鹽凍環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提高措施研究

王 穎

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000)

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鹽凍環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提高措施研究

王 穎

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000)

根據(jù)鹽凍環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，從增大混凝土強(qiáng)度、增加結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度、防水處理、加入引氣劑等方面，提出了鹽凍環(huán)境下提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施，使混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的使用壽命。

混凝土結(jié)構(gòu)，鹽凍環(huán)境，耐久性，寒冷地區(qū)

0 引言

日前，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已經(jīng)成為影響結(jié)構(gòu)使用年限的主要因素之一，由于結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題引起結(jié)構(gòu)破壞的例子比比皆是，構(gòu)件未達(dá)到使用年限而破壞，將會(huì)給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)都存在混凝土的劣化問(wèn)題，引起混凝土劣化的主要因素有：凍融作用，水滲透，氯離子侵入，鋼筋銹蝕，碳化作用，硫酸鹽侵入，堿—骨料反應(yīng)等[1]。

混凝土的鹽凍破壞主要發(fā)生在寒冷地區(qū)含鹽環(huán)境，在這些地區(qū)中，由于混凝土受凍融破壞和鹽類侵蝕的雙重作用，使得結(jié)構(gòu)破壞更加迅速，造成的損失更加嚴(yán)重。本文針對(duì)鹽凍環(huán)境對(duì)影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素進(jìn)行研究，進(jìn)而提出提高結(jié)構(gòu)耐鹽凍環(huán)境的措施，可以為寒冷地區(qū)含鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的施工、使用、維護(hù)等環(huán)節(jié)提供科學(xué)依據(jù)。

1 鹽凍環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理

1.1 凍融破壞機(jī)理

有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞機(jī)理目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一定論，但是比較公認(rèn)的有靜水壓理論、滲透理論、臨界飽水程度理論和吸附水理論這四個(gè)理論觀點(diǎn)。其中，靜水壓理論和滲透理論占主導(dǎo)地位。

靜水壓理論認(rèn)為，低溫環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)凍結(jié)按照以下過(guò)程進(jìn)行：1)凍結(jié)初期，混凝土結(jié)構(gòu)四周表面上的表層水先行凍結(jié)，將結(jié)構(gòu)包圍起來(lái)；2)凍結(jié)繼續(xù)，凍結(jié)的表層水體積膨脹，將未結(jié)冰的水分壓入結(jié)構(gòu)內(nèi)部；3)溫度不斷降低，未結(jié)冰水被結(jié)冰水?dāng)D壓得越來(lái)越厲害，毛細(xì)孔內(nèi)產(chǎn)生的壓力越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越來(lái)越大；4)毛細(xì)孔內(nèi)的水壓達(dá)到一定程度，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度極限，毛細(xì)孔破裂，結(jié)構(gòu)受到破壞[2]。

滲透壓理論認(rèn)為：低溫條件下，混凝土結(jié)構(gòu)中的大孔及毛細(xì)孔中的溶液首先有部分凍結(jié)成冰，導(dǎo)致溶液的濃度變大，使得毛細(xì)孔和凝膠孔內(nèi)的溶液之間存在濃度差，這種濃度差會(huì)造成由凝膠孔向毛細(xì)孔的擴(kuò)散作用，形成滲透壓，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞[2]。

1.2 鹽類對(duì)鋼筋侵蝕的機(jī)理

1)鹽類在混凝土結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散過(guò)程。鹽類一般是通過(guò)混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫體系從周?chē)h(huán)境向混凝土內(nèi)部傳遞的，鹽類的傳輸過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到許多機(jī)理，目前已經(jīng)了解的鹽類侵入混凝土的方式主要有[3]：a.毛細(xì)管吸收;b.滲透;c.擴(kuò)散;d.電位化學(xué)遷移;e.濕度梯度；f.抽吸作用。

通常鹽類的侵蝕是幾種侵入方式的組合，而對(duì)應(yīng)特定的條件，其中的一種侵入方式是主要的。

2)鹽類對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕機(jī)理。由于氯離子的半徑相對(duì)較小，電負(fù)性強(qiáng)，因而其吸附性和擴(kuò)散穿透力強(qiáng)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)氯離子引起鋼筋銹蝕的機(jī)理仍有爭(zhēng)議，主要的理論有以下三種：a.氧化膜理論：該理論認(rèn)為金屬表面的氧化膜起著鈍化的作用，進(jìn)而提供銹蝕保護(hù)。氯離子比其他離子更容易通過(guò)膜上的孔隙或缺陷穿過(guò)氧化膜，或者是氯離子使得膜膠體狀分散，因而更容易產(chǎn)生侵蝕。b.吸附理論：該理論認(rèn)為氯離子與溶解的氧氣或氫氧根離子競(jìng)爭(zhēng)，并被吸附到金屬表面。氯離子的吸附力有助于金屬離子的水化而加速金屬離子的溶解。c.過(guò)度絡(luò)合理論[4]：該理論認(rèn)為氯離子對(duì)結(jié)構(gòu)侵蝕分為三個(gè)過(guò)程：

氯離子和氫氧根離子與鐵離子反應(yīng)，生成FeCl2·4H2O，其反應(yīng)式為:Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O，F(xiàn)eCl2·4H2O由陽(yáng)極向陰極遷移的過(guò)程中，分解為Fe(OH)2，同時(shí)釋放出氫離子和氯離子，其反應(yīng)式為: FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O;氫離子和氯離子重新回到陽(yáng)極區(qū)，陽(yáng)極區(qū)附近的孔隙液局部酸化，帶出更多的鐵離子。由上可知，在氯離子侵蝕反應(yīng)過(guò)程中，氯離子只是中間產(chǎn)物，起到了催化的作用。目前，一般工程上主要使用氧化膜理論來(lái)進(jìn)行解釋。

1.3 鹽類侵蝕和凍融循環(huán)共同作用機(jī)理

在含鹽的寒冷地區(qū)，鹽類與凍融循環(huán)同時(shí)存在，二者共同作用的機(jī)理分為兩部分：

1)低溫凍融會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成細(xì)小的微裂縫，這些微裂縫構(gòu)成了氯離子由外界進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的通道，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微裂縫的數(shù)目增多，氯離子進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部更加迅速。當(dāng)凍融循環(huán)造成結(jié)構(gòu)表層脫落時(shí)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)降低，鋼筋暴露在環(huán)境中的幾率越大，氯離子對(duì)鋼筋的侵蝕越嚴(yán)重，這個(gè)破壞過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2NaCl+Ca(OH)2=2NaOH+CaCl2[5]

其中，Ca(OH)2參與的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)使得混凝土的孔隙率加大，氯離子更加容易地通過(guò)混凝土表面進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2)堿—骨料反應(yīng)：與此同時(shí)，凍融反應(yīng)產(chǎn)生的NaOH還會(huì)與混凝土中的活性集料在鹽的協(xié)同作用下發(fā)生堿—骨料反應(yīng)。 堿—骨料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹性鹽強(qiáng)度較低，與粗細(xì)集料固結(jié)較弱。這種反應(yīng)會(huì)加劇混凝土表面剝蝕，降低結(jié)構(gòu)的耐久性。

2 鹽凍環(huán)境下提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

由以上論點(diǎn)可以看出，鹽凍環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的提高可以同時(shí)從凍融和鹽類侵蝕兩個(gè)方面來(lái)考慮，主要是增大混凝土強(qiáng)度，增大結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)層厚度，做好防水處理，加入引氣劑等。

2.1 增大混凝土強(qiáng)度

研究表明，相較于低強(qiáng)度混凝土，在鹽凍環(huán)境下，高強(qiáng)度混凝土的受害程度將大大降低。主要是因?yàn)榈蛷?qiáng)度混凝土之間的孔隙率大，氯離子容易侵入，而高強(qiáng)度混凝土之間的孔隙率較低，氯離子不易侵入，受到的鹽凍破壞就小。因此使用高強(qiáng)度的混凝土，結(jié)構(gòu)在鹽凍環(huán)境下的鋼筋銹蝕率將會(huì)減少，結(jié)構(gòu)的耐久性會(huì)增加。

2.2 增加結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度

由氧化膜理論可知，鋼筋銹蝕的條件是鋼筋表面的氯離子濃度達(dá)到一定的條件，即大于使鋼筋銹蝕的臨界濃度。因此，在工程施工及使用過(guò)程中，只要結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋表面的氯離子濃度未達(dá)到鋼筋銹蝕的臨界濃度，則無(wú)論混凝土結(jié)構(gòu)表面的氯離子濃度有多高，氯離子都不會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，從而進(jìn)入內(nèi)部侵蝕鋼筋。因此增大混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度可以使氯離子更緩慢地到達(dá)鋼筋表面，從而保持氯離子濃度在臨界濃度以下，不能形成對(duì)鋼筋的侵蝕，以此提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3 做好防水處理

氯離子從混凝土的表層進(jìn)入到鋼筋表層，需要有水作為運(yùn)輸介質(zhì)，而低溫下的凍融破壞也跟結(jié)構(gòu)的含水率有密切的聯(lián)系。由此可知，在混凝土表面涂刷防水材料或憎水材料，會(huì)降低低溫凍融的幾率以及降低氯離子的侵蝕能力，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.4 加入引氣劑

由于引氣劑是可以明顯降低混凝土拌合水表面張力和表面能的憎水表面活性物質(zhì)，因此，通過(guò)使用引氣劑可以在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，這些氣泡的特點(diǎn)是：大量、微小、穩(wěn)定且封閉。如此，可以切斷部分毛細(xì)管由表層向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的通路，因而在混凝土表層水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生壓力時(shí)，起了一定的緩沖減壓作用，防止結(jié)構(gòu)由于過(guò)大壓力遭到破壞。因此，在混凝土中加入引氣劑，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有足夠的含氣量，可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍耐久性，減少鹽凍環(huán)境下的結(jié)構(gòu)破壞。

[1] 劉 輝.提高高寒鹽漬土地區(qū)混凝土耐久性的措施及對(duì)策研究[J].甘肅科技,2015，31(7)：110.

[2] 王 偉.基于可靠度的鹽凍環(huán)境下結(jié)構(gòu)混凝土耐久性評(píng)估與提升技術(shù)分析[D].長(zhǎng)沙：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

[3] 馮良勇.鹽凍環(huán)境下混凝土提高耐久性的措施[J].北方交通,2014(4)：37.

[4] 朱蓓蓉,楊全兵,黃士元.除冰鹽對(duì)混凝土化學(xué)侵蝕機(jī)理研究[J].低溫建筑技術(shù),2000(1):3-6.

[5] 楊全兵.混凝土鹽凍破壞機(jī)理(Ⅱ)：凍融飽水度和結(jié)冰壓[J].建筑材料學(xué)報(bào),2012，15(6)：741-746.

Study on measures of improving concrete structure durability under salt-freezing environment

Wang Ying

(CollegeofEngineeringTechnology,ChengduUniversityofTechnology,Leshan614000,China)

According to the concrete structure damage mechanism under salt-freezing environment, starting from aspects of enlarging concrete strength, increasing structural protection layer thickness, waterproofing treatment and adding air-entraining agent, the paper puts forward measures of improving concrete structure durability under salt-freezing environment, so as to achieve expected service life of concrete structure.

concrete structure, salt-freezing environment, durability, cold region

1009-6825(2016)24-0126-02

2016-06-10

王 穎(1985- )，女，碩士，助教

TU528

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