混凝土结构耐久性分析

混凝土结构的耐久性是指结构在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。。20世纪初,格尤恩、拉巴利德和克莱罗门等人对工业建筑中使用的混凝土进行了基本研究和经验总结。此后,由于科学技术的迅速发展,人们对混凝土结构耐久性的研究范围越来越广,研究内容也越来越深入。前联邦德国钢筋混凝土结构协会,利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而破坏的事例,对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行了一次长期试验;1934年一1964年间,长皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中的耐久性进行了试验研究,并提供了许多有关混凝土结构在自然条件下使用情况的可靠数据和见解。从20世纪60年代开始,混凝土结构的耐久性问题已成为国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题之一。1992年,欧洲混凝土委员会颁布了耐久性混凝土结构设计指南。

我国对混凝土结构耐久性的研究起步于60年代初期南京水利科学研究院的钢筋锈蚀研究,对混凝土结构碳化和钢筋腐蚀等问题研究始于60年代中期。80年代,我国曾就混凝土结构的耐久性问题进行过综合调查,调查分析表明:我国混凝土结构的耐久性较差;混凝土强度偏低;抗碳化能力不强,保护层厚度偏小,且普遍缺乏合理的检修、维护,不少混凝土结构不能保证在50年的设计使用年限内应有的使用功能和承载能力。

一、影响混凝土结构耐久性的因素

影响混凝土结构耐久性的因素主要有内部和外部两个方面。内部因素主要有混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种、强度等级和用量、外加剂用量等,外部条件则有环境温度、湿度、氯离子侵蚀、化学介质侵蚀、二氧化碳含量等。耐久性问题往往是内部存在不完善、外部不利因素综合作用的结果。具有表现在以下几个方面:

1、材料的质量

钢筋混凝土材料的耐久性,主要取决于混凝土材料的耐久性,混凝土的水灰比越大,混凝土中粗骨料和水泥浆之间界面的裂隙和孔隙也越大,因此,降低了材料的耐久性。

混凝土水泥用量过少和强度等级过低,使材料孔隙率增加,密实度差,也降低了材料的耐久性。

2、钢筋的锈蚀

混凝土对钢筋具有保护作用。在一般情况下,钢筋混凝土结构中的钢筋不容易受到腐蚀,但当混凝土保护层失去保护作用后,混凝土中的钢筋也会像的钢筋一样受到腐蚀。

混凝土保护层本身对钢筋并没有保护作用。混凝土之所以对钢筋具有保护作用,是因为混凝土中含有碱性物质,pH值为12一13。在这样的碱性环境中,钢筋表面会形成一种钝化膜,它是一层不渗透的牢固吸附于钢筋表面上的氧化物(Fe203,•nH20)。钝化膜的存在,使钢筋表面不存在活性状态的铁,从而使钢筋免受腐蚀。当钢筋表面的钝化膜破坏时,在存在氧气和水分的情况下,钢筋就会被破坏。因此,钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀,是由于保护钢筋的混凝土的碳化和氯离子渗入引起的腐蚀作用。

(1)混凝土的碳化

混凝土的的碳化是指混凝土中的成分(主要是Ca(OH)2)与渗进混凝土中的二氧化碳(CO2)和其它酸性气体,如二氧化硫(SO2)、硫化氢(HS)等发生化学反应使混凝土碱性降低的现象。碱性降低的直接后果是使钢筋表面钝化膜失去稳定性。当混凝土中的pH值小于11.5一11.8时,钢筋表面的钝化膜就会失去稳定性或被破坏,混凝土就不能保护钢筋免受腐蚀。而当混凝士被碳化时,其pH值约为8―9,钢筋表面在混凝土孔隙中的水和氧共同作用下发生化学反应,生成新的氧化物Fe(OH)3,(即铁锈),这种氧化物生成后体积增大,使用周围混凝土产生拉应力直接引起混凝土的开裂。

(2)氯离子引起锈蚀

由于混凝土中氯离子吸附于钢筋氧化膜表面,使氧化膜中的氧离子被氯离子替代生成金属氯化物,析出№,也会使钝化膜遭到破坏。同样,在氧和水的作用下,钢筋表面开始电化学腐蚀,所以,氯离子的存在对钢筋锈蚀影响很大。一般情况下,钢筋混凝土结构中的氯盐掺量不应大于水泥用量的1.0%,而且,掺氯盐的混凝土结构必须振捣密实,也不宜采用蒸汽养护。

3、混凝土的碱集料反应

碱集料反应一般指混凝土微孔中的碱溶液和骨料中的活性硅发生反应,生面碱一硅酸盐凝胶并吸水产生膨胀压力,造成混凝土开裂。

碱集料反应引起的混凝土开裂,在混凝土表面一般形成网状或地图状裂缝,并在裂缝处渗出白色凝胶物质,而且裂缝的宽度越宽,则深度越深,裂缝总长度也越长。

碱集料反应引起的混凝土结构破坏的发展速度和破坏程度,比其它耐久性破坏更快、更严重。当混凝土结构发生碱集料反应时,一般不到两年就会使结构出现明显开裂,而且,碱集料反应一旦发生,就比较难以控制,还会加速结构的其它耐久性破坏进程。

4、冻融破坏

渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀,将从内部损伤混凝土的微观结构。经过多次冻融循环后,损伤积累将使混凝土剥落酥裂而降低混凝土的强度。

5、温度和湿度变化的影响

混凝土会热胀冷缩,同样也会在干燥失水时收缩而泡水浸润后膨胀,这种作用的交替进行,特别在骤然发生时,会因混凝土表层及内部体积变化不协调产生裂缝。这些因胀缩不均而引起的损伤日积月累,导致混凝土内部组织的破坏,最终会削弱结构抗力。

6、侵蚀性介质的腐蚀

酸、碱、盐对混凝土都有程度不同的腐蚀性。酸性介质对混凝土的腐蚀是一种电化学腐蚀过程,由于酸同水泥中的硅酸三钙,以及游离氢氧化钙发生化学反应而生成溶性盐。因此,混凝土抵抗各种强酸腐蚀的能力很差。

苛性碱对混凝土也有明显的化学腐蚀作用,因为苛性碱能与水泥中的硅酸钙和铝酸钙作用而生成胶结力不强的氢氧化钠和易溶于碱性溶液的硅酸盐和铝酸盐的缘故。

二、混凝土结构耐久性设计原则

1、结构工作环境分类

混凝土结构耐久性与结构工作的环境有密切关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中使用寿命短。结构工作环境分类,可使设计者针对不同的环境种类采用相应的对策。

2、混凝土的基本要求

影响耐久性的主要因素是混凝土本身的质量,提高密实度而减小混凝土的渗透性,可从根本上提高其抵抗碳化和有害介质入侵的速度,这与混凝土强度等级、水灰比等因素有关,此外,对耐久性有重大影响的氯离子含量及碱含量也应加以限制。新规范从混凝土组成成分的角度,提出了与耐久性有关的要求。

3、设计使用年限

耐久性设计目标是保证结构的设计使用年限。结构构件的设计使用年限是在正常的维护条件下,能够保持其使用功能而无需进行大修加固的时间。设计使用年限根据《建筑结构可靠度统一标准》确定,临时性结构为5年,一般不考虑时间因素;易于替换的结构构件为25年;普通房层和构筑物为50年;纪念性建筑和特别重要的建筑结构为100年。设计使用年限越高,耐久性要求越严格。

由于影响混凝土结构耐久性的一些因素较复杂,难以达到定量设计程度,新规范采用宏观控制方法,即根据环境类别和设计使用年限对结构混凝土提出相应的限制和要求,以保证其结构的耐久性。