混凝土耐久性及提高措施

摘要：论述混凝土耐久性问题的重要性，探讨了影响混凝土耐久性的因素，分析了混凝土耐久性不足的根本原因，并提出提高混凝土耐久性的几项措施

关键词：混凝土；耐久性；根本原因；影响因素；措施

Concrete Durability and Some Improving Measures

Wang jun

(Railway Bridge BureauWu han 430022)

Abstract: The paper analyzes the importance of concrete durability and studies several factors influencing concrete durability, the reasons of the durability concrete insufficiency,proposes some measures to improve concrete durability for reference.

U461.7+1

高性能混凝土具有丰富的技术内容，尽管同业对高性能混凝土有不同的定义和解释，但彼此均认为高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计，保证拌和物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。

基于上述特点，高性能混凝土成为我国近期混凝土技术的主要发展方向。

高性能混凝土的核心是保证耐久性。耐久性对工程量浩大的混凝土工程来说意义非常重要，若耐久性不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修；而对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30-50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%-50%以上。回看中国，我国50年代所建设的混凝土工程已使用40余年。如果平均寿命按30-50年计，那么在今后的10-30年间，为了维修这些建国以来所建的基础设施，耗资必将是极其巨大的。而我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿人民币以上。照此来看，约30-50-年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，高性能混凝土更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。

所谓混凝土耐久性是指结构在设计使用年限内，对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何其它破坏过程的抵抗能力。一般混凝土工程的使用年限约为50-100年，不少工程在使用10-20年后，有的甚至使用9年以后，即需要维修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性要求的根本原因，在于混凝土本身的内部结构。

但长期以来, 混凝土结构设计通常只关注安全性和适用性, 而对混凝土结构的耐久性缺乏全面认识, 考虑不够充分, 再加上在后续的施工和运行管理方面也未充分重视, 使得许多混凝土结构因达不到预期的设计寿命而出现严重的耐久性破坏现象, 导致我国的混凝土结构耐久性现状相当严峻[1]。

一、影响混凝土耐久性的几个因素

混凝土的冻融破坏

处于水和寒冷共同作用下的地区, 混凝土建筑物的破坏是以冻融破坏为主要因素。混凝土的冻害, 是由于混凝土毛细孔中的水份受到低温冻结时, 水由液相变为固相(冰)时体积增大9% , 从而产生膨胀应力, 此种膨胀应力如超过了混凝土的抗拉强度, 即可导致混凝土产生破坏。 对于某些环境比较特殊的地区，若水和严寒同时发生作用，冻融性破坏是对混凝土建筑物造成破坏的关键性因素。混凝土受到冻害，其内部空隙中的水份会发生冻结，使其体积膨胀增大 ，因此而出现膨胀应力, 若此时的膨胀应力超出了其自身的抗拉强度范围，就会致使混凝土发生破损。同时，在混凝土出现冻胀、变形后，即便是已经解冻其残余膨胀还会使其变形继续存在，久而久之便会出现累积性残余变形的情况，对混凝土的耐久性造成不利影响。其破坏特征是混凝土内部结构产生微裂缝,裂缝数量增多, 宽度逐渐增大, 具体表现是导致混凝土动弹性模量下降和表层由外至内产生剥落崩散以至毁坏。混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等多种因素有关, 其中最主要的因素是它的孔结构。

混凝土的碳化破坏

混凝土长期暴露在空气中会受到碳化因数的影响，水泥石中的碱性物质会与空气中的二氧化碳发生反应，使其组织、成分及性能产生变化，最终破坏使用机能。碳化后的混凝土其碱性降低，钢筋表面存在的钝化膜遭到破坏，更容易发生腐蚀破坏。同时，碳化作用还会使混凝土出现收缩现象，使其内部结构遭到破坏，裂缝便会产生。混凝土在空气中碳化是中性化最常见的一种形式，混凝土的碳化程度是衡量钢筋混凝土结构可靠度的重要指标。

3.碱-骨料反应破坏

碱-骨料反应是指水泥水化过程中释放出来的碱与骨料中的碱活性成份发生化学反应产生的混凝土破坏。破坏形成主要有两种: 碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。

碱-硅酸反应是指碱性溶液与骨料中的硅酸类物质发生反应, 形成凝胶体。这种凝胶体是组分不定的透明的碱2硅混合物, 能与混凝土中的氢氧化钙及其它水泥水化物中的钙离子反应生成一种白色不透明的钙-硅或碱-钙-硅混合物, 吸水后体积膨胀, 使周围的水泥石受到较大的应力而产生裂缝。由多个这样的膨胀体产生的应力会相互作用, 使裂缝连通加宽。膨胀的反应生成物围绕着活性骨料形成一道白色的边缘。

碱-碳酸盐反应是水泥水化物中的碱与骨料中的碳酸盐发生反应, 骨料中的陶土矿和结晶状岩石的存在会影响反应的加速。

4.化学物质的侵蚀

混凝土在使用过程中会受到许多化学物质的侵蚀，具体包括以下几个方面：一、硫酸盐的侵蚀及破坏。会对混凝土造成破坏的硫酸盐通常包括硫酸镁及硫酸钠等，当水泥中的氢氧化钙同硫酸盐发生化学反应时，产生的新物质会使混凝土发生膨胀，导致胀裂。二、酸性物质的破坏。酸性物质会对水泥中的化合物进行侵蚀，导致氢氧化钙与其他的物质发生化学反应，而生成可溶性的钙盐，导致混凝土的强度降低而发生崩解。三、碱性物质的侵蚀和破坏。碱的浓溶液会对水泥中的水化物进行侵蚀，包括结晶侵蚀及化学侵蚀。化学侵蚀是水泥水化物与碱溶液发生化学反应，结晶侵蚀是在其空隙中碱溶液出现结晶而发生膨胀，这些多会对混凝土的内部结构造成影响。

5.钢筋锈蚀

因混凝土结构钢筋锈蚀而产生的破坏，是耐久性不足最大量的表现形式。在混凝土结构中钢筋容易出现锈蚀的现象，使耐久性受到影响。钢筋体表的锈蚀物可使其体积膨胀2-3倍，使混凝土出现开裂，最终致使保护层消失、剥落，从而导致钢筋的锈蚀速度不断加快，整体强度不断下降，从而影响结构的耐久性。

钢筋锈蚀主要有两个原因：一是混凝土碳化，当二氧化碳和水汽从混凝土表面通过空隙进入混凝土内部时，使钢筋混凝土结构保护层的碱度降低，当碳化达到钢筋表面时，使钢筋表面与混凝土粘接生成的氧化铁薄膜破坏，生成锈蚀。二是混凝土中氯离子的侵蚀作用，当氯离子渗入到钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，使该处的碱度迅速降低，从而破坏钢筋表面的钝化膜，造成钢筋锈蚀[2,3]。

二、混凝土耐久性不足的根本原因

混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细多孔复合材料。普通混凝土不能满足耐久性的根本原因在于混凝土本身的内部结构[4]。为满足混凝土施工要求，用水量大，水灰比高，导致混凝土空隙率很高，其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其有害物质进入混凝土内部的通道，是导致混凝土耐久性不足的根本原因。另外，混凝土在运输、浇筑和振捣过程以及刚浇筑完毕未凝固的阶段、产生离析、泌水现象，从而在骨料与水泥浆的界面，或者钢筋与混凝土的界面形成薄弱的过渡区，混凝土硬化后，尤其在这区域，形成大量孔隙与微裂缝。同时，由于混凝土自收缩、温度收缩增大、在外界的荷载和因环境条件下就容易产生开裂。这些对结构承载力无害的裂隙，从耐久性角度来说，正是外界侵蚀介质进入混凝土的通道，给结构耐久性带来隐患。

因此，耐久性不足的根源在于混凝土的渗透性，而微裂隙和孔隙是引起混凝土劣化的初因。混凝土在外界水分和侵蚀介质沿着连通的裂隙和孔隙进入，导致高度饱水，对膨胀和开裂起着主导作用，而不管产生劣化的原因是冻融循环、钢筋锈蚀、碱-骨料反应还是氯离子侵蚀。但是这些损伤过程会使微裂隙进一步扩展，加剧损伤，最终导致破坏。由此看来混凝土抗渗性是耐久性的第一道防线，改善混凝土的均质性，减少或避免混凝土早期开裂，是提高混凝土抗渗性与耐久性的首要措施，也才能获得延长结构服务寿命的整体效果。

三、提高混凝土耐久性的基本措施

根据前述影响混凝土耐久性的一些主要因素, 提高混凝土耐久性的技术措施的基本原则首先是必须提高混凝土的密实性和防裂性, 诸如: 采用优质有效的外加剂, 大幅度降低水灰比(或水胶比) 保证具有足够的水泥用量。并进行科学的配合设计和精心施工[5]。

(1) 提高抗碳化能力

在必要时可在混凝土表面设置有效的覆盖层等措施,以减缓或隔离CO2 向混凝土内部渗透, 从而有效地提高混凝土的抗碳化能力。

(2) 提高混凝土抗冻能力

优良的引气剂或引气减水剂, 使混凝土内部结构具有适宜的空气含量和优良的气泡参数是非常必要的。理论与实践表明: 不引气的高强混凝土不一定是抗冻的, 而中、低强的引气混凝土, 具有适宜的空气含量和合理的气泡参数,也能获得良好的抗冻性。此外, 采用优质抗冻性骨料和合理的配合设计也很重要。

(3) 预防钢筋锈蚀方面

在保证混凝土密实性和防裂性的前提下, 应采用适量的优质混合材料(如粉煤灰、硅粉及矿粉等) , 并采用较大的钢筋保护层, 以限制氯离子在混凝土中的渗透速度和深度。

(4) 提高混凝土抗侵蚀方面

提高混凝土抗侵蚀性方面可包括海水、酸、碱等侵蚀类型。混凝土的密实性与抗裂性对提高混凝土抗侵蚀性起着至关重要的作用, 同时对水泥品种的选择也具有重要意义,一般要求水泥应具有较低的C3A含量。并掺入适量的混合材和优质外加剂。

(5) 预防碱-骨料反应方面

混凝土中碱-骨料反应的危害很大, 一旦发生则很难修复。因此, 对其预防措施可列出以下几点:

①在混凝土中不得采用具有碱活性反应的骨料;

②应采用低碱水泥和低碱外加剂;

③应严格控制混凝土中的总含碱量;

④禁止使用钠盐外加剂;

⑤掺入引气剂有助于减轻碱-骨料反应的膨胀;

⑥掺入适量的粉煤灰能较大幅度地降低碱2氧化硅反应膨胀值。

（6）施工质量的保证

混凝土施工的基本过程包括从搅拌到运送，再到浇筑、振捣，最后到养护及拆模等相关环节，若操作不恰当，就会影响到混凝土的使用性能，当混凝土的振捣缺乏密实、钢筋保护层太薄等等现象出现时，就会加快钢筋的锈蚀度。所以，必须确保工程的施工质量，这是保障混凝土耐久性的关键性环节。因此必须以高素质的施工队伍及完善的施工管理对施工质量进行保证，从而使工程混凝土的耐久性得到提高。 （7）确保混凝土的施工强度

虽然耐久性与强度的概念有所不同，但两者之间又有着极为密切的联系，双方的本质联系是建立在混凝土内部结构之上，且均与水灰比有着直接的关系。在确保混凝土可以得到充分密实的基础上，若水灰比有所降低，其孔隙率也会随着下降，其自身强度就会得到提高。同时，当孔隙率得到降低时，混凝土的抗渗性也会得到提升，相关耐久性的指标也可以得到保证。在目前的技术条件下，要提高混凝土的性能，可以在其掺入某些高效的减水剂，或活性化的矿物材料，这不仅可以提高混凝土的致密性能，而且也可以使游离氧化钙的含量降低，在提高混凝土的耐久性的同时，使混凝土的强度也有所提高。另外，在内部破坏因素得以控制的条件下，由于其自身强度的不断增加，对外部环境的抵抗能力也会有所增加。

（8）加强日常的维护

结构在日常的使用过程中，需要进行及时的检测及维护。对于那些环境相对恶劣或处于露天的建设工程更需要加强。通过对各项检测及评估的体系进行建立和完善，及时发现，及时处理，才能确保混凝土结构的正常投入使用。

四、结束语

混凝土结构的耐久性会受到诸多方面的因数影响，有的时候某些因素的叠加会给研究工作造成更大的阻碍。因此，必须对混凝土结构耐久性的设计和施工加以重视, 此外还要进行严格的维护及管理，才能使混凝土结构的耐久性得以保证。

参考文献：

[1] 刘应应,赵海明,刘海红. 混凝土掺合料与混凝土耐久性[J ].山西建筑,2003 (7):1222124.

[2] 孙培吉,于会斌,曲建波,衣海明,杨则英.基于静动力性能分析的刚架拱桥加固措施研究[j].公路与汽运.2010(03).

[3] 王红春,李兴贵. 改善混凝土耐久性的方法研究[J]. 南京:建材技术开发,2003,30

(9):107 - 109

[4] 徐健,杨洋,陈梦成,王凯.地铁混凝土耐久性影响因素的研究现状[j].水利与建筑工程学报.2010(05).

[5] 陈本沛. 混凝土结构理论和应用研究的现状与发展[M]. 大连:大连理工大学出版社, 1994