西北地區(qū)侵蝕環(huán)境對(duì)混凝土耐久性的影響

吳聲宏（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建筑工程科學(xué)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊830054）

2009年11月，作為基礎(chǔ)設(shè)施的世界最長(zhǎng)的高鐵—蘭新鐵路正式開工。甘肅、新疆地處內(nèi)陸地區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)受到自然地理環(huán)境影響，地表廣泛分布著鹽漬土，使混凝土構(gòu)筑物不同程度上受到氯鹽和化學(xué)侵蝕，這些侵蝕的發(fā)生嚴(yán)重的影響混凝土構(gòu)筑物的使用壽命，也就是說(shuō)降低了混凝土構(gòu)筑物的耐久性。有效的保護(hù)和延長(zhǎng)混凝土構(gòu)筑物的使用壽命，提高混凝土抵抗環(huán)境侵蝕能力已成為一個(gè)新課題。

1 侵蝕的種類

1.1 化學(xué)侵蝕環(huán)境

化學(xué)侵蝕主要是硫酸鹽侵蝕、鹽類結(jié)晶侵蝕、酸性侵蝕、二氧化碳侵蝕、鎂鹽侵蝕。新疆的化學(xué)侵蝕主要是在鹽漬土壤環(huán)境中存在大量的Ca2+、Mg2+、SO42-等離子形成堿式鹽。主要的侵蝕物是硫酸鹽對(duì)混凝土的破壞，硫酸鹽對(duì)硬化水泥的腐蝕屬于膨脹性腐蝕，在侵蝕過(guò)程的初始階段，由于硫酸鹽在混凝土空隙中逐漸形成積聚，從而使混凝土的相對(duì)密度和強(qiáng)度有所增加，當(dāng)混凝土中的孔隙和毛細(xì)孔中的結(jié)晶體繼續(xù)增長(zhǎng)而明顯膨脹的時(shí)候，如石膏（2H2o.CaSO4）的結(jié)晶,特別是含有32個(gè)結(jié)晶水的水化硫鋁酸鈣生成時(shí)體積迅速膨脹，隨時(shí)間的增長(zhǎng)在混凝土中的孔隙形成膨脹破壞，混凝土構(gòu)造物的強(qiáng)度隨之迅速下降，就是俗稱的“鹽脹破壞”。 如奎屯河電站老龍口附近的一座蓋板涵（已廢棄），始建于上世紀(jì)70年代中期，周圍環(huán)境水中SO42-含量高達(dá)6800mg/L，受環(huán)境介質(zhì)的影響，侵蝕程度嚴(yán)重，其中侵蝕最嚴(yán)重的地方是自地面起向上380mm的“吸附區(qū)”，涵洞混凝土表面水泥砂漿嚴(yán)重剝蝕，粗骨料外露。周邊預(yù)制混凝土涵管同樣侵蝕程度嚴(yán)重，侵蝕剝離深度深及保護(hù)層，部分吸附區(qū)保護(hù)層已不見(jiàn)，鋼筋明顯外露銹蝕嚴(yán)重。其次受腐蝕嚴(yán)重的是“土壤區(qū)”，涵洞進(jìn)出口混凝土能夠明顯可見(jiàn)粗骨料周圍的白色鹽類結(jié)晶體，涵洞管節(jié)有大量順筋裂縫，受腐蝕相對(duì)較輕的是“大氣區(qū)”，混凝土表面未見(jiàn)有剝落現(xiàn)象。侵蝕破壞過(guò)程就是一個(gè)典型的鹽脹破壞，混凝土構(gòu)造物與含硫酸鹽的土壤接觸，通過(guò)毛細(xì)作用，地下水?dāng)y溶液沿毛細(xì)管上升至混凝土迎風(fēng)面，水分蒸發(fā)，溶液達(dá)到飽和在毛細(xì)管中結(jié)晶析出，一方面溶液濃度變大，達(dá)到飽和加速化學(xué)侵蝕反應(yīng)；另一方面，因結(jié)晶鹽析出產(chǎn)生結(jié)晶壓力，特別是某些含結(jié)晶水較多的鹽類，由于環(huán)境溫度變化溶解度也隨之改變，由溶液向晶體變化過(guò)程中體積顯著增大，而產(chǎn)生巨大的膨脹力量，在物理與化學(xué)雙重作用下加速了混凝土構(gòu)筑物的破壞。

表1 化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)的劃分

1.2 氯鹽環(huán)境的侵蝕

試驗(yàn)表明：當(dāng)混凝土中的CaO含量損失30%時(shí)混凝土的強(qiáng)度將喪失，混凝土結(jié)構(gòu)也就被破壞?；炷帘３址€(wěn)定的堿性環(huán)境使得鋼筋表面形成一層鈍化膜，這層致密的鈍化膜有效地保護(hù)了鋼筋免受腐蝕。CL-是極強(qiáng)的去鈍化劑，當(dāng)CL-進(jìn)入混凝土中并達(dá)到鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時(shí)，使該處的PH值迅速降低。當(dāng)PH值＜11.5時(shí)，鈍化膜就開始不穩(wěn)定，當(dāng)PH值＜9.88時(shí)，鈍化膜生成困難或已經(jīng)生成的鈍化膜逐漸被破壞。CL-的局部酸化作用，可使鋼筋表面PH值降低到4以下（酸性），于是該處的鈍化膜就被破壞了，使鋼筋暴露于腐蝕環(huán)境中。若嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象發(fā)展到整個(gè)構(gòu)件之后，混凝土就會(huì)出現(xiàn)順筋開裂保護(hù)層剝落的破壞現(xiàn)象。

2 侵蝕的防護(hù)

2.1 構(gòu)造措施

1）混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造應(yīng)有利于減輕環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，有利于避免水、水汽和有害物質(zhì)在混凝土表面的積聚，便于施工時(shí)混凝土的搗固和養(yǎng)護(hù)。

2）混凝土結(jié)構(gòu)表面應(yīng)設(shè)置可靠的防、排水等構(gòu)造措施，必要時(shí)可采用換填土、降低地下水位及設(shè)防護(hù)層等工程措施，防止水和有害物質(zhì)接觸混凝土表面。結(jié)構(gòu)的各種接縫應(yīng)盡量避開最不利環(huán)境作用的部位。

3）對(duì)于侵蝕環(huán)境較嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)考慮暴露面上混凝土的可能剝蝕對(duì)構(gòu)建（特別是薄壁構(gòu)件）承載力的損害，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加混凝土的厚度。

4）鋼筋混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)滿足國(guó)家現(xiàn)行各行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

5）橋梁端部應(yīng)采取有效的構(gòu)造措施防止污水回流污染支座和梁端表面。封錨混凝土應(yīng)采用水泥基聚合物混凝土，混凝土的水膠比應(yīng)不大于本體混凝土的相應(yīng)值，并采取可靠的防護(hù)措施，以防止環(huán)境水和其它有害介質(zhì)滲入接縫。

2.2 原材料的選擇

1）水泥

試驗(yàn)證明：早強(qiáng)水泥在混凝土成型后14天后強(qiáng)度幾乎不再增長(zhǎng)，后期強(qiáng)度還有可能倒縮。其中水泥中的C3A在3天的水化熱是C3S的3.7倍，C2S的17.7倍；C3A在3天的收縮率是C3S和C2S的3倍，而環(huán)境中化學(xué)侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土的侵蝕對(duì)象主要是C3A和硅酸鹽礦物水化物中的Ca(OH)2。為控制堿-骨料反應(yīng)，應(yīng)采用低堿水泥，既水泥中的堿含量不應(yīng)超過(guò)0.6%。根據(jù)侵蝕的類別及侵蝕程度，若侵蝕環(huán)境為硫酸鹽化學(xué)侵蝕環(huán)境，可用抗硫酸鹽水泥。

2）骨料

對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性而言，骨料本身質(zhì)量的好壞起著決定性的作用。骨料除自身強(qiáng)度外還有含泥量、粒形、級(jí)配等因素。吸水率大的骨料拌制的混凝土?xí)休^大的收縮，影響混凝土的抗裂性。與卵石相比，碎石、碎卵石混凝土的骨料與漿體的界面結(jié)合得較好，抗裂性也就好。試驗(yàn)表明，粗骨料最大粒徑較小時(shí)混凝土的抗?jié)B性也相應(yīng)提高。

⑴細(xì)骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂，也可選用專門機(jī)組生產(chǎn)的人工砂，不得使用海砂。細(xì)骨料的堿活性應(yīng)采用砂漿棒法進(jìn)行檢驗(yàn)，且細(xì)骨料的砂漿棒膨脹率應(yīng)小于0.10%，否則應(yīng)按要求采取抑制堿—骨料反應(yīng)的技術(shù)措施。

⑵粗骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、粒形良好、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、線脹系數(shù)小的潔凈碎石或碎卵石，最大公稱粒徑不宜超過(guò)鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度的2/3，在嚴(yán)重侵蝕環(huán)境下不宜超過(guò)鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度的1/2，且不得超過(guò)鋼筋最小間距的3/4。同時(shí)配制混凝土?xí)r應(yīng)采用二級(jí)或多級(jí)級(jí)配，其松散堆積密度應(yīng)大于1500kg/m3，緊密空隙率應(yīng)小于40%。其堿活性檢驗(yàn)應(yīng)首先用巖相法檢驗(yàn)，若含有堿—硅酸鹽反應(yīng)活性礦物，那么砂漿棒膨脹率應(yīng)小于0.10%，否則應(yīng)按要求采取抑制堿—骨料反應(yīng)的技術(shù)措施，不得使用具有堿—碳酸鹽反應(yīng)活性的骨料。

3）摻合料

粉煤灰、礦渣微粉、硅粉作為膠凝材料摻入，不僅提高了混凝土的密實(shí)性和抗裂性，減少了混凝土的孔隙率，有效阻止了氯離子、硫酸根離子等有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部。需水量低的礦物摻合料如：粉煤灰能改善混凝土工作性能、降低水化熱作用，有效地減少了溫度裂縫。摻用大量的礦物摻和料，減小了混凝土中的總堿含量，對(duì)抑制混凝土堿-骨料反應(yīng)和抵抗硫酸鹽侵蝕有著明顯的作用。

硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥不宜單獨(dú)作為膠凝材料，用來(lái)配制暴露于環(huán)境PH 值小于5.5有氯鹽侵蝕環(huán)境的混凝土，應(yīng)該考慮大量摻用礦物摻和料。試驗(yàn)顯示：對(duì)于氯鹽侵蝕環(huán)境在L3環(huán)境下，單摻粉煤灰摻量不宜小于30%，單摻礦渣微粉的摻量不宜小于50%，且雙參效果更佳，如粉煤灰加硅粉或粉煤灰加礦渣微粉。

4）外加劑

由于聚羧酸減水劑堿含量、CL-含量較小，減水效果較好，又可根據(jù)混凝土所處部位適當(dāng)調(diào)整外加劑中的引起成分，是一種減水、引氣效果較佳的復(fù)合型外加劑。聚羧酸減水劑含有一定的引氣成份，能在混凝土中產(chǎn)生大量的有效密閉微小氣泡，均布于混凝土中，有效阻斷了混凝土中連通的毛細(xì)通路，降低了毛細(xì)水的滲透作用，并起到吸收緩沖因內(nèi)部化學(xué)侵蝕及凍融引起的膨脹壓力作用，顯示出了優(yōu)異的抗侵蝕性能，但同時(shí)也會(huì)影響到混凝土抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)表明：含氣量每增加1%抗壓強(qiáng)度損失3%~5%，但是抗折強(qiáng)度卻有所提高?；炷梁瑲饬繛?%~5%時(shí)的折壓比，比沒(méi)有摻聚羧酸減水劑的普通混凝土提高約10%~20%。折壓比反映了混凝土的韌性，同時(shí)也能反映出混凝土的耐久性。

聚羧酸減水劑有效的降低了混凝土拌和用水量，減小了水膠比，也就是減少了混凝土中未參加水化的自由水的數(shù)量，相應(yīng)的就減少了自由水留在混凝土中的孔隙數(shù)量，同時(shí)也提高了混凝土的強(qiáng)度，彌補(bǔ)了因引氣作用而帶來(lái)的強(qiáng)度損失。由此可見(jiàn)聚羧酸減水劑在混凝土工程中使用將會(huì)大大提高混凝土的抗侵蝕能力，提高混凝土的耐久性。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)混凝土耐久性要求的提高，強(qiáng)度已不僅僅是判定混凝土合格與否的唯一性指標(biāo)，如何提高混凝土的耐久性，提高混凝土抵抗環(huán)境侵蝕能力已成為一個(gè)新課題，而環(huán)境侵蝕是一個(gè)多方面作用的結(jié)果，因此抵抗環(huán)境侵蝕也是一個(gè)系統(tǒng)的工程，應(yīng)該從設(shè)計(jì)、原材料、配合比及施工工藝各方面入手才能有效地抵抗環(huán)境侵蝕，提高混凝土的耐久性。

[1]混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南

[2]鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定