建筑混凝土耐久性的預(yù)測(cè)與影響因素探討

王 暉

混凝土在大壩、橋梁、公路、鐵路、隧道、海港、碼頭、機(jī)場(chǎng)、地鐵、工業(yè)及民用建筑等方面均獲得日益廣泛的應(yīng)用?；炷聊途眯允侵富炷猎趯?shí)際使用條件下抵抗各種環(huán)境因素作用,長(zhǎng)期保持完整性和使用性的能力。長(zhǎng)期以來(lái),人們一直以為混凝土是一種耐久性?xún)?yōu)良的材料,但隨著時(shí)間的推移,混凝土因耐久性不足而過(guò)早破壞的工程實(shí)例屢見(jiàn)不鮮。

我國(guó)正在進(jìn)行空前規(guī)模的土木工程建設(shè),混凝土用量連續(xù)多年來(lái)處于世界第一位?；炷恋哪途眯允俏覈?guó)面臨的重大而迫切的問(wèn)題之一。同時(shí),我國(guó)大量已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命、過(guò)早破壞的問(wèn)題也突顯出來(lái),這是需要我們認(rèn)真對(duì)待的。

混凝土耐久性研究,涉及到廣泛的技術(shù)、學(xué)術(shù)領(lǐng)域,其中,相關(guān)壽命預(yù)測(cè)的課題成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。壽命預(yù)測(cè)的必要性與重要性是不言而喻的。新建工程的設(shè)計(jì)階段,就需要以壽命預(yù)測(cè)作基礎(chǔ),這種預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度越高,該工程的壽命保障的可靠性就越大(反之也成立)。而對(duì)于已有工程,何時(shí)需要修復(fù)、修復(fù)后的耐久性如何等,也是需要預(yù)測(cè)的。在預(yù)測(cè)的同時(shí),關(guān)于影響建筑混凝土耐久性的因素也是研究的重點(diǎn)。

1 腐蝕與混凝土耐久性的預(yù)測(cè)

目前,世界上公布的混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)“模型”已經(jīng)有不少,更多的研究正在進(jìn)行中。研究最多的“模型”是與腐蝕相關(guān),特別是有關(guān)鋼筋腐蝕與混凝土耐久性關(guān)系的“模型”的研究,是最普遍和深入的。目前,進(jìn)入工程使用的“模型”,多以氯離子引起鋼筋腐蝕為出發(fā)點(diǎn)。目前,“模型”研究雖然取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,但從工程使用的角度看,仍然是“初步的”。各類(lèi)“模型”的可靠性有很多差別,關(guān)鍵是大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與積累。僅有少量試驗(yàn)室數(shù)據(jù)或靠“假設(shè)”所建立起來(lái)的“模型”是很少有使用價(jià)值的。

1.1 “模型”的發(fā)展過(guò)程及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外對(duì)以基礎(chǔ)設(shè)施為主的混凝土結(jié)構(gòu),提出50年～100年的使用年限要求(如跨江、跨海大橋、重要場(chǎng)館等),有些要求年限更長(zhǎng)(如水電、核電站等)。在氯鹽環(huán)境下(海洋環(huán)境、使用化冰鹽),實(shí)踐證明,達(dá)到所期望的使用年限并不是容易的。首先必須從設(shè)計(jì)者做起(設(shè)計(jì)階段就考慮到耐久性問(wèn)題與選擇保障措施)。而壽命預(yù)測(cè)“模型”是設(shè)計(jì)者的幫手和依靠工具?！澳Ｐ汀钡牡谝还δ苁菐椭_立“壽命期”(或修復(fù)期);第二功能與任務(wù)是優(yōu)選延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命的措施。第二點(diǎn)應(yīng)該著重強(qiáng)調(diào),因?yàn)樗藢?shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的許多具體技術(shù)措施,如混凝土方面,包括水泥品種、水灰比、混凝土層厚,摻加硅粉、粉煤灰、阻銹劑等(高性能混凝土);鋼筋方面包括普通鋼筋、耐蝕鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、非金屬鋼筋等;還有混凝土外涂層、陰極保護(hù)等。有些技術(shù)可以達(dá)到100年以上的壽命,但還有經(jīng)濟(jì)可行性問(wèn)題,能源、資源問(wèn)題等。這就需要預(yù)測(cè)、優(yōu)選,從而確認(rèn)初始防護(hù)措施、最優(yōu)修復(fù)時(shí)機(jī)與方法等,最終達(dá)到在結(jié)構(gòu)使用壽命期內(nèi)總花費(fèi)最少的目的(保證壽命前提下技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理)。因此,壽命預(yù)測(cè)“模型”的最終任務(wù)是幫助實(shí)現(xiàn)“全壽命經(jīng)濟(jì)分析”。

1.2 主要的研究應(yīng)用

壽命預(yù)測(cè)“模型”科學(xué)還處在初始階段。許多年前主要靠經(jīng)驗(yàn),而后采用菲克第二定律,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定擴(kuò)散系數(shù),發(fā)展到采用計(jì)算機(jī)技術(shù),建立耐久性模型(DURIMODEL)作為腐蝕破壞的評(píng)估工具。美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家,已經(jīng)有一些“模型”可供應(yīng)用(多以氯鹽和臨水環(huán)境為主)。美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)(ACI)與幾個(gè)單位聯(lián)合,于1990年發(fā)展了Life365的早期模型。后經(jīng)多次修正、補(bǔ)充,現(xiàn)已經(jīng)廣泛推薦用于氯鹽環(huán)境的混凝土壽命預(yù)測(cè)。然而,此方法僅限于單一的擴(kuò)散機(jī)理。最近幾年,歐洲也發(fā)展了壽命預(yù)測(cè)模型,但也多是對(duì)腐蝕方面的預(yù)測(cè)。近期,美國(guó)海軍推出了新的模型(SUMMA),可適用于新、老結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)。所有防護(hù)技術(shù)都包括在模型內(nèi),還包括修復(fù)、防護(hù)技術(shù)。但使用者必須正確選擇可變化因素,如混凝土配比、混凝土層厚、阻銹劑、各類(lèi)鋼筋、外涂層等。通過(guò)優(yōu)選對(duì)比,得到給定壽命前提下的不同經(jīng)濟(jì)成本的比較,從中確定最低成本(或者最低維護(hù)成本者)。復(fù)合型“模型”較之“單一型”有了突破性進(jìn)展。

2 影響混凝土耐久性的主要因素及分析

2.1 耐久性的影響因素

混凝土是一種非均勻的多孔材料,在外界侵蝕性介質(zhì)如二氧化碳、水、氯離子、硫酸鹽等的侵蝕作用下,會(huì)加速破壞,耐久性下降,使用壽命大大縮短。導(dǎo)致混凝土耐久性下降的因素主要分為物理作用和化學(xué)作用兩個(gè)方面。物理作用包括:凍融、干濕和高溫作用?；瘜W(xué)作用包括:硫酸鹽侵蝕、酸堿侵蝕、金屬腐蝕、溶解與析晶、碳化、收縮和堿集料反應(yīng)。從工程實(shí)踐上看,混凝土的耐久性破壞常常是物理和化學(xué)綜合作用的結(jié)果,而且導(dǎo)致混凝土耐久性下降的物理和化學(xué)作用都與氣體、水及其溶解的有害物質(zhì)從混凝土表面進(jìn)入混凝土內(nèi)部的滲透過(guò)程相關(guān)。因此,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的裂縫和連通孔隙等缺陷是影響混凝土耐久性最關(guān)鍵的因素。因此要提高混凝土的耐久性,提高其抵抗外界環(huán)境的能力,必須從改善混凝土自身結(jié)構(gòu)缺陷入手。要改善混凝土自身結(jié)構(gòu)缺陷,則需減少混凝土凝結(jié)過(guò)程的泌水量;減少混凝土坍落度損失;增大混凝土密實(shí)度;增強(qiáng)水化產(chǎn)物的強(qiáng)度;降低混凝土彈性模量;削弱水泥水化放熱峰的強(qiáng)度;推遲水泥水化放熱最高峰出現(xiàn)的時(shí)間等。

2.2 外加劑對(duì)混凝土耐久性的影響

2.2.1 減水劑對(duì)混凝土耐久性的負(fù)面影響

熊大玉等認(rèn)為摻加萘系減水劑和三聚氰胺系減水劑的新拌混凝土坍落度損失較大,混凝土發(fā)粘,易產(chǎn)生離析泌水,在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中形成連通通道和孔隙結(jié)構(gòu)。在大體積混凝土施工中,摻加萘系減水劑加速了水泥水化放熱速率,導(dǎo)致水泥水化熱短時(shí)間放出,大大增加混凝土溫度梯度和收縮變形,內(nèi)部拉應(yīng)力增大導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,從而對(duì)混凝土抗?jié)B性等耐久性能產(chǎn)生不利的影響。Mohammed TU對(duì)摻入松香系引氣劑AEA、木素磺酸鹽系減水劑WRA、萘系、三聚氰胺系、聚羧酸鹽系、氨基磺酸鹽系高效減水劑以及乙二醇醚系減縮劑的混凝土進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10年的抗海水侵蝕試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明摻入聚羧酸鹽系高效減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展及抗氯化物腐蝕性能較差。

2.2.2 減水劑對(duì)混凝土耐久性的正面影響

Kenntht研究表明,高效減水劑通過(guò)降低混凝土水灰比,減少硬化混凝土孔隙率,提高混凝土密實(shí)度,并可降低混凝土中界面區(qū)的結(jié)晶水化物取向度,改善界面區(qū)結(jié)構(gòu),提高混凝土耐久性。隨著世界石油資源的逐漸枯竭,不少新型非萘系高效減水劑得到了廣泛的研究并獲得良好的性能和應(yīng)用。具有分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的改性木素磺酸鹽高效減水劑GCL1-3A不易隨水化的進(jìn)行而脫離顆粒表面,使水和水泥顆粒都暫時(shí)固定在一定的空間,保坍性能良好,有效降低新拌砂漿的游離水,保水性能優(yōu)良。

綜上所述,大部分研究認(rèn)為高效減水劑通過(guò)減水分散作用減少混凝土拌和用水量,賦予混凝土優(yōu)異的施工性能和高密實(shí)度,并通過(guò)改善水泥水化結(jié)晶產(chǎn)物的含量、結(jié)構(gòu)、形貌等提高混凝土的耐久性能;使用減水劑不但是提高混凝土力學(xué)性能的最廣泛使用的方法,也是提高混凝土耐久性便利可行的方法之一。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土耐久性是足以影響國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的大問(wèn)題,已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的重視。腐蝕,特別是鋼筋腐蝕是影響混凝土耐久性的第一位因素。在世界范圍內(nèi),以氯鹽腐蝕為主的混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)和“模型”的創(chuàng)建已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展?？捎眯浴澳Ｐ汀钡墓δ苁蔷薮蟮?又是“全壽命經(jīng)濟(jì)分析”的基礎(chǔ)與依據(jù),國(guó)內(nèi)外“模型熱”是自然趨勢(shì)。在對(duì)混凝土耐久性預(yù)測(cè)的同時(shí),研究影響其耐久性的因素,針對(duì)影響因素采取合適的防范措施,建立合理的耐久性壽命預(yù)測(cè)和“模型”,是當(dāng)代科技工作者的研究重點(diǎn)。

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