混凝土損傷成因及預防措施研究

李如林，馮 雷

（1.河北建研科技有限公司，石家莊 050021；2.河北省安裝工程公司第二分公司，唐山 063000）

0 引言

混凝土材料是目前應用最廣泛的土木工程材料之一，它是由膠凝材料、粗細骨料、外加劑和水按一定比例配制，經(jīng)攪拌振搗成型，在一定條件下養(yǎng)護而成的人工石材。它是由復雜的多相多孔體系組成，在這個體系中，固相由晶體，非晶體，膠體組成；液相由化合水，晶體水，自由水，層間水組成；氣相由氣泡和空隙組成。由于混凝土具有所用原材料豐富、生產(chǎn)工藝簡單、強度等級范圍寬等特點，因而使其用量越來越大?；炷恋氖褂眠^程是具有耐久性要求的，但隨著時間的推移，受到外界環(huán)境侵蝕等多種客觀因素的影響，混凝土將會發(fā)生老化及損傷，一旦混凝土結構發(fā)生損傷，將不會自動恢復，且損傷積累到一定的程度，將會導致混凝土結構構件的承載能力下降，甚至造成安全事故的發(fā)生。因此研究混凝土損傷成因及預防措施，為避免或減少混凝土損傷提供理論基礎，有利于提高混凝土的耐久性能。

1 混凝土損傷定義及檢測方法

1.1 混凝土損傷的定義

混凝土損傷是指混凝土在使用過程中因荷載、濕度、溫度、周圍介質(zhì)等的作用，使混凝土的微細結構發(fā)生變化而形成微缺陷，微缺陷經(jīng)孕育、擴展和匯合，逐漸導致混凝土力學性能的降低，最終造成混凝土的破壞。從連續(xù)介質(zhì)力學的觀點來看，混凝土損傷又被認為是混凝土內(nèi)部微細結構發(fā)生的一種不可逆的、逐漸耗能的演變過程［1］。

1.2 混凝土損傷的檢測方法

直接測試法：滲透X 光觀測技術、CT（斷層掃描）技術、掃描電鏡結合復印技術、核磁共振技術。

間接測試法：通過測試混凝土的某種物理量和材料力學性能的變化來描述損傷的狀態(tài)和損傷的發(fā)展程度，如依據(jù)電阻、聲速等物理量的變化，或依據(jù)剛度、強度、塑性變形、疲勞極限、剩余壽命等材料力學性能的變化來描述和間接判斷混凝土的損傷程度［2］。

2 混凝土損傷成因分析

混凝土損傷按損傷的分布分為結構損傷和表面損傷。

2.1 結構損傷

結構損傷成因包括外力作用、環(huán)境作用和周圍介質(zhì)的作用。

2.1.1 外力作用

在混凝土硬化過程中膠凝材料與骨料可形成良好的黏結，但也有薄弱過渡區(qū)的存在，并且由于膠凝材料與骨料彈性模量不同，環(huán)境溫濕度變化引起的變形也各不相同，因而在膠凝材料與骨料的界面上容易造成應力集中，當其集中應力超過界面的承受能力時，就產(chǎn)生許多微細裂縫?；炷猎谕饬ψ饔孟碌淖冃闻c破壞的實質(zhì)就是這些微細裂縫的引發(fā)、擴展、匯合，逐步擴大直至損傷的結果?；炷两缑鎿p傷見圖1，從圖中可以看出絕大部分裂縫出現(xiàn)在膠凝材料與骨料的薄弱過渡區(qū)界面上。這就是最常見的混凝土界面破壞，即骨料與水泥石分離造成的混凝土損傷［3］。

圖1 混凝土界面損傷圖

2.1.2 環(huán)境作用

環(huán)境作用對混凝土損傷的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境濕度變化和環(huán)境溫度變化兩方面。環(huán)境濕度變化會引起混凝土中水泥的膨脹或收縮變形，對骨料影響一般不大，因為在水飽和狀態(tài)與干燥狀態(tài)下骨料的尺寸幾乎沒有變化。同時，骨料可以承受混凝土由于濕度變化產(chǎn)生的應力，并對減弱應力集中是有促進作用的。環(huán)境溫度變化對混凝土結構損傷影響較大，主要體現(xiàn)在骨料和水泥的溫度線膨脹系數(shù)有所不同，當溫度變化時，在水泥與骨料之間的界面上會產(chǎn)生較大的應力，當應力超過界面承受能力時就會產(chǎn)生損傷。一般來說當溫度大于100℃時自由水蒸發(fā)，溫度在200～300 ℃時結合水蒸發(fā)；溫度大于300 ℃時化合水蒸發(fā)，強度開始損失；溫度大于600℃時結構自損；當溫度大于800℃時碎石彈射，爆裂出來［4］。火災后混凝土損傷見圖2。

圖2 火災后混凝土損傷圖片

2.1.3 周圍介質(zhì)的作用

周圍介質(zhì)的侵蝕作用引起混凝土的某些性質(zhì)發(fā)生改變。一般從氣孔率高、抗?jié)B透性能差、對周圍介質(zhì)變化較敏感的水泥開始發(fā)生變化，但有時周圍介質(zhì)變化也能觸及骨料并作用于骨料的外表面。受周圍介質(zhì)作用時，如果引起骨料顆粒的體積變化或水泥性質(zhì)的劣化，對混凝土性能的影響是最大的。周圍介質(zhì)的影響有的來自混凝土內(nèi)部，如水泥的液相作用，水泥中的氫氧化鈣、氫氧化鈉、堿金屬碳酸鹽等對混凝土具有侵蝕作用；也有來自混凝土的外部，如外部酸性氣體、液體的侵蝕等。水泥的堿性介質(zhì)能改變骨料的表面性質(zhì)，降低混凝土結構組分之間的黏結性能，在內(nèi)壓力作用下使骨料與水泥分離，從而導致混凝土損傷破壞。

2.2 表面損傷

表面損傷成因包括富漿層薄弱區(qū)、碳化反應、磨損等。

2.2.1 富漿層薄弱區(qū)

混凝土上表面由于骨料密度大于砂漿密度，所以靜置時骨料下沉，形成富水泥砂漿層，富水泥砂漿層骨料少、水灰比大、導致強度低、濕度下降較大、受環(huán)境影響大，很難通過人工控制。所以，這一層混凝土容易產(chǎn)生凍融破壞，屬于混凝土的損傷薄弱區(qū)。

2.2.2 碳化反應

混凝土結構的碳化是混凝土受到的一種化學腐蝕。碳化反應的機理是混凝土中的水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，隨著空氣中的二氧化碳滲透到混凝土內(nèi)，發(fā)生化學反應生成碳酸鈣和水，使混凝土堿度降低。混凝土碳化反應一般不會直接引起混凝土性能的劣化，并且素混凝土碳化反應還對耐久性的提高有促進作用，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土中的堿度降低，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而導致混凝土對鋼筋的保護作用減弱，最終導致混凝土結構的損傷。

3 混凝土損傷預防措施

3.1 混凝土結構損傷預防

（1）完善設計過程，嚴防混凝土超荷服役

荷載作用是造成結構損傷發(fā)展乃至破壞的主要原因之一，因此要在設計中使結構平面簡單、規(guī)則，質(zhì)量、剛度和承載力分布均勻，避免或減少形成結構中的薄弱部位，進而避免薄弱部位混凝土的損傷。設計過程要嚴加審核，最大程度地保證設計成果的可靠性，嚴防混凝土超荷服役狀況的發(fā)生。

（2）保證原材料質(zhì)量，合理選擇混凝土外加劑

合格的原材料是混凝土質(zhì)量的保證，嚴格做好原材料的管理工作。游離氧化鈣超標、安定性不良及強度不合格的水泥應禁止使用；對于原材料中堿的含量要嚴格控制，防止堿骨料反應；嚴控原材料中氯離子含量，防止混凝土結構受到氯離子的化學侵蝕。在混凝土配合比設計中摻入引氣劑，使混凝土內(nèi)部形成互不連通的微細氣孔，減小混凝土受凍初期的靜水壓力，使混凝土的抗凍耐久性明顯提高，也可有效地減少混凝土的結構損傷。

（3）保證施工質(zhì)量，控制使用環(huán)境

在施工過程中要嚴格控制溫度，減輕溫度應力；在混凝土配合比設計中采用改善骨料級配，摻加礦物摻合料、摻加高效減水劑等措施，減少混凝土中的水泥用量；炎熱季節(jié)拌合混凝土時用冷水將碎石冷卻，以降低混凝土的澆筑溫度；大體積混凝土澆筑時分層澆筑以減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；在混凝土內(nèi)埋設水管，通入冷水降溫；寒冷季節(jié)拌合混凝土時要規(guī)定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫措施，避免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度變化。

3.2 混凝土表面損傷預防

（1）表面改性法：通過在混凝土表面涂刷滲透結晶性混凝土保護劑，使表面混凝土由親水性變?yōu)樵魉裕瑥亩档蜐B透壓，可有效預防混凝土表面損傷。

（2）物理處理法：混凝土上表面富漿層通過表面碾壓使表面水析出，有效提高表面混凝土密實性。

（3）結構方法：混凝土結構在使用預應力技術后，可使構件表面混凝土減少或不受拉應力，有效避免表面混凝土裂縫的產(chǎn)生。

4 結論

造成混凝土損傷的因素往往不是單一的，而是幾種因素共同作用的結果，混凝土損傷的表現(xiàn)形式也是千差萬別的。因此，對于混凝土損傷狀況的檢測、評估、成因分析必須全面考慮引起混凝土損傷的各種可能因素，才能科學準確地制定混凝土損傷的預防措施，為保障混凝土正常使用提供理論基礎。

［1］ 封伯昊，張立翔.混凝土損傷研究綜述［J］.昆明理工大學學報，2001，26（3）：21－30.

［2］ 何建濤，馬懷發(fā).混凝土損傷本構理論研究綜述［J］.水利水電科技進展，2010，30（3）：89－93.

［3］ 朱淑艷.混凝土結構損傷的因素及預防措施［J］.黑龍江科技信息，2011，（4）：306.

［4］ 周國勇.火災建筑物混凝土損傷鑒定方法與原理［C］.／／2011年混凝土與水泥制品學術討論會文集.2011：33－36.