對普通混凝土耐久性的探討

陳振安

廈門市政工程公司（361000）

對普通混凝土耐久性的探討

陳振安

廈門市政工程公司（361000）

近年來，普通混凝土耐久性的研究是世界范圍的一個熱點(diǎn)，并取得了巨大成就。普通混凝土耐久性的設(shè)計(jì)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的制定與執(zhí)行，是擺在學(xué)術(shù)界和工程界一個迫在眉睫的任務(wù)。這里結(jié)合混凝土耐久性的現(xiàn)狀，對影響混凝土的耐久性的一系列原因展開了分析，并提出了相應(yīng)的改善措施。

混凝土;耐久性;高性能化

美國混凝土學(xué)會(American Concrete Institute)把普通硅酸鹽水泥混凝土的耐久性定義為混凝土對大氣侵蝕、化學(xué)侵蝕、磨耗或任何其他劣化過程的抵抗能力；也就是說耐久的混凝土暴露于服役環(huán)境中能保持其原有的形狀、質(zhì)量和功能?；炷恋哪途眯园?jié)B性、抗凍性、抗硫酸鹽腐蝕性、抗碳化性和抗堿骨料反應(yīng)性、抗混凝土劣化性等。本文主要對抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性提出一些探討觀點(diǎn)。

1 混凝土的耐久性

1.1 混凝土耐久性的含義

混凝土耐久性是指在外部和內(nèi)部不利因素的長期作用下，保持其原有使用功能和設(shè)計(jì)要求的性質(zhì)，是混凝土經(jīng)久耐用的重要指標(biāo)。

1.2 影響混凝土耐久性的因素

影響的因素可以分為兩類，即內(nèi)部因素與外部因素。

1）內(nèi)部因素:混凝土結(jié)構(gòu)承受外界環(huán)境的能力、設(shè)計(jì)的形狀和結(jié)構(gòu)、水泥的類型和骨料的選擇、添加劑的品種、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土澆筑的水灰比和養(yǎng)護(hù)施工技術(shù)等多種因素決定。

2）外部因素:指的是酸性溶液、堿性溶液和鹽的腐蝕作用，包括水壓力的滲透作用、一氧化碳對混凝土的碳化作用、冬季結(jié)冰對混凝土的破壞作用和干濕交替引起的風(fēng)化作用。外部因素與內(nèi)部因素緊密聯(lián)系，并且內(nèi)部因素對外部因素起控制作用。

2 普通混凝土耐久性的綜合評價(jià)指標(biāo)

通常用混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性、抗腐蝕性綜合評價(jià)混凝土的耐久性。下面就這些評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行簡要介紹:

2.1 普通混凝土的抗?jié)B性

混凝土的抗?jié)B性是指抵抗壓力液體(油、水等溶液)滲透作用的能力?？?jié)B性是決定混凝土耐久性最主要的技術(shù)指標(biāo)，也是研究混凝土耐久性必不可少的要考慮的最主要因素。

混凝土抗?jié)B性的提高措施主要有骨料的含泥量和砂粒級配、施工的養(yǎng)護(hù)條件、施工質(zhì)量水平、水灰比的大小、水泥的用量。這些措施的改善主要使混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度增加，孔隙率減小，從而提高混凝土的耐久性。除了這些因素外，在工程上還通過加入一些外加劑來提高混凝土的耐久性，例如摻入引氣劑、減水劑等。

2.2 普通混凝土的抗凍性

混凝土的抗凍性是指混凝土在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性能。

提高混凝土的抗凍性，關(guān)鍵是提高混凝土的密實(shí)性，即降低水灰比，加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，提高混凝土的強(qiáng)度，也可摻入引氣劑等改善孔結(jié)構(gòu)。

2.3 普通混凝土的抗碳化性能

混凝土的碳化是指混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物Ca(OH)2與空氣中的CO2在一定溫度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3和H20的過程。反應(yīng)式如下:

提高混凝土抗碳化性的關(guān)鍵是提高混凝土的密實(shí)性，降低孔隙率，阻止CO2向混凝土內(nèi)部滲透。碳化部分的混凝土容易引起表面出現(xiàn)裂縫和剝落，促使混凝土鋼筋更進(jìn)一步腐蝕,使結(jié)構(gòu)失去抵抗力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。

2.4 混凝土的堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)是指混凝土內(nèi)水泥中所含的堿,與骨料中的SiO2活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在骨料表面形成堿硅酸凝膠，吸水后將產(chǎn)生3倍以上的膨脹體積，從而導(dǎo)致混凝土膨脹開裂。

發(fā)生堿骨料反應(yīng)的必要條件大致有三條:

1）骨料中含有能與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性氧化硅。2）水作為一種反應(yīng)介質(zhì)。3）水泥中堿的含量大于0.6%。

3 混凝土的腐蝕類型和腐蝕機(jī)理

3.1 水泥材料的腐蝕類型

水泥材料的腐蝕按其形態(tài)分類，大致可以分為:溶出型腐蝕、分解型腐蝕、膨脹型腐蝕。水泥材料的腐蝕還可以按所處的介質(zhì)分類。在研究混凝土耐久性時(shí)這里只討論按其形態(tài)分類。

1）溶出型腐蝕。溶出型腐蝕是主體發(fā)生溶解或混合主體的某種成分發(fā)生溶解對主體造成的腐蝕。溶出性腐蝕沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是純物理變化。溶出型腐蝕往往伴隨著化學(xué)腐蝕，主要原因是水泥中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2被溶解腐蝕。當(dāng)混凝土中的CaO損失達(dá)到一定含量時(shí)，混凝土就會失去強(qiáng)度。

2）分解型腐蝕。分解型腐蝕是在工程中經(jīng)常會碰到。最常見的是酸性溶液中的H+與水泥中OH-相結(jié)合生成水，從而導(dǎo)致水泥中的Ca(OH)2被分解，而水泥中的Ca2+與溶液中的酸根結(jié)合成新的鈣鹽，酸性溶液又會與鋁酸鈣的水化物和硅酸鈣的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3）膨脹型腐蝕。硬化后的水泥受到侵蝕性介質(zhì)作用，生成新的化合物，硬化水泥體積膨脹，這種腐蝕稱為膨脹型腐蝕。

3.2 鋼筋的腐蝕分類

1）化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是金屬暴露在空氣中，與空氣中的氧氣等發(fā)生氧化反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼筋表面生成Fe2O3而被腐蝕。

2）電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是指純金屬接觸到電解質(zhì)溶液,就組成了一個簡單的電解電池，比較活潑的金屬原子失去電子成為氧化物，被氧化腐蝕。

在潮濕的空氣中，水分會通過混凝土的空隙滲透到鋼筋表面,使鋼筋表面形成一層薄薄的水膜。如果該層水膜呈強(qiáng)酸性，H+得到電子放出氫氣,這種電化學(xué)腐蝕我們一般稱為析氫腐蝕；如果該層水膜呈弱酸性或中性，能溶解較多氧氣，此時(shí)O2得電子而析出OH-,這種電化學(xué)腐蝕稱為吸氧腐蝕。這兩種反應(yīng)促使了鋼筋的銹蝕，化學(xué)反應(yīng)如下所示:

3.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土和鋼筋組成的復(fù)合體。它的腐蝕形態(tài)可分為兩種:一是由于混凝土的耐久性不足，其本身被腐蝕破壞，從而導(dǎo)致鋼筋裸露在外面與空氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕進(jìn)一步促使了混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。二是混凝土本身并沒有發(fā)生腐蝕，但是因?yàn)橥獠拷橘|(zhì)對混凝土的作用，導(dǎo)致混凝土化學(xué)性質(zhì)的改變?；炷列阅艿淖兓a(chǎn)生了能腐蝕鋼筋的離子，使鋼筋表面鈍化作用產(chǎn)生的保護(hù)層作用喪失，從而使鋼筋發(fā)生銹蝕。鋼筋的銹蝕使得混凝土保護(hù)層破裂產(chǎn)生裂縫，因?yàn)殇摻畋砻嫔P后會膨脹，從而對混凝土產(chǎn)生巨大的壓力，其數(shù)值可達(dá)30 MPa。這些裂縫的形成會進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的破壞，也使得鋼筋表面被腐蝕介質(zhì)侵蝕。鋼筋在裂縫中的銹蝕速度往往要比裸露情況下的快，這是由于在裸露的情況下鋼筋表面會發(fā)生鈍化反應(yīng)形成保護(hù)層，而鋼筋在裂縫中會與混凝土性能改變后產(chǎn)生的腐蝕鋼筋的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保護(hù)層破壞。當(dāng)混凝土的裂縫在其表面發(fā)展到一定程度時(shí),混凝土保護(hù)層裂縫會變大，形成蜂窩狀的膨脹結(jié)構(gòu)，并開始脫落，最終使得構(gòu)件失去承載能力而被破壞。

4 普通混凝土高性能化

高性能混凝土作為住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部推廣應(yīng)用的十大新技術(shù)之一,是建設(shè)工程發(fā)展的必然趨勢。發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)50年代就開始了高性能混凝土的研究應(yīng)用。我國在20世紀(jì)80年代初首先在軌枕和預(yù)應(yīng)力橋梁中應(yīng)用高性能混凝土，高層建筑的高性能混凝土應(yīng)用開始于20世紀(jì)80年代末。

4.1 高性能混凝土的特點(diǎn)

高性能混凝土非常致密，故抗?jié)B、抗凍、抗碳化、抗腐蝕等耐久性指標(biāo)均十分優(yōu)異，可極大地提高混凝土結(jié)構(gòu)物的使用年限，從而使混凝土朝著高性能化發(fā)展，給結(jié)構(gòu)的耐久性研究帶來了福音。

4.2 提高性能的技術(shù)途徑

影響混凝土強(qiáng)度的因素很多，主要有組成原材料的影響，包括原材料的特征和各材料之間的組成比例等內(nèi)因。從外因來說，則主要有施工條件、養(yǎng)護(hù)、溫度、濕度、齡期、試驗(yàn)條件和外加劑等。根據(jù)這些因素分析，提高混凝土強(qiáng)度可以從以下幾個方面采取措施:

1）采用高標(biāo)號水泥。

2）采用干硬性混凝土拌合物。由于這種拌和物的坍落度小，水灰比小，硬化后混凝土強(qiáng)度及密實(shí)度顯著提高。

3）采用優(yōu)質(zhì)砂石骨料，選擇合理砂率。

4）采用濕熱處理。在濕熱處理中常采用蒸氣養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)、冬季骨料預(yù)熱等技術(shù)措施。有時(shí)也通過利用蓄存水泥本身的水化熱來提高強(qiáng)度的增長速度。

5）改進(jìn)施工工藝。如采用機(jī)械攪拌和強(qiáng)力振搗、混凝土拌合用水磁化、混凝土裹石攪拌法等都可使混凝土拌合物在低水灰比的情況下更加均勻、密實(shí)地澆筑，從而獲得更高的強(qiáng)度。近年來，國外研制的高速攪拌法、一次投料攪拌法及高頻振搗法等新的施工工藝在國內(nèi)的工程中應(yīng)用，都取得了較好的效果。

6）用超細(xì)粉取代混凝土中的部分水泥。

5 結(jié)語

通過深入探討和分析混凝土材料的腐蝕機(jī)理，總結(jié)了普通強(qiáng)度等級的混凝土高性能化的研究途徑。

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