混凝土结构耐久性探析

摘要：通过分析混凝土各种质量缺陷产生的原因，提出了解决混凝土耐久性的相应措施。

关键词：耐久性、渗透性、裂缝防治

东南沿海高速铁路是国家重点建设项目，温福铁路（福建段），设计时速200-250km/h，使用寿命100年。宁德特大桥横跨宁德湾，为严重腐蚀环境区（氯盐环境 L2、 L3级），铁路混凝土结构耐久性要求高，需要采用高性能耐久（防腐蚀）混凝土。

1．混凝土工程中的耐久性问题

混凝土耐久性问题，是指结构在所使用的环境下，由于内部原因或外部原因引起结构的长期演变，最终使混凝土丧失使用能力。即所谓的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，国外的工程经验教训表明：海水、海风和海雾中的氯离子和不合理的使用海砂，是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一。根据分析，影响我国现阶段跨海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-渗透速度，还有裂缝问题、抗冻失效、碱-集料反应失效、化学腐蚀失效、钢筋锈蚀造成结构破坏等。

2 混凝土结构耐久性问题的分析

2.1氯离子侵蚀

混凝土结构耐久性与混凝土材料本身的渗透性密切相关，尤其是表层混凝土，是抵御水、CO2 等有害介质侵蚀的第一道防线。混凝土结构自建成起自身存在大量不连通的微裂缝，在环境因素及应力作用下，这些微裂缝不断扩展直至连通，此时混凝土的渗透性决定了水或有害介质进入内部的速度，从而决定了劣化发展的速度。裂缝扩展（由混凝土断裂能控制）加速了水等介质的渗透速度，也加速了劣化进程。

混凝土渗透性的快速评定方法―氯离子扩散系数法利用Nernst-Einstein方程建立了快速测定混凝土中氯离子扩散系数的新方法，系统地研究了混凝土中氯离子扩散系数、饱盐、饱水电导率与混凝土水灰比、强度、矿物掺和料、浆体体积含量、总孔隙率的关系，研究了混凝土中自由和表观氯离子扩散系数的定量关系，这对于高性能混凝土的配合比设计、钢筋腐蚀预测和确定混凝土结合氯离子的能力均有重要意义。氯离子扩散系数法最适于含氯环境中的混凝土，尤其是高性能混凝土的渗透性评价。

混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是海水中Cl-侵蚀，二是大气中的CO2使混凝土中性化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是Cl-进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。在跨海大桥周边沿海码头调查中也证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于Cl-渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3mm/10年。因此，影响跨海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-渗透速度。

国外自上世纪六、七十年代开始即开始研究在现场检测混凝土渗透性的方法，大致分为三类：吸水性试验、渗透性试验（水或空气渗透）和离子扩散试验。一个热点是研究氯离子在混凝土中的扩散系数，国内结合美国、欧洲的提议进行了大量试验，主要有电通量法、自然扩散法及Nel 法等。这些工作对研究混凝土结构的耐久性寿命具有重大意义。但其都有一个共同特点，即需要取样在实验室操作，无法在现场对已有结构进行检测。国内对既有结构的渗透性检测一般是取样到试验室进行，较少进行现场试验。目前我国大规模建设的势头还将持续几十年，许多关键土木基础设施及标志性建筑已提出服役寿命100 年的要求，如杭州湾大桥和北京2008 奥运会主体育场等。

2.2大体积混凝土裂缝

近年来，大体积泵送混凝土在桥梁结构中的广泛应用取得了良好的效果。但是由于大体积砼的水化热散失较慢，容易形成温度裂缝。如何防止和缩小裂缝关系到桥梁结构的可靠性和耐久性。也成为众多业内专家关注的热点问题。

2.2.1干缩裂缝

浇混凝土表面，若无恰当措施，极易失水过快产生干缩裂缝。因此必须进行恰当的养护，保证新浇筑的混凝土有适宜的硬化条件。掺UEA膨胀剂：掺人UEA膨胀剂，在最初潮湿养护中，使混凝土体积微膨胀，补偿混凝土早期失水收缩产生的收缩裂缝。

2.2.2水化热引起裂缝

大体积混凝土由于水化热产生的升温较高、降温幅度大、速率快，使混凝土产生较大的温度和收缩应力是导致混凝土产生裂缝的主要原因。因此，为防治水化热引起的裂缝，施工前应计算升温峰值、内外温差及降温速率，制定相应的技术措施，防止和控制温度裂缝，确保工程质量。

2.2.2.1控制混凝土原材料，优化混凝土配合比，降低水化热

（1）选择中低热品种水泥，优先选用矿渣硅酸盐水泥。

（2）利用混凝土后期强度，用R60或R90替代R28作为设计强度。

（3）在施工允许的条件下尽量选择粒径较大、级配良好的粗骨料。砂子采用中粗砂。

（4）掺入一定比例的粉煤灰等矿物掺和料。

（5）掺入高效减水剂（具有缓凝作用的）。

2.2.2.2控制混凝土的出机温度和浇筑温度

（1）降低原材料进入搅拌机的温度。如夏季在水箱内加冰块，降低水温；粗骨料遮阳防晒，并洒冷水降温；细骨料遮阳防晒；散装水泥提前储备，避免新出厂水泥温度过高。采取以上措施最大限度降低混凝土出机温度。

（2）合理部署施工，尽量避免在炎热天气或当天高温时段浇筑。夏季，混凝土运输车加保温套或对罐体喷淋冷水降温。混凝土泵送管道遮阳防晒。

2.2.2.3采取外保内降法减小温差

（1）混凝土浇筑后，立即覆盖塑料薄膜，防止表面水份蒸发，减少暴露时间，延缓温度减低速度。

（2）保湿养护根据混凝土绝热温升计算，确定中心最高温度，按温控技术措施，确定养护材料及覆盖厚度和养护时间。保温养护的目的：①减少混凝土表面热扩散，减少内外温度；②延缓散热时间，控制降温速率，有利于混凝土强度增长和应力松驰，避免产生贯穿裂缝。

（3）在常温季节，混凝土终凝后也可采取蓄水养护的办法，替代前两种保湿保温养护办法。根据混凝土内外温差数据，及时调整蓄水高度，也能收到预期效果。

（4）内部降温：混凝土内部预留一些孔道循环冷水或冷气降温。但要控制降温速度。

2.3 混凝土的碱-集料反应

碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后若干年(数年至二、三十年)逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力， 膨胀开裂、导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦发生碱骨料反应、混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。

2.4硫酸盐侵蚀

硫酸盐侵蚀破坏是一个复杂的物理化学过程，同时也是混凝土化学侵蚀中最广泛和最普通的形式。硫酸根离子与水泥石中一些固相组分发生化学反应，对混凝土结构的破坏通常始于棱角处，进而表面剥落，伴随着着裂缝发育层层推进，极端情况下有可能导致结构崩溃。

3.混凝土施工控制

混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法、裹砂法、裹砂石法等工艺，提高混凝土拌合料的和易性、保水性，提高混凝土强度，减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝、收缩裂缝、施工裂缝，建立混凝土的浇筑振捣制度，提高混凝土密实度和抗渗性，重视混凝土振捣后的表面工序，并加强养护，以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝、施工裂缝至关重要，应加强施工质量管理，特殊季节施工的混凝土结构，尚应采取特殊措施。

4结语

高性能混凝土具有丰富的技术内容，尽管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性。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。