混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素及研究進(jìn)展

劉燦

【摘 要】混凝土耐久性問題日益突出，給世界各國(guó)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素及目前研究進(jìn)展進(jìn)行了全面的闡述與總結(jié)，并展望了未來混凝土耐久性研究的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】混凝土耐久性；影響因素；研究進(jìn)展

【Abstract】The durability of concrete has become increasingly prominent， bringing great economic losses to countries all over the world.In this paper，the main factors affecting the durability of concrete structures and the current research progress are fully described and summarized，and the development direction of future concrete durability research is prospected.

【Key words】Concrete durability；Influencing factors；Research progress

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，無需耗費(fèi)大量資金加固修護(hù)而保持安全、使用功能和外觀條件的能力稱為耐久性[1]。近年來，世界各國(guó)普遍發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了結(jié)構(gòu)功能的正常發(fā)揮，并且，用于后期維修的費(fèi)用往往是難以承受的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素，并在設(shè)計(jì)中考慮耐久性具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。

混凝土耐久性受許多因素影響，根據(jù)作用方式不同，可以分為內(nèi)部和外部?jī)煞矫鎇2]。內(nèi)部因素包括水泥、外加劑和骨料種類，水灰比，保護(hù)層厚等，外部因素則主要涉及溫濕度、荷載作用、凍融、氯鹽或硫酸鹽侵蝕、碳化、堿集料反應(yīng)、施工質(zhì)量等方面。本文將探討幾種混凝土耐久性主要影響因素及其研究進(jìn)展。

1 硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕包括化學(xué)侵蝕和物理侵蝕兩類，化學(xué)侵蝕是指鹽類與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的混凝土性能劣化，而由鹽類在混凝土內(nèi)的結(jié)晶膨脹引起的混凝土破壞稱為物理侵蝕破壞。

美國(guó)在20世紀(jì)初便開始著手硫酸鹽侵蝕問題的研究[3]，我國(guó)自20世紀(jì)50年代開始通過室內(nèi)加速試驗(yàn)、長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)等方式進(jìn)行相關(guān)研究，目前已有大量文獻(xiàn)探索硫酸鹽侵蝕混凝土機(jī)理、影響因素，提出了許多硫酸鹽侵蝕混凝土預(yù)測(cè)模型。余紅發(fā)等[4]研究了在鹽湖地區(qū)的天然環(huán)境下，混凝土暴露20a的3種化學(xué)腐蝕類型，得到了三種腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)腐蝕機(jī)理；梁詠寧等[5]通過干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，加速混凝土腐蝕，得知混凝土的破壞機(jī)理在不同的硫酸鹽溶液中并不相同；燕坤等[6]探究了硫酸鎂與彎曲荷載同時(shí)作用時(shí)，對(duì)碳化混凝土抗凍性能的影響；劉曙光等[7]、高禮雄等[8]、楊禮明等[9]則分別研究了聚乙烯醇纖維與粉煤灰、礦物摻和料、高性能混雜纖維對(duì)硫酸鹽侵蝕性能的影響。到目前為止，硫酸鹽單因素作用下侵蝕混凝土的研究相對(duì)比較完善，但是多因素耦合作用下侵蝕機(jī)理的研究有待進(jìn)一步探索。

2 碳化作用

鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的重要原因，一般大氣條件下，鋼筋銹蝕很大程度上受到混凝土碳化影響，故探究碳化作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估與設(shè)計(jì)的影響具有重要意義。碳化作用是因?yàn)槎趸寂c混凝土中的堿性物質(zhì)作用，使混凝土堿度下降，從而造成鋼筋表面鈍化膜破壞，并且，碳化作用還會(huì)加劇混凝土收縮，加快裂縫的形成和鋼筋銹蝕[10]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)混凝土碳化，提出了一些碳化深度的預(yù)測(cè)模型，且在混凝土碳化機(jī)理及影響因素等方面也有了不少研究成果，但現(xiàn)階段的研究主要停留在材料層面上，融合碳化與結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究較少[11]，碳化預(yù)測(cè)模型主要可以分為三類：1）理論推導(dǎo)模型；2）基于試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)模型；3）基于理論與試驗(yàn)的模型。

3 堿集料反應(yīng)

堿-集料反應(yīng)是指混凝土組成成分中的可溶性堿與集料中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成混凝土破壞性膨脹的現(xiàn)象，金偉良喻其為混凝土耐久性中的“癌癥”問題[10]。堿集料反應(yīng)發(fā)生的三要素是：堿、堿活性骨料、水，經(jīng)過數(shù)十年的研究，堿集料反應(yīng)的作用機(jī)理已十分明確，也涌現(xiàn)了一些檢測(cè)與預(yù)防的方法，但是如何修復(fù)因堿集料反應(yīng)損壞的結(jié)構(gòu)，仍然是一個(gè)棘手的問題。

美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家曾經(jīng)為了降低混凝土中堿含量，使用堿含量<0.60%的水泥[12]；研究表明，降低濕度也是一種預(yù)防堿集料反應(yīng)的過度膨脹的方法，但是干濕循環(huán)反而容易引起堿集料反應(yīng)在某個(gè)部位集中發(fā)生[13]；國(guó)外學(xué)者M(jìn)cCoy等[14]證實(shí)鋰鹽等化學(xué)外加劑能有效減弱堿集料反應(yīng)。目前還沒有從根本上改善堿集料反應(yīng)問題的方法，仍以預(yù)防為主。

4 氯鹽侵蝕

在海工結(jié)構(gòu)中，氯鹽侵蝕的影響不容忽視，此時(shí)它是造成鋼筋銹蝕的主要原因。目前有關(guān)氯鹽侵蝕的研究涉及氯離子介質(zhì)滲透規(guī)律、鋼筋銹蝕機(jī)理、銹蝕量及使用壽命預(yù)測(cè)等方面。

氯鹽侵蝕主要分為兩個(gè)階段：初始階段和擴(kuò)展階段。初始階段是指氯離子濃度達(dá)到鋼筋脫鈍濃度前的階段，擴(kuò)展階段指腐蝕物生成并逐漸累積使鋼筋銹脹，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)耐久性不足而破壞的階段[15]?，F(xiàn)在更多的研究集中在擴(kuò)展階段，許多研究者致力探究氯離子腐蝕速度與腐蝕量關(guān)系，研究氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕及保護(hù)層破裂過程等，同樣，還未上升到結(jié)構(gòu)承載性能的層面。

5 凍融破壞

凍融破壞對(duì)混凝土耐久性破壞的影響十分嚴(yán)重，尤其是在嚴(yán)寒地帶。目前關(guān)于凍融破壞的破壞機(jī)理眾說紛紜，涉及有水的離析成層理論、滲透壓理論、靜水壓理論、充水系數(shù)理論、臨界飽水值理論、現(xiàn)象學(xué)理論等，以靜水壓和滲透壓理論為主[16]。

凍融破壞主要是因?yàn)樵谔囟囟认?，水結(jié)冰體積膨脹，造成混凝土開裂并發(fā)展，其主要影響的是混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能?；炷量箖鲂灾饕c其水灰比、外加劑添加情況和養(yǎng)護(hù)方式等有關(guān)，預(yù)防凍融破壞的手段也主要從以上幾點(diǎn)入手。目前的凍融試驗(yàn)方法有快凍法和慢凍法，試驗(yàn)還主要停留在混凝土材料層面，但由于實(shí)際工程中幾乎均是混凝土結(jié)構(gòu)，故凍融破壞試驗(yàn)方法仍需進(jìn)一步改善。

6 結(jié)語(yǔ)

1）影響混凝土耐久性的因素有許多，針對(duì)每一種因素，研究者的思路幾乎均是從機(jī)理出發(fā)，探究因素與混凝土的相互作用，并通過理論推導(dǎo)或試驗(yàn)提出模型及預(yù)防這一類型破壞的措施，為耐久性設(shè)計(jì)和修護(hù)奠定基礎(chǔ)；

2）目前單一因素對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)影響相對(duì)比較成熟，但現(xiàn)實(shí)環(huán)境往往是復(fù)雜因素耦合影響，而多因素耦合作用對(duì)混凝土耐久性的影響研究仍處于起步階段，因此未來的研究將向多因素耦合影響發(fā)展；

3）堿集料反應(yīng)引起的混凝土耐久性破壞仍是一種致命的破壞，目前仍以預(yù)防為主，有待進(jìn)一步探究；另外，由于現(xiàn)階段關(guān)于耐久性影響因素的研究還集中在材料層面，與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性并不強(qiáng)，所以更多的研究將往結(jié)構(gòu)層面發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]