混凝土结构损坏机理的分析

摘要：随着我国基础建设的迅速发展，土建工程越来越多。在我国的土建工程中，混凝土施工占有很大的比例。文中从钢筋的锈蚀、混凝土的裂缝、氯化物侵蚀、混凝土的冻融破坏、混凝土的碱―骨料反应、混凝土的碳化六个主要因素入手，对混凝土结构损坏机理进行了分析，提出了指导性建议。

关键词：混凝土 锈蚀 碳化 氯离子

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，集料、骨料和水按一定比例配制，经搅的混凝土拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材，是目前我国应用最广泛的一种结构形式，混凝土是结构工程中最广泛的一种工程材料[1]。

在实际工程施工过程中，易出现的混凝土质量问题主要有：混凝土强度不能满足设计要求；混凝土出现裂缝、裂纹；混凝土出现气孔、孔洞、蜂窝、麻面、表面松酥等；混凝土缓凝或凝结时间过长；混凝土假凝或安定性不良等。主要问题有配合比不合理、外加剂使用不当、砂、石等原材料不符合要求、制作试块错误、养护措施不到位、选择不当、施工出现的特殊问题等。

1、混凝土结构中钢筋的锈蚀

目前广泛应用于各行各业的混凝土结构，由于生产、使用环境及各种自然条件的侵蚀，导致结构破坏非常普遍。因此，钢筋混凝土结构的腐蚀已经成为一个不容忽视的问题，我国近年来的工程调查表明，钢筋混凝土腐蚀破坏的情况非常严重，特别是在包括冶金、化工、机械制造和电力等工业建筑物受到的腐蚀更为严重，为此造成的损失每年可达固定资产的10%以上。因此在建筑结构设计及施工过程中加强对其的防护措施，不仅对结构的耐久性有重要意义，更具有巨大的经济价值。钢筋锈蚀有两种不同的形式，即均匀锈蚀和局部锈蚀（又称作点蚀、坑蚀）。当钢筋表面钝化膜大面积破坏形成大阳极、小阴极的电化学反应时，钢筋发生均匀锈蚀。这种锈蚀类型以大气环境下碳化引起的钢筋锈蚀居多。氯离子活性大，容易吸附在钝化膜有缺陷的地方，如位错区或晶界区等，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏，构成一个大阴极、小阳极的活化-钝化电池，钢筋因此发生坑蚀。虽然可以按这两种钢筋锈蚀形式分别计算锈蚀钢筋剩余截面，但最常采用的还是根据钢筋锈蚀率来计算锈蚀钢筋的剩余截面面积[2]。

2、混凝土裂缝

混凝土中产生裂缝有多种原因，有温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理、原材料不合格（如碱骨料反应）、模板变形、基础不均匀沉降等。裂缝处理方法有以下几种：

2.1电化学防护法

电化学防腐是利用麓加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。优点是防护方法受环境因素的影响较小，适用钢筋、混凝土的长期防腐。既可用于已裂结构也可用于新建结构。

2.2灌浆、嵌缝封堵法

灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补，它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法，它通常是沿裂缝凿槽，在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

2.3表面修补法

这是最普通和最简单的裂缝修补方法。直接用水泥砂浆将裂缝履盖，该方法适用于修补对结构影响不大的表面裂缝，通过密封裂缝来防止水汽和其他有害物质的侵入[3]。

2.4混凝土置换法

混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换人新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

2.5钻孔嵌塞法

这种方法通常用作修复墙体上的裂缝。如果要求密封防水，孔中应填入柔性沥青来代替砂浆；如果要求更高，则可灌注环氧树脂。

2.6钉合法

当必须加强主裂缝断面的抗拉强度时，使用钉合法比较适宜。在不能损坏周围结构的场合下，可用来锁闭活动裂缝。主要方法是用薄而长的金属质“缝合U型钉”跨过裂缝嵌入事先开好的槽沟中，再用无收缩砂浆或者环氧树脂基粘合剂来固定。

3、混凝土的氯化物

氯离子侵蚀导致混凝土结构发生耐久性破坏引发了重大的经济损失和环境问题。氯化物是一个非常重要的影响因素，当混凝土中含有氯离子时，即使混凝土的碱度较高，钢筋周围的混凝土尚未碳化，钢筋也会出现锈蚀。混凝土结构工程中因耐久性不足所引发的工程问题日益严重，氯离子对混凝土的劣化主要是氯离子传输到钢筋与混凝土界面并积累至一定含量引起钢筋脱钝及发生电化学腐蚀，所以氯离子在混凝土中的迁移深度和含量是评价混凝土耐氯离子侵蚀性能的重要指标，根据混凝土中的氯离子含量曲线推算氯离子扩散系数是一种可靠而实用的方法。

4、混凝土的冻融破坏

混凝土的冻融破坏指在水饱和或潮湿状态下，由于湿度正负变化，混凝土内部孔隙水结冻膨胀，融解松弛，产生疲劳应力，造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的现象。

水结冰时体积约膨胀9%，混凝土体积膨胀产生微裂缝。冻融破坏常见的是由于水泥石的崩裂，部分砂浆呈粉状剥落而露出粗骨料。

混凝土的水灰比从0. 4增加到0. 6时，抗冻性能下降十几倍。为了使混凝土具有足够的抗冻性，应使其水灰比小于0. 5。同时规定最小水泥用量300 kg/m3。

随着龄期的增加，水泥不断水化，可冻结水逐渐减少。水中溶解的盐的浓度增加，冰点也随龄期而下降，抗冻性能得以提高。

5、混凝土的碱―骨料反应

碱―骨料反应一般是指水泥中的碱和骨料中的活性氧化硅发生反应，生成碱―硅酸盐凝胶并吸水产生膨胀压力，致使混凝土出现开裂。

碱―骨料反应通常进行得很慢，其破坏特征为：表面混凝土产生杂乱无章的裂缝，或在骨料颗粒周围出现反应环。

影响碱―骨料反应的因素有： 1）活性二氧化碳的活性； 2）活性二氧化硅的含量； 3）活性材料的粒径； 4）碱的可获量； 5）可利用的水量。

6、混凝土的碳化

混凝土的碳化是一个缓慢过程。拌和混凝土时，CaO水化后生成CaOH2，它在水中的溶解度低，除少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液外，大部分以结晶状态存在，成为孔隙液保持高碱性的储备，它的pH值为12. 5～13. 5。空气中的CO2气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中，与其中的孔隙液所溶解的CaOH2进行中和反应。混凝土的碳化主要包括化学反应过程、CO2等在混凝土中的扩散和CaOH2的扩散三个过程。

结束语

混凝土的质量对建筑结构的安全和造价有很大影响，因此，在施工中必须严格控制混凝土的质量。通过列举施工过程中易出现的混凝土质量问题，提出控制混凝土质量的具体措施。

参考文献

[1]建筑施工手册编写组.建筑施工手册[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社， 2007.

[2]张立人.建筑结构检测、鉴定与加固[M].武汉：武汉工业大学出版社， 2007.

[3]于荣.混凝土结构裂缝的成因与控制[ J].山西建筑，2009， 35（10）： 70-71.

作者简介：李小龙（1991.09-），男，河南省长葛人，黑龙江八一农垦大学工程学院土木工程专业。