蝕主要有鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽和鉀鹽等，侵蝕類型主要分為外部侵蝕、內部侵蝕、物理侵蝕、化學侵蝕［4］。硫酸鹽侵蝕是環境水中的SO42-與水泥水化產物Ca（OH）2發生二次水化反應生成AFm、AFt、石膏、碳硫硅鈣石等［5］，少量的這些物質會填充到混凝土結構孔隙內部并逐漸積聚密實，有利于混凝土強度的增長，但是隨著反應的繼續，孔隙管道中產物的增多會產生膨脹效應從而破壞硬化的水泥石結構，導致結構孔隙增大、體積膨脹，從而破壞混凝土結構。

1.1 硫酸鹽侵蝕的原理

外界環境中的SO42-通過諸多孔隙進入到混凝土內部，當SO42-含量達到一定限值時，SO42-會與水泥水化產物發生二次水化反應，從而破壞混凝土原有的微觀結構，使混凝土的綜合性能下降，導致混凝土結構破壞。主要分為以下四種侵蝕破壞：（1）鈣礬石型破壞：常見的硫酸鹽（如Na2SO4、K2SO4等）與水泥石中的Ca（OH）2作用生成膨脹性的石膏等產物，這些產物再與水泥石中的固態水化鋁酸鈣反應生成三硫型水化硫酸鈣，隨后產生極大的應力，使混凝土結構體積膨脹，最終其結構發生破壞［7］；（2）石膏型破壞：石膏型破壞與SO42-的含量密切相關，當侵蝕溶液中SO42-的含量超過某一限值時，會生成鈣礬石和二水石膏晶體；當侵蝕溶液中SO42-的含量小于某一限值時，只有鈣礬石生成［6］；（3）鎂硫型破壞：溶液中的Mg+、SO42-與水泥水化產物Ca（OH）2反應，降低了水泥石堿的含量，同時生成石膏和AFt，會大量吸收混凝土內部大量水分而結晶，造成混凝土結構體積膨脹破壞，其化學反應式為：MgSO4+Ca（OH）2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg（OH）2；（4）碳硫硅鈣石破壞：在SO42-和CO32-的共同作用下，與水泥中的水化硅酸鈣反應生成無膠結力的碳硫硅鈣石，從而破壞水泥石結構，降低水泥石的強度［8］。

1.2 影響硫酸鹽侵蝕的主要因素

1.2.1 混凝土原材料

混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力很大程度上受混凝土中水泥品種及用量、礦物摻合料品種及摻量、水灰比的影響［7］。研究表明［8］，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力在很大程度上取決于水泥熟料中礦物相對含量的大小，水泥中C3A 和C3S 的含量直接影響了混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，水泥中C3A 水化生成水化鋁酸鈣是形成鈣礬石的先決條件，C3S、C2S 在水泥水化過程中析出大量 Ca（OH）2，而Ca（OH）2是形成鈣礬石和石膏的必要條件。水泥用量和水灰比直接決定混凝土的密實性，進一步決定混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，研究發現低水灰比的試件抗侵蝕能力更好。此外，摻礦物摻合料（礦渣粉等）也能提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，一般而言，摻礦物合料摻量越多，其抗硫酸鹽侵蝕能力越強，其主要原因在于［9］：（1）活性摻合料可以降低C3A 和C3S 的含量；（2）礦物摻合料與水泥石中的Ca（OH）2發生二次水化反應，降低了SO42-與Ca（OH）2反應生成膨脹性產物石膏等的可能，這些產物也無法結晶析出，其原因在于二次水化反應使Ca（OH）2的含量降低，混凝土內部膨脹性產物的含量也降低，從而混凝土結構抗硫酸鹽侵蝕能力增強。

1.2.2 硫酸鹽種類及含量

硫酸鹽溶液包括普通硫酸鹽侵蝕、MgSO4侵蝕兩大類。第一類主要是侵蝕混凝土結構，第二類主要是Mg2+的存在加重對混凝土結構的侵蝕導致其發生腐蝕破壞，其原因在于MgSO4與Ca（OH）2反應生成的CaSO4，CaSO4會繼續和CaO·Al2O3·12H2O 反應，推動反應一直進行下去，加重對混凝土結構的侵蝕，其化學反應方程式為：

1.2.3 環境PH 值

混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力隨環境PH 值的降低而降低，當PH=12～12.5 時，生成鈣礬石晶體；當PH=11.6～12.5 時，生成水化硅酸鈣凝膠；當PH=10.6～11.6 時，生成石膏晶體；當pH＜10.6 時，鈣礬石晶體開始分解。

1.3 防治硫酸鹽侵蝕的措施

1.3.1 選擇合適的混凝土原材料

根據工程環境所處的特點，應該合理選擇混凝土組成原材料。在拌制混凝土的過程中，應選用水泥熟料中C3A 含量低的水泥［10］，優化骨料級配，并摻適量礦物摻合料（礦渣粉等）和外加劑，用以降低水膠比、改善混凝土的孔結構，提高其密實度，從而提高混凝土結構抗硫酸鹽侵蝕能力。

1.3.2 提高混凝土密實度

大量研究證明，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力與混凝土密實度密切相關，而密實度又受水灰比大小的影響。因此，應該嚴格控制混凝土的水灰比的大小以此改善混凝土的密實程度。

1.3.3 設置隔離層

在成型混凝土的表面涂上一層具有較強耐腐蝕性的保護膜，將環境中的SO42-等侵蝕性離子、水與混凝土表面隔離開，不僅可以降低SO42-與其他水化產物發生反應，提高混凝土的抗滲性，還可以有效防止混凝土結構發生侵蝕破壞。

1.3.4 使用防腐劑

在我國，一些重要工程通常使用特種水泥來提高混凝土結構的抗硫酸鹽侵蝕能力，但由于特種水泥生產廠家少，且價格昂貴，不能較大范圍使用。因此，在拌制混凝土的過程中，可以摻入防腐劑，并與普通硅酸鹽復合取代特種水泥，這不僅能節約大量成本，還能改善混凝土結構的抗侵蝕能力。

2 氯鹽侵蝕

鋼筋破壞、混凝土結構劣化的最直接原因是由Cl-侵蝕引起的［11］，在鹽堿地區，鋼筋混凝土結構長期處于氯離子環境中，易發生腐蝕破壞，導致大量耐久性問題。Cl-進入混凝土內部的方式主要有以下幾種：一是在拌制混凝土的過程中隨著原材料帶入到混凝土內部，二是外界侵蝕環境中的Cl-通過諸多方式（如毛細、滲透等）擴散到混凝土內部。Cl-進入鋼筋混凝土中，當鋼筋周圍Cl-濃度超過引起鋼筋表面鈍化膜反應的最大濃度時，氯離子就會和鋼筋表面的鈍化膜發生反應，致使鈍化膜破壞，引起鋼筋銹蝕，最終導致鋼筋混凝土結構破壞［12］。

2.1 氯鹽侵蝕的原理

在混凝土中，Cl-通過眾多孔隙進入混凝土內部，與混凝土內部鋼筋發生化學反應，使鋼筋表面產生諸多微裂紋，鋼筋遭到破壞，最終造成混凝土結構無法繼續承受荷載，導致其結構發生破壞。混凝土中的氯鹽一方面來自混凝土原材料，另一方面來自外界環境，并通過諸多方式進入混凝土內部［13］。混凝土中的氯鹽主要以Cl-的形式存在，Cl-進入混凝土內部后首先聚集在鋼筋的表面，與鋼筋表面的鈍化膜相互作用發生持續腐蝕反應，鈍化膜受損壞，形成鈍化膜的“解膠作用”。Cl-與鋼筋發生反應，鋼筋表面逐漸生成銹層，當銹層越來越厚時，混凝土與鋼筋之間的黏結能力會逐漸下降，當混凝土結構繼續承受較大荷載時，會導致其結構發生破壞［14］。

2.2 影響氯鹽侵蝕的因素

2.2.1 混凝土保護層厚度

研究表明［15］，混凝土保護層厚度決定了鋼筋的銹蝕程度，且氯離子擴散速度和混凝土保護層厚度的大小成反比。因此，適當增大保護層的厚度可以延緩鋼筋銹蝕的時間，但是保護層厚度也不能無限大，當保護層厚度規范規定的限值時，混凝土會產生過多的微裂縫，這為氯離子進入混凝土創造了良好的條件。因此，應該根據混凝土結構所處的環境嚴格控制其保護層厚度［14］。

2.2.2 水泥品種及水灰比

水泥品種和水灰比的大小直接決定了混凝土的水化產物和混凝土結構的密實度。水泥熟料中C3A 的含量越高，水泥水化反應越充分，混凝土抗氯離子侵蝕能力越強；此外，混凝土密實度與混凝土的水灰比和孔隙率呈負相關作用，且水灰比的大小決定了氯離子的擴散速度以及鋼筋的銹蝕程度。

2.2.3 鋼筋表面氯離子的含量

鋼筋表面氯離子的含量直接決定了鋼筋的銹蝕程度，鋼筋表面氯離子的含量越高，鋼筋越容易銹蝕。因此，應該采取相應的措施來提高混凝土的密實度以及嚴格控制混凝土組成原材料中氯離子的含量，最終控制鋼筋表面氯離子的含量。

2.2.4 養護條件

當鋼筋混凝土結構養護不滿足規范要求時，會導致水泥水化反應不充分，從而降低混凝土抗氯鹽侵蝕能力，加快氯離子進入混凝土內部。此外，養護時溫度也會對氯離子侵蝕速度產生影響，當溫度較低時，可以降低水化反應速度及混凝土早期強度，但是初期溫度過低將導致混凝土早期強度發展較慢，水化產物分布不均勻，會使混凝土結構的孔隙率變大，混凝土結構不密實，加速鋼筋銹蝕。

2.3 防治氯鹽侵蝕的措施

2.3.1 選擇合適的混凝土原材料

水泥中吸附氯離子作用最強是C3A，混凝土抗氯離子侵蝕能力隨混凝土中C3A 含量的提高而逐漸增強。因此，在拌制混凝土的過程中，應該選用水泥熟料中C3A 含量高的水泥，摻適量的礦物摻合料（如礦渣粉）、阻銹劑等，有利于提高混凝土拌合物的密實度，可以有效降低氯離子的擴散速度，預防鋼筋銹蝕。

2.3.2 嚴格控制骨料的粒徑及混凝土保護層厚度

在拌制混凝土的過程中，應該選擇粒徑合適、選擇級配良好的骨料，降低混凝土的孔隙率，此外還應適當增加混凝土保護層厚度，延緩Cl-滲透到鋼筋表面的時間，從而降低鋼筋銹蝕程度。

2.3.3 嚴格控制混凝土內部氯離子的含量

標準規范明確規定，普通混凝土：氯離子含量不高于0.10%（占水泥質量百分比）；預應力混凝土：氯離子含量不高0.06%（占水泥質量百分比）。我國北方大部分地區都位于鹽堿地區，因此，應該采取相應的措施控制混凝土中Cl-的含量，其中最有效的方式是控制混凝土組成原材料中Cl-的含量。

2.3.4 設置隔離層

在澆筑鋼筋混凝土結構前，在不降低鋼筋與混凝土之間握裹力的前提下，可以在鋼筋表面涂上一層隔離層，將混凝土中的Cl-等與鋼筋隔離開，防治鋼筋銹蝕。此外，在混凝土試件養護成型后，也可以在混凝土表面涂一層涂料，在混凝土表面生成隔離層，降低滲透性，從而有效延緩Cl-等侵蝕性離子擴散到混凝土內部，避免鋼筋銹蝕。

3 混凝土碳化

3.1 混凝土碳化的機理

混凝土碳化是一種化學反應侵蝕破壞，空氣中的CO2氣體通過混凝土結構諸多孔隙進入到混凝土內部，并與硬化膠凝材料中的堿性物質在有水存在的條件下發生化學反應，使混凝土堿度逐漸降低，減弱了混凝土對鋼筋的保護作用，導致鋼筋銹蝕的過程稱為混凝土碳化［15］。水泥水化反應生成大量的Ca（OH）2，在混凝土內部形成飽和的Ca（OH）2溶液，其堿性介質對鋼筋具有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的鈍化膜。碳化后使混凝土的堿度逐漸降低，碳化深度隨著時間的延續而增大，當碳化深度大于其保護層厚度時，在水和空氣共同存在的情況下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋逐漸生銹，混凝土碳化過程相對緩慢，因此并不會直接造成混凝土結構發生腐蝕破壞［16］。

3.2 影響混凝土碳化的因素

3.2.1 水泥品種、用量及水灰比

混凝土的和易性、堿度及其內部可碳化物質的含量取決于水泥品種、用量及水灰比的大小。混凝土的碳化速度隨水泥熟料中礦物成分的相對含量及水泥含量的增多而逐漸減慢，且隨水灰比、孔隙率的增大而逐漸加快。此外，外加劑的摻入也能降低混凝土的碳化速率，避免混凝土碳化。

3.2.2 骨料級配

混凝土的密實度、CO2的擴散速度以及混凝土的碳化速度等跟骨料級配密切相關。骨料級配越好，混凝土結構越密實，CO2進入混凝土內部通路受阻，混凝土碳化速度越慢。因此，應該選擇級配良好的骨料，從而減小碳化速度。

3.2.3 周圍介質CO2的濃度

外界環境中CO2的濃度是引起混凝土碳化的直接原因。CO2氣體通過混凝土表面眾多微小孔隙擴散到混凝土內部，當混凝土結構處于潮濕環境中時，CO2氣體會與其內部堿性物質發生化學反應，使混凝土結構體積膨脹，混凝土表面產生眾多缺陷，導致混凝土碳化。當養護時的溫度和濕度滿足要求時，CO2濃度越大，混凝土結構的碳化速度就會越快。

3.2.4 養護方法及施工質量

研究表明，當混凝土養護和施工質量均不滿足規范要求時，也會引起混凝土碳化。混凝土結構早期養護不充分，施工質量差（主要表現為振搗不密實），會使水泥水化反應不充分，混凝土強度降低，其表面出現諸多缺陷（如缺棱、掉腳等），這為CO2進入混凝土提供了良好的途徑，從而加速混凝土碳化［17］。

3.3 預防混凝土碳化的措施

3.3.1 選擇適宜水泥品種及水灰比

混凝土的碳化速度隨水泥中Ca（OH）2含量的增多而逐漸降低，因此應選擇生成較多Ca（OH）2的水泥品種。研究表明［17］，在水泥用量不變的情況下，水灰比越小，混凝土內部的孔隙率越小，混凝土越密實，混凝土的碳化速度越慢。因此，在滿足施工和設計使用要求的情況下，摻適量減水劑，用以降低水灰比，改善混凝土孔結構，提高結構密實度，從而降低CO2的擴散速度，避免混凝土碳化。

3.3.2 摻礦物摻合料和外加劑

在拌制混凝土的過程中可以摻礦物摻合料（如礦渣粉）和外加劑（減水劑等），用以改善混凝土的工作性能，減少拌和水的用量，降低水灰比，改善混凝土的孔結構，提高其密實度，從而降低CO2的擴散速度，避免混凝土碳化。

3.3.3 加強養護

養護時的溫度和濕度必須滿足要求，應按照規范要求，將成型后的混凝土試件置于溫度為（20±2）℃，相對濕度＞95%的條件下養護28d。

4 結論

本文較系統地概述了混凝土結構耐久性下降的主要原因、腐蝕破壞機理及其影響因素，該項綜述為今后研究混凝土結構配合比設計、施工設計、耐久性等問題提供參考依據。