鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能退化分析
——工程實踐的經(jīng)驗教訓(xùn)

[] C.L.

1 概 述

有關(guān)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)性能過早退化等問題，其早期研究只是簡單地涉及某些緩蝕型陰離子的作用機理，由于采用的是一些簡陋的試驗方法，許多嘗試屢屢受挫。直到問題得到逐步解決，才開展了對緩蝕劑作用機理的研究，如苯甲酸根離子，在有溶解氧成分的水溶液中能使鋼筋鈍化(譯注：鈍化即生成致密的氧化層保護膜四氧化三鐵)，也就是說，苯甲酸根離子與鐵陽離子在金屬及體表面結(jié)合形成難溶物，能減緩金屬的腐蝕。就鋼筋混凝土而言，鋼筋在酸性環(huán)境中易遭到腐蝕，而堿環(huán)境則有利于保護鋼筋不被銹蝕，這就是為什么在未污染的含堿混凝土中，金屬通常是處于鈍態(tài)的。

通常，在分析鋼筋腐蝕和性能退化現(xiàn)象時，應(yīng)采用可重復(fù)使用、特性保持良好的試樣表面。顯然，這與探求混凝土鋼筋腐蝕作用而制定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法有關(guān)?？煽紤]綜合運用與檢測老建筑物中鋼筋腐蝕相類似的顯微技術(shù)與分析技術(shù)，但這不能不說仍是一大挑戰(zhàn)，對于眾多實際建筑物可能遇到的不同鋼筋表面狀況的特性，需不斷完善模擬試驗方法，開展進一步的深入研究。如果對其表面特性不能進行良好的分析，則意味著這種試驗條件不具代表性，不能作為材料檢測的依據(jù)。

2 警示事件

直到20世紀(jì)70年代，人們都普遍認(rèn)為，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性均滿足要求，即使在極潮濕的環(huán)境中(這種環(huán)境對鋼和木材等建筑材料是有腐蝕性的)也無須進行重大維護。1972年，新頒布了英國標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用守則，即混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用(CP 110)，而世界上絕大多數(shù)這種混凝土結(jié)構(gòu)，其主要組成材料均為硅酸鹽水泥，而這種水泥是1824年由英國人J.阿斯普丁發(fā)明演化而來的。到了20世紀(jì)初，鋼筋混凝土便成為英國當(dāng)時的主要建筑材料。20世紀(jì)40年代，預(yù)應(yīng)力混凝土開始引入英國，且應(yīng)用規(guī)模越來越大。 像CP 110這種標(biāo)準(zhǔn), 主要涉及混凝土的耐久性問題，要求規(guī)范運作，而對混凝土鋼筋的保護層厚度、容許裂縫寬度、水泥用量、水灰比等要求，該標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)確的解釋并不多，而對可能遭遇的各種環(huán)境影響也極少明確的提及，對規(guī)定的預(yù)期壽命概念也只字未提。

在1973年6月至1974年2月期間，英國有3座公共建筑突然倒塌，這是混凝土結(jié)構(gòu)早期不應(yīng)出現(xiàn)的一種跡象。從結(jié)構(gòu)上看，這些建筑是由組成材料為高鋁水泥(也稱礬土水泥，HAC)的混凝土建成的，據(jù)報告，建筑物失事正是與一種稱為相變過程引起的水硬性膠凝材料的強度退化有關(guān)。從微觀上看，硬化材料空隙結(jié)構(gòu)有一漸變過程，與水泥中水化鋁酸一鈣的初始亞穩(wěn)態(tài)水化物分解有關(guān)：

3(CaO·Al2O3·10H2)→3CaO·Al2O3·6H2O+

2(Al2O3·3H2O)+18H2O

(1)

這種態(tài)勢引起了英國相關(guān)政府部門的密切關(guān)注，他們鄭重警告，需要由專業(yè)工程師來評價采用了HAC結(jié)構(gòu)混凝土建造的這類建筑物。

3 混凝土中鋼筋腐蝕問題

20世紀(jì)70年代初，許多國家都普遍采用氯化鈣作為加速硅酸鹽水泥混凝土水化作用的一種外加劑，當(dāng)時就有人對有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)性能退化這一常規(guī)知識問題提出了嚴(yán)重質(zhì)疑，因為人們了解到，氯化鈣會引起埋在混凝土中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕問題，這最終使得英國不得不修訂氯化物在結(jié)構(gòu)混凝土中容許含有量的約束規(guī)定(CP 110:1972)。

如今，越來越多的證據(jù)表明，更為嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問題，都與使用含氯化物的混凝土材料有關(guān)，并且硫酸鹽和碳化作用的影響，也是其罪魁禍?zhǔn)住Ｔ诎⒗疄车貐^(qū)，由于氣候條件的不利影響，混凝土性能退化的速率比一般常規(guī)地區(qū)要快得多。在美國和加拿大，也常有與采用氯化鈉和氯化鈣防凍劑使鋼筋大量腐蝕導(dǎo)致公路橋損壞的有關(guān)報道。20世紀(jì)80年代初期，已形成了全球性的對混凝土中鋼筋腐蝕問題的關(guān)注，以至組成了RILEM(國際材料與結(jié)構(gòu)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn))技術(shù)委員會(TC 60-CSC)來對這種材料的運用前景進行考證。公開出版的國際著名雜志《自然》，專門出版了?？?，刊發(fā)了有關(guān)“混凝土中鋼筋的電化學(xué)作用”的論文。

隨后世界各國都做了大量的努力來提高新預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，并為這種結(jié)構(gòu)的運用設(shè)計了有效的工況監(jiān)控系統(tǒng)。不過對于現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)仍面臨著難題，應(yīng)吸取以往經(jīng)驗教訓(xùn)，比如如果強力預(yù)應(yīng)力鋼筋置入金屬套管內(nèi)(不論是否灌漿)，不能用傳統(tǒng)檢測方法事先迅速監(jiān)測出其腐蝕狀況。還有一些很基本的教訓(xùn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計師也應(yīng)吸取，如需要控制鋼筋保護層厚度的實際允許偏差，這對鋼筋混凝土耐久性有著重要影響。另外, 對于混凝土結(jié)構(gòu)的水平面，應(yīng)提供有效的排水，特別是在海水地帶，如本來就聚集有海水，而不良的混凝土構(gòu)造接縫可能不能阻止海水的滲入而成為快速流入氯化物溶液的通道，導(dǎo)致鋼筋腐蝕。

4 其他不可預(yù)測的問題

鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕無疑是造成混凝土結(jié)構(gòu)性能早期退化的最普遍的形式，但也不是唯一的影響混凝土耐久性的突出問題。例如在英國，堿硅反應(yīng)(ASR，也叫堿骨料反應(yīng))和碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)，都是向人們發(fā)出的險情標(biāo)志，如果將這些影響鋼筋混泥土耐久性的問題視為理所當(dāng)然，那必然是后患無窮。

4.1 堿硅反應(yīng)(ASR)

早在20世紀(jì)30年代，美國就發(fā)現(xiàn)了ASR問題，二戰(zhàn)后不久，其他很多國家也都發(fā)現(xiàn)了此類問題，但直到20世紀(jì)70年代，英國(英倫各島上)才對這一問題有了正確認(rèn)識。最早所知的案例發(fā)生在1957～1961年期間建在英國澤西(Jersey)島上的一座混凝土重力壩，在1971年發(fā)現(xiàn)大壩出現(xiàn)位移和裂縫，原因就是混凝土中發(fā)生ASR。

隨后不久，在英國本土上也發(fā)現(xiàn)了另一個工程案例。面對發(fā)生的種種情況，國家需緊急修訂ASR準(zhǔn)則。在相關(guān)的研究活動中，科研小組需按要求設(shè)計出一種試驗方法來對可能發(fā)生反應(yīng)的堿骨料進行分類，并需要評價混凝土的哪些暴露面可能受到海水環(huán)境的影響，再進一步按照摻加一定火山灰起緩蝕作用的原理，建立空隙(混凝土為多孔材料)液相化學(xué)特性與ASR的關(guān)系(見圖1)。 2004年，英國對ASR國家標(biāo)準(zhǔn)(目前為 BRE Digest 330)進行了最后的修訂，但從水泥行業(yè)近年的發(fā)展看，仍有進一步修訂的需求。

注：水灰比中的灰為水泥+硅粉

4.2 碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)

對于TSA，除了有幾份零星的報告以外, 通常為人所知的是，早在20世紀(jì)90年代，BRE(英國建科院)對不合格的混凝土基礎(chǔ)展開調(diào)查后認(rèn)為，這種獨特形式的性能退化原因，是寒冷和潮濕環(huán)境中的硫酸鹽所致。隨后，英國環(huán)境交通區(qū)域部便提出了一份最新動態(tài)報告，并于2001年以BRE專輯的形式編制了新的“侵蝕性土基條件下的混凝土”準(zhǔn)則，考慮到進一步研究所需，2003～2005年進行了版本更新，其中用了更多的篇幅，對易受硫酸鹽侵蝕的混凝土提出了明確要求。

TSA的研究中有一大難題，即要找到一種快捷的方法來評估鋼筋混凝土性能退化的長期變化過程。加溫可作為一種常用方法來加速化學(xué)反應(yīng)，便于進行即時分析。如運用該方法發(fā)現(xiàn)，常規(guī)形式的硫酸鹽侵蝕，會引起鈣礬石膨脹(堿-硅反應(yīng)膨脹的一種形式)，而這一過程的實質(zhì)，其實就是在碳酸鹽生成碳硫硅鈣石時，水泥水化物與硫酸根離子結(jié)合而增強了結(jié)晶物水化硅酸鈣的成分。因此，傳統(tǒng)上采用低C3A含量的波特蘭抗硫酸鹽水泥(SRPC)，除作為一種能改善常規(guī)形式硫酸鹽侵蝕的狀況、降低其嚴(yán)重程度的措施外，并沒有更強的抵御TSA的作用。

5 存在的問題

在過去的40 a里，不僅吸取了很多有關(guān)混凝土性能退化過程的教訓(xùn)，而且這方面的研究也取得了重大進展，特別是在無損檢測和探測儀方面的運用，使人們能夠通過預(yù)測性措施，更高效地增強鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的耐久性。

然而潛在的一大問題是，針對因建材性能和工藝的變化而影響到其長期耐久性，如何能做到采用一種快捷的檢測方式來給出問題的簡略答案，是近年來研究人員所面臨的挑戰(zhàn)。究其原因，部分是因為需要在減少隱含碳的基礎(chǔ)上，有適應(yīng)應(yīng)對氣候變化的措施，具體來說就是采用性能更優(yōu)越的膠凝材料來替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，并使之成為一種發(fā)展的趨勢。最近英國有一篇關(guān)于“綠色混凝土”的論文，對此作了研究，即用8周的加速碳化作用的試驗成果，作為比較不同水泥混凝土試件在預(yù)期50 a的自然抗碳化作用的依據(jù)。因為對預(yù)期壽命很長的材料進行加速試驗困難重重，所以所需數(shù)據(jù)就必須從上述快速試驗中獲取，以利于對長期獨處的現(xiàn)場試驗成果進行修正。

在過去的20 a中，人們希望把計算模型技術(shù)應(yīng)用到混凝土性能退化過程的分析中，但因其復(fù)雜化程度極高，況且還一直在研究如何將其運用到設(shè)計和性能規(guī)范中，所以這些努力都陷入了極度的困境。主要原因還是在于缺乏對某些需納入到材料壽命模型臨界參數(shù)的可靠認(rèn)知度。現(xiàn)人們對混凝土中氯離子水平的閾值變化已有了充分認(rèn)識，如果該閾值發(fā)生變化(也就是鋼筋表面的氯離子量超過臨界值)，則含鹽程度不同的環(huán)境中的鋼筋保護膜將有直接受到攻擊的風(fēng)險。以下分類列出了各相關(guān)因素(并不完整)。

(1) 外界條件，包括氯離子水平、濕度、氧氣、二氧化碳、硫酸鹽、溫度等等；

(2) 鋼筋的原始構(gòu)造面狀況，包括氧化皮、鐵銹、鹽、潤滑油等雜質(zhì)的自然狀況和附著量；

(3) 鋼筋潛在的鈍性，主要與氧氣攝入量和受到氯離子侵蝕之前鋼筋鈍化膜的穩(wěn)定性有關(guān)；

(4) 鋼筋周圍混凝土空隙液中自由氯離子和氫氧離子的濃度；

(5) 鋼筋與混凝土界面固態(tài)水化物和存在的空隙、裂縫、裂隙等特性。

混凝土拌和物成分中的氯鹽，如果占到水泥重量的0.4%左右，那么鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋被腐蝕的危險程度一般會達到低至中等程度，對于這種情形，只要通過為期幾個月的試驗室試驗，不同的水泥對鋼筋的腐蝕作用就可一目了然。

6 結(jié) 語

總結(jié)過去40 a的經(jīng)驗教訓(xùn)得出，鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)并不是經(jīng)久耐用的，對于如何模擬一些在腐蝕性環(huán)境中影響其耐久性的性能退化過程的基本知識還較為欠缺。某些混凝土結(jié)構(gòu)失事或損壞的主要原因，是因其未得到妥善維護而導(dǎo)致性能退化造成的。由此看來，在現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)中，設(shè)計和施工都需進一步完善，耐久性問題亟待解決。

在如何設(shè)計和建造有較強耐久性并能抵御外界腐蝕性條件的混凝土結(jié)構(gòu)方面，以及在開發(fā)有效預(yù)防和補救維修策略方面均取得了很大進展，而且這些補救和維修措施，都將納入到新建筑和修復(fù)項目的資金計劃中。當(dāng)然，這些都得通過材料工程師和結(jié)構(gòu)工程師們的共同協(xié)作努力才能達到。展望未來，今后時期的一項重任，就是要在政府的持續(xù)支持下，引進資深的跨學(xué)科研究人才和各專業(yè)的工程師，加強團隊協(xié)作，不斷攻克難關(guān)，以實現(xiàn)上述目標(biāo)。