混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性探討

陳 越

（中國建筑第八工程局有限公司，上海200178）

20世紀(jì)90年代前尚未供應(yīng)高性能和高強(qiáng)度混凝土?xí)r，50MPa以及更低的普通混凝土在混凝土工程中被廣泛使用。早期由于設(shè)計(jì)原因、施工不當(dāng)、材料選擇等會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生早期劣化。在使用混凝土過程中，如酸雨、酸霧、酸性水、鹽等環(huán)境化學(xué)有害介質(zhì)，通過單一和聯(lián)合作用而侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)。

如今環(huán)境污染已是世界難題，工程建設(shè)中自然水和污染水接觸，會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕和破壞。根據(jù)國家水利部對水利工程混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性的調(diào)查和研究得出結(jié)論，100%的水壩存在裂縫和滲漏危害，68.7%有空化、侵蝕和磨損破壞，18.8%有凍融破壞，水質(zhì)侵蝕發(fā)生率為2%，鋼筋腐蝕引起的銹蝕拉伸40.6%，其中海域鋼材腐蝕占87%以上。例如在安徽銅陵有色冶銅、化學(xué)提純和其他重金屬工業(yè)部門，大約60%的混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)受到侵蝕。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1999年，國內(nèi)材料協(xié)會(huì)、國內(nèi)建筑文獻(xiàn)協(xié)會(huì)、實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)三家單位成立了混凝土使用年限預(yù)測委員會(huì)，該委員會(huì)致力于研究混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性問題，為延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限提供技術(shù)支持。早在1957年美國就成立了委員會(huì)（ACI1201），該委員會(huì)的成立歸功于美國混凝土學(xué)會(huì)，該委員會(huì)主要職責(zé)在于混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性方面的學(xué)術(shù)研究。2001年，該委員會(huì)就曾提出了“已建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估”的報(bào)告，制定出該如何檢測試驗(yàn)，以及詳細(xì)檢測試驗(yàn)的步驟和方法。在1998年日本就組建團(tuán)隊(duì)針對“建筑安全性和耐久性改進(jìn)技術(shù)”進(jìn)行專項(xiàng)施工方案，于2000年上報(bào)該方案的技術(shù)成果。早在1986年日本就制定并完善了“建筑耐久性設(shè)計(jì)和施工安全”規(guī)范。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在編制《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10-89）時(shí)，我國規(guī)范組人員把主要精力放在了一個(gè)方面，那就是混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性方面，八年之后，規(guī)范組人員對《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10-89）進(jìn)行修改和補(bǔ)充。在修改和補(bǔ)充過程中，將混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的設(shè)計(jì)方法和施工措施作為一個(gè)重點(diǎn)補(bǔ)充對象。國家級和省級也給予了混凝土安全性和耐久性研究提供資金支持，我國在“七五”科研項(xiàng)目和“八五”科研項(xiàng)目時(shí)間段內(nèi)，建設(shè)部就曾提出關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題的解決辦法?！捌呶濉笨蒲许?xiàng)目主要改善在大氣環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性工程難題，這其中也包含了混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性估量，以及混凝土結(jié)構(gòu)的碳化和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕，影響碳化的因素主要是溫度、濕度等。

2 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性因素

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，可以歸結(jié)于混凝土結(jié)構(gòu)對外界影響因素的抵抗能力，當(dāng)外界環(huán)境影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)能維持自身性能，還能保持外觀的美感，進(jìn)而使得混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性不受影響。影響混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的因素有內(nèi)外兩大因素。內(nèi)在因素是指混凝土結(jié)構(gòu)對外部環(huán)境的自我修復(fù)能力，受混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、骨料的選擇、選用何種類型的添加劑、鋼筋到混凝土結(jié)構(gòu)最外層的厚度、選用鋼筋的鋼材質(zhì)量、混凝土的水灰比、施工工藝等因素影響。外部因素是混凝土結(jié)構(gòu)硬化時(shí)產(chǎn)生的物理變化和化學(xué)變化，包含循環(huán)凍融、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的介質(zhì)侵入和腐蝕、混凝土結(jié)構(gòu)被磨損及其他方面原因，這些因素之間相互影響，對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性構(gòu)成危害。

2.2 水泥類材料的腐蝕

混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕分類：一是以混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕介質(zhì)為界限，將其分為硫酸鹽化合物對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕，沿海城市受海水腐蝕的混凝土結(jié)構(gòu)、土壤中的微生物對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等。二是以混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕后的狀態(tài)，將其分為溶出型物質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、易分解型物質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、結(jié)晶型物質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、復(fù)合型物質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等。

2.3 鋼材的腐蝕

2.3.1 化學(xué)腐蝕

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼與環(huán)境直接接觸而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象稱為化學(xué)腐蝕。這主要是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)中的鐵與空氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Fe2O3，從而被腐蝕。當(dāng)空氣中水含量比較少，由于天氣干燥混凝土結(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕速率就會(huì)降低；當(dāng)空氣中水分含量比較大或者氣溫比較高的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕速率就會(huì)加快?；炷两Y(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕還有其他原因，那就是空氣中的O2和具有腐蝕性化合物中的CO2或SO2的化學(xué)反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕。

2.3.2 電化學(xué)腐蝕

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼在濕潤的空氣中和能夠?qū)щ姷囊后w中，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕會(huì)引起液體中電子游動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電化學(xué)腐蝕。這主要是由于混凝土結(jié)構(gòu)中不同金屬間的電位差異引起金屬溶解的后果。當(dāng)CO2或硫化物氣體與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面上的水反應(yīng)時(shí)，生成有害膜，該膜的主要成分是電解質(zhì)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼是由鐵和碳制成的合金以及其他物質(zhì)，這些物質(zhì)之間相互作用生成了鋼。對于負(fù)極，由于電化學(xué)反應(yīng)，具有碳化鐵作為正極的一次電池會(huì)生銹。

3 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的建議

3.1 做好混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測

3.1.1 基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測方法

這是對實(shí)驗(yàn)室大量數(shù)據(jù)的歸納，以及現(xiàn)場施工人員長期以來工作經(jīng)驗(yàn)積累，包括經(jīng)驗(yàn)知識和推理、對耐力壽命的定量預(yù)測。目前，施工現(xiàn)場也多是用這種方法去推測混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，認(rèn)為遵循這種方法，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)具備現(xiàn)場需要的耐久性。如果混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性很長，當(dāng)遇到混凝土結(jié)構(gòu)使用條件比較復(fù)雜及從未經(jīng)歷過的施工難題時(shí)，這種方法就解決不了問題。

3.1.2 數(shù)學(xué)模型的預(yù)測方法

利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)使用年限是最常用的一種方法。預(yù)測的準(zhǔn)確性和模型是否符合事實(shí)及選用材料和周圍環(huán)境系數(shù)的影響因素有關(guān)。目前數(shù)學(xué)模型已開發(fā)用于混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測，它考慮到不同侵蝕性介質(zhì)，如水、鹽或混凝土表面的氣體進(jìn)入過程。

3.2 技術(shù)性措施

提升混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的措施可以概括為基本措施和補(bǔ)充措施兩種。對于基本措施，按照規(guī)范設(shè)計(jì)和合理的施工組織設(shè)計(jì)，使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性發(fā)揮到最佳。在使用混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，保持混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能較高，來制約混凝土周圍環(huán)境因素的影響，防止有害介質(zhì)對混凝土的侵蝕，達(dá)到保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)生銹的目的。

3.2.1 結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計(jì)

盡可能減少位于混凝土結(jié)構(gòu)表層、施工縫隙和防水位置的積水，把排水渠的尺寸盡量做寬，減少混凝土結(jié)構(gòu)暴露在潮濕的空氣中。要選擇簡單且質(zhì)量佳的組件，結(jié)構(gòu)選型時(shí)也要嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行施工。

3.2.2 控制裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因主要有可控性和不可控性兩種形式。有些裂縫是無法控制的，比如因收縮而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞、對混凝土構(gòu)筑物整體進(jìn)行下降或混凝土承受的荷載比較大，由這些原因形成的裂縫都比較寬?；炷两Y(jié)構(gòu)開裂是工程建設(shè)業(yè)急需克服的問題，施工現(xiàn)場有些情況是無法預(yù)料的，作為技術(shù)人員應(yīng)提前做好準(zhǔn)備，確保施工過程中萬無一失。

3.2.3 建筑材料

①混凝土摻合料：在混凝土結(jié)構(gòu)中拌入礦渣及其他混合料，可以達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的效果。綜合利用高含量減水劑和高品質(zhì)外加劑的內(nèi)在潛力，能改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。硅酸鹽水泥混凝土是一種高加工性、高流變性、低放水率、高早強(qiáng)和穩(wěn)定性佳的混凝土結(jié)構(gòu)，高抗?jié)B性和高耐久性的高性能混凝土，已成為現(xiàn)代混凝土技術(shù)的重大突破。

②環(huán)氧涂料：環(huán)氧涂料在生產(chǎn)線上應(yīng)嚴(yán)控質(zhì)量問題，這樣環(huán)氧涂料在對鋼材表面涂抹防護(hù)時(shí)，才能保證鋼材不被銹蝕，確保鋼材在生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工過程中不被損壞。

4 案例分析

東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析

上海東海大橋項(xiàng)目是上海國際航運(yùn)中心集裝箱深水港三大配套項(xiàng)目之一，服務(wù)于洋山深水港集裝箱整理、供水、供電、通訊等需求。這也是繼杭州灣大橋之后世界第二長跨海大橋，大橋始于上海市南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆公路相連。橋梁的主體結(jié)構(gòu)是混凝土結(jié)構(gòu)，全橋的混凝土消耗量約為100萬立方米，其設(shè)計(jì)使用壽命為100年，于2005年5月竣工。東海大橋位于北亞熱帶南緣，東北季風(fēng)盛行，受季風(fēng)影響，對東海大橋的耐久性設(shè)計(jì)要求比較高，可抵抗12級臺風(fēng)、7級烈度地震。東海大橋地處杭州灣海域，其海洋環(huán)境十分明顯，常年氣溫高、濕度大、海區(qū)內(nèi)鹽含量高等。受海洋環(huán)境影響，混凝土結(jié)構(gòu)遭受腐蝕，可以通過控制混凝土組件來避免鹽侵蝕，如鎂鹽、硫酸鹽和堿集料，此外，工程結(jié)構(gòu)采取高標(biāo)準(zhǔn)的防腐措施，確保大橋在使用壽命年限內(nèi)的安全性和耐久性滿足正常使用要求。國內(nèi)外工程技術(shù)人員研究證實(shí)，使得東海大橋中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的原因是氯離子對鋼筋混凝土中的鋼材進(jìn)行腐蝕，這些積聚在鋼筋表面的氯離子會(huì)與鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（氯離子半徑比較小，具有一定的絡(luò)合性，破壞鋼材表面，進(jìn)而腐蝕鋼材），進(jìn)而腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對東海大橋周邊沿海建筑物的研究也表明，處于沿海地區(qū)的建筑物受海洋環(huán)境影響，混凝土結(jié)構(gòu)被氯離子滲透的腐蝕要遠(yuǎn)高于混凝土結(jié)構(gòu)的碳化，氯離子的滲透是導(dǎo)致東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要原因。

5 結(jié)論

混凝土的具體結(jié)構(gòu)代表了多尺度、多體、非平衡的系統(tǒng)，各因素之間相互作用強(qiáng)烈，難以區(qū)分實(shí)際設(shè)計(jì)中的各種因素，特別是外部環(huán)境因素與內(nèi)部因素的相互作用。實(shí)際技術(shù)中的各種因素也是非常不確定的、偶然的和不可識別的。水灰比和水泥用量是根據(jù)現(xiàn)場施工要求隨機(jī)變化的，各施工單位對于不同施工部位的施工方法也不一樣，受外界環(huán)境影響，空氣中水分含量、溫差大小、空氣中二氧化碳濃度、風(fēng)壓大小以及方向等影響因素也不同。由于復(fù)雜的不確定因素相互作用幾乎無法檢測到，單靠機(jī)械和微觀分析無法反映整體特征，并且無法從實(shí)際工程數(shù)據(jù)中獲取機(jī)械信息。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性是一個(gè)多元化問題，通過尋找各種因素的共同性，進(jìn)行預(yù)測和保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)混凝土的安全性和耐久性。