鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

張亞峰 王延安 鮑 林

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著服役時(shí)間的增加,其結(jié)構(gòu)中將會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病害。如果混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量不佳或結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)有缺陷等,都會(huì)加速病害的進(jìn)一步發(fā)展。在過分追求經(jīng)濟(jì)效益的現(xiàn)在,這種問題更值得關(guān)注。我國混凝土結(jié)構(gòu)量大面廣,隨著環(huán)境的變遷和功能要求的提高,耐久性問題越來越突出,是迫切需要加以解決的問題。

1 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素

在1991年召開的第二屆混凝土耐久性國際學(xué)術(shù)會(huì)議上,Metha教授指出:“當(dāng)今世界混凝土破壞原因按重要性遞減順序排列是:鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用。”其中侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用包括淡水及酸性水侵蝕、混凝土的碳化等。

1.1 鋼筋的銹蝕

鋼筋銹蝕不僅與混凝土外保護(hù)層厚度、密實(shí)度有關(guān),而且與混凝土的組成、pH值、有害離子含量、混凝土含水量等諸多因素密切相關(guān)。當(dāng)空氣中的二氧化碳、水汽和氯離子等有害物質(zhì)從混凝土表面通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí),會(huì)和混凝土材料中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng),使混凝土中的pH值降低,鋼筋的鈍化膜就會(huì)破壞,在氧氣、水等的共同作用下,鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。生成的鐵銹體積比原金屬增大2倍～4倍,產(chǎn)生膨脹壓力,造成混凝土順筋裂縫,從而成為腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋的通道,使鋼筋的銹蝕加劇,加快結(jié)構(gòu)的損壞。

1.2 混凝土的凍融

當(dāng)結(jié)構(gòu)處于冰點(diǎn)以下環(huán)境時(shí),部分混凝土內(nèi)孔隙中的水將結(jié)冰,產(chǎn)生體積膨脹,過冷的水發(fā)生遷移,形成各種壓力,當(dāng)壓力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土即產(chǎn)生開裂破壞。

1.3 化學(xué)侵蝕

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處在有侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境時(shí),會(huì)引起水泥石發(fā)生一系列化學(xué)、物理與物化變化,而逐步受到侵蝕。

1)混凝土的碳化?；炷猎诳諝庵械奶蓟亲畛Ｒ姷囊环N形式。大氣中的二氧化碳時(shí)刻在向混凝土的內(nèi)部擴(kuò)散,與混凝土中的氫氧化鈣等發(fā)生反應(yīng),生成碳酸鹽或者其他物質(zhì),從而使水泥石原有的強(qiáng)堿性降低,這種現(xiàn)象就稱為混凝土的碳化。同時(shí),混凝土的碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮,這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞,對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2)淡水及酸性水侵蝕。淡水的沖刷會(huì)溶解水泥石中的組分,形成一些沒有粘結(jié)能力的SiO·2nH2O及Al(OH)3,使水泥石孔隙增加,密實(shí)度降低,混凝土強(qiáng)度降低,從而進(jìn)一步造成對(duì)水泥石的破壞。當(dāng)水中溶有一些酸類時(shí),水泥石就受到浸析和化學(xué)溶解雙重作用,使混凝土的侵蝕明顯加速。酸溶液與水泥石中的氫氧化鈣作用生成水和可溶性鈣鹽,同時(shí)能直接與硅酸鹽、鋁酸鹽作用使之分解,使混凝土結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞。

3)硫酸鹽的侵蝕。硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏和硫鋁酸鈣,產(chǎn)生體積膨脹,使混凝土瓦解。

4)氯鹽的腐蝕?；炷林械穆入x子主要來源有原材料、海洋環(huán)境、道路除冰鹽、鹽湖和鹽堿地、工業(yè)環(huán)境等?；炷猎谑褂脡勖陂g,氯化物是一種最危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì),它的危害是多方面的,它可以使鋼筋銹蝕、混凝土剝落、堿度降低等。

2 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要措施

2.1 提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗銹性能的方法

1)機(jī)械除銹法。首先通過人工或高壓水噴射,去除因鋼筋銹脹產(chǎn)生的混凝土表面松散層,然后進(jìn)行修補(bǔ)或替換已銹蝕的鋼筋,在鋼筋表面涂刷阻銹層,再用密實(shí)水泥砂漿或細(xì)石混凝土覆蓋抹平。即使修補(bǔ)質(zhì)量較好,修補(bǔ)處的砂漿或混凝土與周圍混凝土含鹽量不同,密實(shí)性差,也有可能構(gòu)成新的宏觀腐蝕電池,使鄰近這個(gè)界面的混凝土中鋼筋形成新的陽極區(qū),加速鋼筋銹蝕。另外,這種方法施工比較麻煩,工期較長,施工質(zhì)量不易控制。

2)環(huán)氧涂層鋼筋法。該方法是在鋼筋表面靜電噴涂一層環(huán)氧樹脂粉末,形成一層具有一定厚度的堅(jiān)韌不滲透連續(xù)的絕緣層,可以隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸。使用這種鋼筋會(huì)使鋼筋與混凝土之間的粘合力降低35%,并且需要嚴(yán)格注意不得破壞涂層。

3)陰極保護(hù)法。陰極保護(hù)法有犧牲陽極和外加電流兩種方式:犧牲陽極的陰極保護(hù)法是采用電化學(xué)上比鋼更活潑,即電位更負(fù)的金屬作為陽極,與被保護(hù)的鋼筋相連接,以其本身的銹蝕提供自由電子來對(duì)鋼筋實(shí)施保護(hù)。該方法不需外部直接電流,施工簡(jiǎn)便不必經(jīng)常護(hù)理。但由于提供的電流有限,此法不適用于暴露于大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)中的保護(hù)。外加電流陰極保護(hù)法是采用外加電流使被保護(hù)鋼筋上所有陽極區(qū)均變成陰極區(qū)來對(duì)鋼筋進(jìn)行保護(hù)的方法。一般做法是在混凝土表面涂一層導(dǎo)電涂料或埋設(shè)導(dǎo)電材料與直流電流正極相連,形成新的電位差,使原鋼筋骨架轉(zhuǎn)化為陰極。

4)阻銹劑法。鋼筋阻銹劑是指加入混凝土中或涂刷在硬化混凝土表面,能阻止或減緩鋼筋腐蝕的化學(xué)物質(zhì)。一些能改善混凝土對(duì)鋼筋防護(hù)性能的添加劑或外涂保護(hù)劑(如硅灰、硅烷浸漬劑等)不屬于鋼筋阻銹劑范疇,鋼筋阻銹劑必須能直接阻止或延緩鋼筋銹蝕的電化學(xué)過程。鋼筋阻銹劑使用比較方便,無需專門維護(hù),且費(fèi)用比較低廉,為世界各國廣泛推廣采用。

2.2 提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的方法

長期的工程實(shí)踐與室內(nèi)研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個(gè)十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。

2.3 提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗化學(xué)侵蝕性的方法

一般硅粉減少滲透性的效果要大于強(qiáng)度的增加,特別在硅粉以小摻量摻入低強(qiáng)混凝土?xí)r更是如此。對(duì)于摻入一定量的硅粉的高性能混凝土,水膠比通常小于0.4,且有超細(xì)微粒填充,因此,摻入硅粉的高性能混凝土具有非常好的抗?jié)B能力。因?yàn)榧尤牍璺劭梢悦黠@地降低混凝土滲透性及減少游離的Ca(OH)2,從而提高了混凝土抗化學(xué)侵蝕能力。在混凝土中摻入硅粉,能減少Ca(OH)2含量,增加混凝土密實(shí)性,有效提高弱酸腐蝕能力,但在強(qiáng)酸或高深度的弱酸中不行,因混凝土中的C—S—H在酸中分解,另外,它還能抗鹽類腐蝕,尤其是對(duì)氯鹽及硫酸鹽類。

3 結(jié)語

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是多方面的,因此,工程中應(yīng)根據(jù)具體情況,有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施,提高混凝土的耐久性。只有這樣,混凝土結(jié)構(gòu)才會(huì)真正經(jīng)久耐用,才能夠更好地適應(yīng)我國現(xiàn)代化建設(shè)的需求。

[1]王勇飛,袁慶蓮,司炳艷.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究[J].中外建筑,1999(5):137-139.

[2]程依祖,王應(yīng)德.有效提高橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的材料——鋼筋阻銹劑[J].建筑施工,2006,28(9):32.

[3]黃政宇.土木工程材料[M].北京:高等教育出版社,2002:12.

[4]GB 50119-2003,混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[5]李金玉,曹建國.混凝土凍融破壞機(jī)理的研究[J].水利學(xué)報(bào),1999(1):37-39.

[6]肖前慧,牛荻濤,趙 陽,等.凍融環(huán)境下引氣混凝土力學(xué)性能研究[J].混凝土,2007(6):24-25.

[7]程 娟,郭向陽.碳化混凝土再堿化影響因素及其耐久性研究[J].新型建筑材料,2009(4):28-29.