混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析

 【摘 要】通過對混凝土耐久性概念的闡述，從內(nèi)外兩個方面分析了影響混凝土耐久性的主要因因素，并提出提高混凝土耐久性的技術(shù)措施。

　　【關(guān)鍵詞】混凝土；耐久性；影響因素；措施

　　1. 引言

　　1.1 混凝土結(jié)構(gòu)以其取材容易、可模性好、整體性好、維修費用少等優(yōu)點在20世紀(jì)得到了廣泛運用。一般混凝土工程的使用年限約為50～100年，然而一些發(fā)達(dá)國家的混凝土橋使用了二三十年后，便紛紛進(jìn)入老化期。在我國，有調(diào)查顯示，大多數(shù)工業(yè)建筑在使用20～30年后就需要大修，處于惡劣環(huán)境下的建筑物使用壽命15～20年，許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕，混凝土出現(xiàn)裂縫甚至開裂。經(jīng)多年實踐，工程人士發(fā)現(xiàn)，即使混凝土強(qiáng)度再高，但若其耐久性差、壽命短，則仍滿足不了工程的需求�；炷�土的碳化、鋼筋銹蝕、滲透凍融破壞、混凝土集料的化學(xué)腐蝕等耐久性問題日益突出，這給世界各國造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失�；炷�土結(jié)構(gòu)的耐久性直接關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)的順利發(fā)展以及人民生命和財產(chǎn)的安全。工程人士對混凝土的要求也不斷由強(qiáng)度轉(zhuǎn)向耐久性，在實際工程中必須考慮混凝土耐久性的影響因素，采取有效途徑提高混凝土的耐久性。
1.2 所謂混凝土的耐久性，是指結(jié)構(gòu)在要求的目標(biāo)使用期限內(nèi)，不需要花費大量資金加固處理而能保證其安全性和使用性的能力。概括來說，耐久性問題主要表現(xiàn)在以下三個方面：（1）鋼筋的銹蝕、疲勞、脆化、應(yīng)力腐蝕；（2）混凝土的損傷，包括裂縫、磨損、破碎、酥裂等；（3）鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固作用的削弱。這些不僅影響結(jié)構(gòu)的外觀及使用功能，而且會降低結(jié)構(gòu)的安全度，成為事故發(fā)生的隱患。下面從影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素和提高耐久性的技術(shù)措施兩個方面來探討混凝土的耐久性問題。

　　2. 影響混凝土耐久性的主要因素

　　影響混凝土耐久性的因素十分復(fù)雜，引起結(jié)構(gòu)破壞往往是混凝土內(nèi)部組成不完善，外部不利因素綜合作用的結(jié)果�，F(xiàn)就內(nèi)外兩方面因素加以分析：
2.1 內(nèi)部因素的影響。
（1）混凝土的材質(zhì)通常講的混凝土是用水泥作膠凝材料，砂、石作集料；與水（加或不加外加劑和摻合料）按一定比例配合，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而得的。砂、石、水泥等材料的優(yōu)劣直接影響到硬化后混凝土的密實度和強(qiáng)度，好質(zhì)量的材料將為工程使用期混凝土的耐久性打下良好基礎(chǔ)。
（2）混凝土的碳化（又稱中性化）�；炷�土中的水泥在水化過程中產(chǎn)生氫氧化鈣，鋼筋周圍混凝土的孔隙水則呈弱堿性，在鋼筋表面形成堿性“鈍化”薄膜而保護(hù)鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕。但是由于空氣中的二氧化碳與水反應(yīng)生成的碳酸等酸性物質(zhì)通過孔隙和毛細(xì)孔侵入混凝土，中和這種堿性物質(zhì)生成碳酸鈣，即發(fā)生碳化。碳化過程使混凝土堿性降低，鋼筋表面在高堿條件下產(chǎn)生的致密氧化膜（鈍化膜）遭到破壞，混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，使鋼筋的銹蝕成為可能。當(dāng)碳化進(jìn)行到鋼筋表面后，鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，當(dāng)氧和水同時存在時，鋼筋開始銹蝕，其力學(xué)性能急劇衰減。同時，碳化還會加劇混凝土的收縮，致使混凝土出現(xiàn)裂縫，粘結(jié)力下降，甚至鋼筋保護(hù)層剝落，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。
（3）混凝土堿集料反應(yīng)。堿集料反應(yīng)是指混凝土原材料中的堿性物質(zhì)與活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有強(qiáng)烈的吸水膨脹能力的物質(zhì)，引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不均勻膨脹，造成裂縫，并使混凝土的強(qiáng)度和彈性模量下降，影響混凝土的耐久性�；炷�土中的堿主要來自水泥熟料、外加劑等，活性材料主要是SiO2、碳酸鹽、硅膠鹽等。堿與硅膠鹽產(chǎn)生的凝膠遇水會膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力引起混凝土開裂。
2.2 外部因素的影響。
（1）鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的最主要原因。當(dāng)鋼筋表面處于活化狀態(tài)且存在氯離子和水時，鋼筋就會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。氯離子可破壞鋼筋表面的鈍化保護(hù)膜，使腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋，加快混凝土結(jié)構(gòu)的損壞。鋼筋銹蝕后，鋼筋的有效截面面積減小，構(gòu)件承載能力降低。同時，鋼筋的不均勻銹蝕還將導(dǎo)致導(dǎo)致鋼筋表面凹凸不平，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使鋼筋的脆性增大、延性變差、強(qiáng)度降低。
（2）混凝土的凍融破壞。凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷分為內(nèi)部損傷和表層損傷兩類�；炷�土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，在干燥時失水收縮，而在水浸潤后又膨脹。這種作用循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫�；炷�土本身就是多孔隙的復(fù)合材料，開裂后水分更易侵入。滲入到混凝土中的水在溫度在冰點以下時會結(jié)冰引起膨脹，將從內(nèi)部損傷混凝土結(jié)構(gòu)�；炷�土表層若持續(xù)受鹽溶液浸蝕，在混凝土薄弱處也將會發(fā)生剝落。經(jīng)過多次凍融循環(huán)，最終將引起混凝土剝落酥裂而降低其耐久性。
（3）侵蝕性介質(zhì)的腐蝕�；炷�土在外部環(huán)境條件下，硫酸鹽、鹽水、腐殖質(zhì)、鎂鹽等一些化學(xué)介質(zhì)都可能對混凝土產(chǎn)生腐蝕。
（4）施工因素影響。施工時水灰比增大時，混凝土的密實性就降低，抗?jié)B性就變差�；炷�土滲水也主要是由于混凝土多余水分蒸發(fā)留下空隙，拌合物保水性差引起混凝土泌水現(xiàn)象造成的，混凝土的抗?jié)B性好壞直接影響混凝土的耐久性。因此，施工時應(yīng)該控制水灰比，確�；炷�土有良好的和易性和保水性，以保證混凝土的密實度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。
（5）其他外部因素。諸如風(fēng)沙、持續(xù)的超高氣溫、持續(xù)冰凍天氣、生物腐蝕等都會影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

　　3. 提高混凝土耐久性的措施

　　綜上分析可知，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、原料、抗?jié)B性等都是混凝土耐久性能的重要影響因素。因此，工程中應(yīng)根據(jù)實際的具體情況，有針對性地采取相應(yīng)措施以提高混凝土的耐久性。
（1）設(shè)計之前，首先要詳細(xì)勘察建筑結(jié)構(gòu)將處的環(huán)境條件，并確定主導(dǎo)破壞因素（如大氣和雨雪造成混凝土干縮循環(huán)和凍融循環(huán)作用、地表永久或地下水中的侵蝕性介質(zhì)影響等），實現(xiàn)考慮環(huán)境條件的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。
（2）嚴(yán)格遵守國家設(shè)計規(guī)范的要求。在滿足使用功能前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量規(guī)整、簡單，合理布置排水及各種結(jié)構(gòu)縫。由于環(huán)境中侵蝕介質(zhì)很容易在構(gòu)件棱角或突出處侵入混凝土，所以在進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計時，應(yīng)使結(jié)構(gòu)形狀有利于濕氣的蒸發(fā)，且便于構(gòu)件檢測、維護(hù)和更換。　　
（3）開發(fā)和使用高性能混凝土。水灰比會影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。眾所周知，水灰比越大，水泥硬化后，內(nèi)部因水分蒸發(fā)而留下的孔隙就會越來越多，強(qiáng)度越低，耐久性越差。高性能混凝土在配制上盡量采用了低水灰比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，摻入了礦物集料和高效堿水劑，減少了水泥用量，減少混凝土的內(nèi)部孔隙率，增強(qiáng)了混凝土的密實性和抗?jié)B性，減少了體積收縮，提高了強(qiáng)度和耐久性。
（4）合理選擇混凝土和鋼筋品種。選擇高標(biāo)號水泥的混凝土，水泥標(biāo)號高，混凝土強(qiáng)度高，碳化深度小，抗?jié)B性和抗凍性好，相同標(biāo)號早強(qiáng)水泥比普通水泥耐久性好。對于暴露在侵蝕性環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，宜采用有利于提高結(jié)構(gòu)耐久性的高性能混凝土；針對鋼筋的腐蝕可采用對混凝土進(jìn)行表面處理的耐腐蝕鋼筋；混凝土中摻加鋼筋阻銹劑、電化學(xué)驅(qū)氯和電化學(xué)再堿化等措施。
（5）合理確定混凝土和鋼筋的保護(hù)層厚度。一般來說，混凝土保護(hù)層厚度每減少25%，碳化到鋼筋表面時間就縮短50%。因此，混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、所處環(huán)境和有無飾面，在保證功能、節(jié)省成本基礎(chǔ)上適度增加厚度以提高耐久性。另外，鋼筋保護(hù)層厚度小，不能保護(hù)鋼筋，也不能滿足鋼筋的有效錨固；保護(hù)層厚度過大，一方面不經(jīng)濟(jì)，另一方面可能使裂縫寬度增大。
（6）選用級配良好的集料。若混凝土材料本身質(zhì)量低下、水灰比選擇以及骨料級配不當(dāng)都會導(dǎo)致混凝土性能下降。集料占混凝土總體積的75%以上，良好的級配可制得和易性好的混合料，并能在相應(yīng)成型條件下得到均勻密實的高強(qiáng)度的混凝土，級配好的集料可以在混凝凝土中形成剛性骨架從而從本質(zhì)上大大改善混凝土的力學(xué)性能，提高其耐久性。
（7）加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。材料進(jìn)入施工場地時技術(shù)人員要嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，砂、石、水泥、鋼筋等必須符合質(zhì)量要求。不定期對混凝土拌合物的稠度、含氣量、塌落度、水灰比、等進(jìn)行測量，并適時測定砂、石的含水率，及時調(diào)整混凝土配合比。提高施工質(zhì)量、施工技術(shù)水平，完善施工管理工作，強(qiáng)化對施工過程的監(jiān)督、檢查，嚴(yán)格按照混凝土結(jié)構(gòu)驗收規(guī)范要求進(jìn)行施工，嚴(yán)格禁止盲目追求進(jìn)度。
（8）使用抗腐蝕涂層。在一些重要建筑物中，可以在混凝土表面使用環(huán)氧樹脂等涂層以阻止氯離子和混凝土的碳化深入到內(nèi)部，并且能抗侵蝕環(huán)境的影響。在鋼筋表面使用防腐層也可以保護(hù)鋼筋免受腐蝕，從而延長混凝土使用壽命。
（9）經(jīng)常性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查與維護(hù)。結(jié)構(gòu)在使用階段，應(yīng)注意定期檢測、維護(hù)和修理，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)建立檢測和評估體系，及時發(fā)現(xiàn)，及時修理，確保混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用。

　　4. 結(jié)束語

　　影響混凝土耐久性的因素是復(fù)雜的、綜合性的，必須從原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、使用環(huán)境及其檢測維護(hù)等多種因素綜合考慮，使混凝土既滿足承載力要求，又要滿足其耐久性的要求。合理的原材料品種選擇，精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計，較好的配合比設(shè)計，先進(jìn)的施工技術(shù)，及時到位的維修養(yǎng)護(hù)都能有效提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

　　參考文獻(xiàn)
[1] 黃興隸.工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計[M]北京：人民交通出版社，1989.
[2] 周新剛.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷防治[J].北京：中國建材工業(yè)出版社，1999.
[3] 沈國桂，劉立峰.混凝土耐久性的影響因素及其提高途徑.建筑技術(shù)開發(fā)，2006.
[4] 魏新良.淺談混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007.
[5] 朱清航，孫國慶.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素分析及對策.山西建筑，2009.