論混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

袁夏煒+謝林君

【摘 要】闡述了混凝土耐久性研究的影響因素，闡述了混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀。從嚴(yán)格控制水灰比、保證水泥用量、摻外加劑、礦渣或粉煤灰等方面，提出了提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施。指出了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；現(xiàn)狀；措施

On the durability of concrete structures

Yuan Xia-wei1,Xie Lin-jun2

(1.Shaoxing University School of Civil Engineering Shaoxing Zhejiang 312000；

2.Shaoxing Sheng Yuan Environmental Construction Co., Ltd. Shaoxing Zhejiang 312000)

【Abstract】Factors elaborated concrete durability research study describes the status of the durability of concrete. From the strict control of water-cement ratio, to ensure the amount of cement mixed with additives, slag or fly ash, etc., proposed measures to improve the durability of concrete structures. Pointed out the research trends durability of concrete structures.

【Key words】Concrete structures;Durability;Status;Measures

1. 引言

（1）混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在規(guī)定的服務(wù)壽命期里，抵抗環(huán)境中各種因素作用并能繼續(xù)維持正常使用的強(qiáng)度與服務(wù)性。

（2）在工程建設(shè)中，人們更多的追求的是混凝土的強(qiáng)度，耐久性的保證常常得不到足夠的重視。因?yàn)椋藗兤毡檎J(rèn)為只要保證了混凝土結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度也就保證了混凝土的質(zhì)量，而事實(shí)上，強(qiáng)度并不代表混凝土的質(zhì)量。混凝土是一種用簡(jiǎn)單技術(shù)制作的非均質(zhì)的復(fù)雜多相復(fù)合材料，而混凝土結(jié)構(gòu)體所處的環(huán)境條件又相當(dāng)復(fù)雜，所以強(qiáng)度的安全性并不能保證混凝土結(jié)構(gòu)體的承載安全，而一旦喪失耐久性，就會(huì)危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。因此，我們認(rèn)為研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，對(duì)如何提高建筑的耐久性、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的使用壽命有著十分重要的實(shí)際意義。

2. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

2.1 內(nèi)部因素?；炷敛牧系淖陨硖匦?、混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量是決定其耐久性的內(nèi)因。如混凝土的強(qiáng)度等級(jí)；滲透性；保護(hù)層厚度；水泥品種、強(qiáng)度等級(jí)；外加劑用量等等?；炷恋牟牧辖M成直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；混凝土的外表缺陷會(huì)造成水分和侵蝕性物質(zhì)滲入，與混凝土發(fā)生物理化學(xué)作用，從而影響其耐久性。

2.2 外部因素。

2.2.1 混凝土的碳化?；炷恋奶蓟侵富炷林械臍溲趸}與滲透進(jìn)混凝土中的二氧化碳和其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。碳化的實(shí)質(zhì)是混凝土的中性化，堿性降低，鋼筋的鈍化膜破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。

2.2.2 氯離子的侵蝕。這是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯離子的主要來源，氯離子對(duì)混凝土的侵蝕屬于化學(xué)侵蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)的危害是多方面的，但最終表現(xiàn)為鋼筋的銹蝕。

2.2.3 堿——骨料反應(yīng)。堿——骨料反應(yīng)一般指水泥中的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應(yīng)，生成堿-硅酸鹽凝膠，并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，造成混凝土開裂，且很難加以控制。堿-骨料反應(yīng)一旦開始，一般不到兩年就會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂。

2.2.4 凍融循環(huán)破壞。凍融循環(huán)破壞是指滲入混凝土中的水在低溫下結(jié)冰膨脹，從內(nèi)部破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次凍融循環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強(qiáng)度降低。

2.2.5 鋼筋腐蝕。鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的重要因素。鋼筋腐蝕伴有體積膨脹，使混凝土出現(xiàn)沿鋼筋的縱向裂縫，造成鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞，鋼筋的有效截面積減少，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨時(shí)間的推移，腐蝕會(huì)逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞?；炷两Y(jié)構(gòu)開裂后，腐蝕速度將大大加快，耐久性將進(jìn)一步惡化［2］。

3. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀

3.1 鋼筋銹蝕研究?；炷林袖摻畹匿P蝕是一個(gè)電化學(xué)過程。國外這方面研究得比較早，且許多成果已被國內(nèi)所引用。國內(nèi)主要是在國外成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行修正和補(bǔ)充研究。因此，國內(nèi)的成果基本反映了當(dāng)今世界的研究現(xiàn)狀［2］。

3.2 凍融破壞研究。對(duì)于混凝土凍融破壞的研究，現(xiàn)已形成較為完整的基礎(chǔ)理論。Powers等人從混凝土的亞微觀入手，分析孔隙水對(duì)孔壁的作用，提出了靜水壓假說和滲透壓假說，前蘇聯(lián)學(xué)者從力學(xué)概念出發(fā)，提出了現(xiàn)象學(xué)觀點(diǎn)。清華大學(xué)土木系基于靜水壓假說，利用損傷力學(xué)的方法，給出了預(yù)測(cè)混凝土抗凍耐久性的疲勞損傷模型。這一模型考慮了亞微觀層次上凍融的破壞機(jī)理，并將這種破壞作用反映在混凝土的宏觀力學(xué)行為上，較好地聯(lián)系了亞微觀和宏觀兩個(gè)層次，并得到了滿意的計(jì)算結(jié)果［1］。

3.3 結(jié)構(gòu)耐久性研究。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，國外研究得較少，國內(nèi)也剛剛開始。研究結(jié)構(gòu)耐久性的主要目的在于解決新建結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和已建結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估問題；同時(shí)，對(duì)于不同耐久性等級(jí)的混凝土結(jié)構(gòu)，給出不同的構(gòu)造措施，在保證結(jié)構(gòu)可靠、耐久的前提下，使工程造價(jià)最低。

3.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)。目前對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)研究較多，常見的理論有碳化壽命理論、開裂壽命理論、承載力壽命理論和經(jīng)濟(jì)壽命理論。日本工學(xué)博士林永繁研究了由氯離子引起的鋼筋銹蝕，并以鋼筋表面混凝土出現(xiàn)裂縫作為失效準(zhǔn)則。通過試驗(yàn)，得到混凝土縱向開裂的鋼筋銹蝕量為Q和鋼筋銹蝕速度q，并以兩者的比值作為構(gòu)件的壽命。清華大學(xué)趙宏延、王嫻明采用抗力下降達(dá)到承載力極限和鋼筋銹蝕混凝土脹裂兩個(gè)準(zhǔn)則預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命，并以兩者的較小值作為構(gòu)件的壽命。清華大學(xué)肖從真、劉西拉以混凝土構(gòu)件縱向開裂(截面損失率達(dá)5%)作為壽命的終點(diǎn)，引入數(shù)論模擬方法，結(jié)合方差縮減技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)［1］。

4. 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

4.1 適當(dāng)加大混凝土保護(hù)層厚度?；炷帘Ｗo(hù)層為鋼筋提供了一道堅(jiān)實(shí)的屏障，其厚度對(duì)構(gòu)件的耐久性影響極大。因此設(shè)計(jì)合理的混凝土保護(hù)層厚度對(duì)保證耐久性至關(guān)重要?；炷帘Ｗo(hù)層厚度的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的類型、所處環(huán)境及有無飾面等。理論上保護(hù)層越厚，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性越好。但是，保護(hù)層取值太厚，一來不經(jīng)濟(jì)，二來過厚的保護(hù)層因在硬化過程中的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力得不到鋼筋的足夠控制而易產(chǎn)生裂縫。且其一旦開裂，則裂縫寬度更大，使其內(nèi)部鋼筋暴露表面更大，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。保護(hù)層太薄，不能對(duì)其內(nèi)部鋼筋形成足夠的保護(hù)作用，從而使得構(gòu)件耐久性不足，所以要根據(jù)實(shí)際情況來合理的選擇混凝土保護(hù)層厚度［3］。

4.2 嚴(yán)格控制水灰比，保證水泥用量。嚴(yán)格控制水灰比，在滿足坍落度的情況下，盡可能地降低水灰比，減少硬化后多余水形成的孔隙，從而有效地提高密實(shí)性、抗?jié)B性進(jìn)而提高混凝土的耐久性。從理論上講，可通過降低水灰比，從而提高混凝土的耐久性，同時(shí)也提高了混凝土的強(qiáng)度，但這樣做帶來的問題是：一方面，不經(jīng)濟(jì)；另一方面，引起高水化熱而導(dǎo)致溫度裂縫，從而影響提高耐久性的效果［3］。實(shí)際上，配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，采用低水灰比、高早強(qiáng)水泥時(shí)，溫度收縮裂縫上升為主要問題，從而大大降低了混凝土的耐久性，阻礙了高強(qiáng)混凝土的發(fā)展。因此，片面地采用降低水灰比的辦法來提高密實(shí)性及耐久性的方法是不可取的。

4.3 摻礦渣或粉煤灰。摻合料具有良好的細(xì)度和活性，其細(xì)微的顆?？梢蕴畛浠炷林杏泻Φ拇罂祝涠嗡a(chǎn)物也可進(jìn)一步填充這些有害的缺陷，可降低混凝土的孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)。摻入礦渣水泥而生產(chǎn)的混凝土，還具有良好的抗碳化性能、抗有機(jī)溶液滲透、抗凍融循環(huán)和抗鹽剝蝕的能力。摻粉煤灰水泥生產(chǎn)的混凝土，干縮性小、抗裂性好，所以混凝土拌合物具有良好的和易性，硬化后具有良好的耐久性。在工程中，還可以采用雙摻，摻外加劑和粉煤灰的措施。在雙摻的混凝土中，摻入減水劑可以改善混凝土的和易性，改善孔結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性，摻粉煤灰后，改善了混凝土拌合物的和易性，起到減水作用，使水膠比更小，改善孔結(jié)構(gòu)，減小孔隙率，使結(jié)構(gòu)得到細(xì)化。

4.4 選用質(zhì)量?jī)?yōu)良、粗細(xì)程度和級(jí)配良好的砂石材料。選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的砂石材料，粗細(xì)適宜、級(jí)配良好的細(xì)集料和粗集料，可以盡可能提高混凝土的密實(shí)性，減少集料總表面積和集料間孔隙率，減小水泥漿的用量，從而節(jié)約成本，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.5 加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，提高施工技術(shù)水平。工程質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。應(yīng)該加強(qiáng)施工質(zhì)量管理水平，努力提高施工技術(shù)水平。嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，選擇使用符合質(zhì)量要求的砂、石、水泥、鋼筋等材料，及時(shí)調(diào)整工程中混凝土的配合比，經(jīng)常檢測(cè)集料的含水量，使用試驗(yàn)合格的外加劑。

5. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)現(xiàn)今混凝土耐久性的研究狀況，認(rèn)為以后的研究方向應(yīng)從以下三方面深入研究：

5.1 繼續(xù)深入材料層次上的耐久性研究。目前對(duì)混凝土碳化后其力學(xué)性能的研究和Cl-離子侵蝕后混凝土材料力學(xué)性能變化的研究還不多，這一層次的研究應(yīng)該進(jìn)一步深入。

5.2 結(jié)合工程建立耐久性衰減或預(yù)測(cè)的多因素模型。到目前為止，國內(nèi)外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要還停留在試驗(yàn)室中針對(duì)某一具體影響因素展開的研究，而實(shí)際環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)卻遭受著多種如凍融、碳化、鋼筋銹蝕等破壞因素的影響［4］。因此，我認(rèn)為應(yīng)該發(fā)展結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的耐久性研究技術(shù)，結(jié)合實(shí)際存在的多因素影響模式，建立耐久性衰減或預(yù)測(cè)多因素模型，這應(yīng)該是將來混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要方向之一。

5.3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)和評(píng)估方法的研究。目前有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估都存在著效率較低、成本較高、準(zhǔn)確率較差等不足之處，主要原因之一就是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)，同時(shí)評(píng)估方法也不夠科學(xué)。所以，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究領(lǐng)域，研究開發(fā)新的結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)技術(shù)尤其高效準(zhǔn)確的無損檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)作為將來的研究方向［4］。

6. 結(jié)束語

混凝土結(jié)構(gòu)的破壞并非是某一孤立原因造成的，往往是與環(huán)境條件、混凝土自身特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工等因素有關(guān)。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋，選擇最佳的保護(hù)層厚度，既可以有效地控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，又能最經(jīng)濟(jì)有效地提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

參考文獻(xiàn)

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［作者簡(jiǎn)介］ 袁夏煒（1961.5-），男，籍貫：浙江嵊州，職稱：副教授，研究方向：工程施工管理和教學(xué)。