多種因素作用下對混凝土構(gòu)件耐久性研究綜述

黃振揚

(北部灣投資集團(tuán)有限公司沿海高速公路分公司， 廣西 欽州 535300）

0 前言

我國地域遼闊、人口眾多的國情決定了我國在進(jìn)行經(jīng)濟建設(shè)的同時，就需要進(jìn)行足夠的與之相匹配的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程項目，這些工程項目一旦建成，有很大一部分部位的構(gòu)件都會直接與大氣、海洋、沙漠戈壁沙漠環(huán)境接觸，在不同的環(huán)境中都存在著對混凝土構(gòu)件有著至關(guān)重要的影響因素。曾經(jīng)有國外學(xué)者指出，因混凝土構(gòu)件耐久性造成的代價，有時候甚至是其造價的五倍，因此，研究如何提高混凝土構(gòu)件在不同環(huán)境中的耐久性具有十分重要的使用和經(jīng)濟意義。

1 一般環(huán)境狀況下混凝土構(gòu)件耐久性的研究

對于混凝土的耐久性，由于世界各國的國情不同，歐洲各國對混凝土構(gòu)件的耐久性是以材料和構(gòu)件的抵抗衰退和抗腐蝕的能力為標(biāo)準(zhǔn)，對其進(jìn)行定義；我國土木行業(yè)對混凝土的耐久性基本概念是：在設(shè)計使用年限內(nèi)不需要進(jìn)行大修，即可實現(xiàn)其預(yù)期設(shè)計目標(biāo)的能力。雖然，世界各國對混凝土構(gòu)件耐久性的具體定義不同，但從其內(nèi)容可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性均包含了，在設(shè)計年限構(gòu)件的穩(wěn)定性、安全性及美觀性的要求[1]。

1.1 在帶裂縫工作狀態(tài)下對混凝土耐久性的研究

由于混凝土抗拉能力相對較弱的材料特點，混凝土構(gòu)件在承受正彎矩（一般定義混凝土梁的彎矩，以下部受拉為正）最大的部位，在混凝土構(gòu)件的彈性工作階段末期（第I 階段末期）就會出現(xiàn)[2]，所以研究混凝土構(gòu)件在一般環(huán)境條件下的帶裂縫工作階段具有實際的工程意義。

對帶裂縫狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的耐久性做過研究的不僅有前蘇聯(lián)的科學(xué)家，我國的研究人員也做過研究分析；其中有代表性的是陳向勇[3]做的題目為《帶裂縫鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性壽命預(yù)測》的研究，該研究在僅考慮構(gòu)件在潮濕工作環(huán)境下，基于FICK 第一定律，研究混凝土構(gòu)件的碳化和鋼筋銹蝕。該研究表明，由于構(gòu)件中裂縫的存在，在裂縫處的混凝土碳化速度與裂縫的寬度平方成正比；對構(gòu)件中鋼筋的銹蝕速度與裂縫寬度采用模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行分析表明，混凝土裂縫的出現(xiàn)條件和寬度基本吻合。

1.2 在考慮Cl-作用下對混凝土構(gòu)件耐久性的研究

目前，我國混凝土材料不僅是在房屋建筑中普遍使用，而且在大跨徑橋梁項目建設(shè)中預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的建設(shè)，在江河湖泊修建攔水大壩、水電站等，在這些項目的建設(shè)過程中，混凝土都是必不可少的建設(shè)用材，而且在項目竣工完成后，能否達(dá)到其預(yù)計使用壽命都與混凝土構(gòu)件在海水環(huán)境作用下的耐久性能密不可分。所以，研究在海水等含有化學(xué)離子元素對混凝土構(gòu)件的耐久性，不僅有著科研意義而且有著重要的實際工程和經(jīng)濟效益。

在針對海水作用下的混凝土構(gòu)件的耐久性研究時，研究人員為量化出對構(gòu)件耐久性研究的不同因素，對該影響因素的研究就從不同方面做出了研究試驗，并對構(gòu)件的使用壽命做了預(yù)測，本文對劉志勇[7]的研究進(jìn)行主要介紹，在該研究中對鋼筋混凝土構(gòu)件破壞的主要原因歸結(jié)為構(gòu)件中鋼筋首先的銹蝕破壞；在海水環(huán)境下，引起鋼筋銹蝕的主要元素是海水中大量存在的Cl-[4]，海水中的Cl-在構(gòu)件中的滲透是引起鋼筋銹蝕的主要原因，元素離子在混凝土中的滲透速度與構(gòu)件的耐久性關(guān)系密切；與在其他潮濕空氣相比，在研究海洋大氣中影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素時，還要考慮空氣中存在的二氧化碳成分；而且在二氧化碳和海洋鹽離子的共同作用下，與單一因素相比，其作用方式和作用速度有著很大不同。在考慮混凝土自身條件因素下，從飽海水混凝土、鋼筋的脫鈍化臨界值、海洋大氣環(huán)境下的混凝土、海洋潮汐環(huán)境下的混凝土、大量摻工業(yè)廢渣的混凝土在不飽和狀態(tài)研究[5]的基礎(chǔ)上，劉志勇的研究基于Fick 第二定律，在考慮時間、溫度、混凝土飽和度等多種因素的基礎(chǔ)上，主要從混凝土的碳化機理、碳化模型、考慮混凝土毛細(xì)作用、離子滲透與碳化共同作用等因素，關(guān)于海水混凝土耐久性的研究主要下等不同方面對海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了研究。在進(jìn)行實驗分析后，對海洋環(huán)境下的混凝土構(gòu)件的使用壽命預(yù)測的方法[6]和模型進(jìn)行了分類，并作出了說明；其分析表明：鋼筋混凝土構(gòu)件中，鋼筋的銹蝕不僅與混凝土孔徑溶液中的Cl-有關(guān)，而且與溶液中的 OH-密切相關(guān)；其試驗結(jié)果同時還表明：混凝土的碳化對構(gòu)件的銹蝕有著促進(jìn)的作用。

2 凍融環(huán)境下對混凝土構(gòu)件耐久性研究

凍融循環(huán)是指在結(jié)構(gòu)中水分的凍結(jié)和融化交替出現(xiàn)的現(xiàn)象；由于在我國北方冬季的溫度幾乎全部處于零攝氏度一下，所以在這些地區(qū)的混凝土構(gòu)件的設(shè)計使用年限內(nèi)，肯定會伴隨著凍融循環(huán)的現(xiàn)象，研究混凝土構(gòu)件在凍融環(huán)境下的影響因素，對提高凍融地區(qū)構(gòu)件的使用壽命，也會有著指導(dǎo)意義。

在李福海對混凝土構(gòu)件在凍融環(huán)境下的耐久性研究[7]過程中，是以橋梁下部混凝土構(gòu)件在凍融環(huán)境下的侵蝕研究為例進(jìn)行的；在對蒸餾水、硫酸鈉溶液、硫酸鈉與氯化鈉混合溶液進(jìn)行凍融試驗對比，結(jié)果表明：混凝土構(gòu)件內(nèi)部水的冰點由于構(gòu)件內(nèi)部存在的其他元素離子而降低，且在不同元素離子占優(yōu)勢的環(huán)境下，其損傷、破壞的表現(xiàn)也是不同的；鹽溶液與混凝土中的成分會發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，會加速構(gòu)件的腐蝕破壞。在蒸餾水的試驗中，凍融作用下混凝土的破壞主要是由于，構(gòu)件中的混凝土在內(nèi)部水結(jié)冰時的體積膨脹引起的混凝土漲裂破壞[8]；在硫酸鹽與凍融環(huán)境共同作用下構(gòu)件的破壞，主要是由于硫酸與混凝土內(nèi)部的水泥漿體水化物成分發(fā)生反應(yīng)，生成新的膨脹性物質(zhì)造成混凝土開裂；在氯鹽與凍融環(huán)境共同作用下，構(gòu)件的破壞主要是由于水、氯離子、鐵形成了宏電池，造成構(gòu)件中的鋼筋發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)[9]，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層不能與鋼筋良好的粘結(jié)，從而降低構(gòu)件的耐久性和承載能力降低。所以，為改善凍融環(huán)境下混凝土的工作性能，在混凝土摻加減水劑、硅灰等材料都有益于構(gòu)件的工作性能的改善。

3 采用淡化海砂對混凝土構(gòu)件耐久性的影響研究

砂石作為骨料在混凝土構(gòu)件的制作和使用過程中，對構(gòu)件耐久性有著至關(guān)重要的影響；目前由于對河砂開采的限制，在混凝土構(gòu)件使用海砂的趨勢，已是勢在必行，所以有必要對海砂中存在的多種元素離子對構(gòu)件耐久性的影響進(jìn)行研究。

早在20 世紀(jì)80 年代，歐美各國在建筑領(lǐng)域中已開始大量使用海砂，并開始對海砂的淡化開始系統(tǒng)性研究[10]；同在在亞洲的日本，不僅在本國的建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)大量使用海砂，而且選擇優(yōu)質(zhì)細(xì)砂制作構(gòu)件出口國外。我國由于在海砂使用方面缺少經(jīng)驗和相關(guān)知識的指導(dǎo)，出現(xiàn)了“海砂屋”等貽笑大方的事件；在蔣科峰[11]進(jìn)行的關(guān)于淡化海砂的使用對混凝土構(gòu)件耐久性的研究中，從海砂與河砂的差異性的各個方面進(jìn)行了比較研究。在研究由于海砂與河砂的形狀差異引起的混凝土硬化過程中，構(gòu)件內(nèi)部孔隙的出現(xiàn)，選用敦刻爾克淡化海砂與河砂為細(xì)骨料制作構(gòu)件，以“可蒸發(fā)水含量法”進(jìn)行試驗分析，結(jié)果表明其二者在抗拉壓強度、抗彎剪強度等方面差別很小；在進(jìn)行淡化海砂和河砂的制作的構(gòu)件的碳化速度研究時發(fā)現(xiàn)，海砂構(gòu)件的碳化速度比河砂構(gòu)件的碳化速度，隨著時間的增加差別減小，但海砂構(gòu)件相比于標(biāo)準(zhǔn)砂構(gòu)件的膨脹率，在各個齡期均較大。此外，洪錦祥從凍融環(huán)境對混凝土構(gòu)件的抗疲勞性能的影響方面進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果也表明混凝土構(gòu)件的抗疲勞性能隨凍融次數(shù)的增加而急劇降低，且當(dāng)外部存在鹽離子情況下，構(gòu)件的抗疲勞性能下降更加明顯。

4 對混凝土構(gòu)件耐久性研究的問題

目前，國內(nèi)外對混凝土構(gòu)件耐久性的研究，主要從混凝土構(gòu)件的工作環(huán)境、組成骨料等方面進(jìn)行，而對在設(shè)計和施工過程中可能出現(xiàn)的對混凝土構(gòu)件耐久性產(chǎn)生影響的因素研究較少；如在設(shè)計過程中對受彎剪部位的構(gòu)件內(nèi)部彎起鋼筋對構(gòu)件裂縫出現(xiàn)的影響；在施工過程中，在承受剪力較大的部位如支座部位的下部，放置彎起的構(gòu)造筋，避免在施工過程中因局部剪力過大而過早出現(xiàn)裂縫；在混凝土橋梁建設(shè)中，由于晝夜溫差較大，在施工過程中由于施工溫差的作用可能會導(dǎo)致溫度應(yīng)力作用，導(dǎo)致橋梁建設(shè)過程中局部構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，甚至由于溫差位移的累加，可能導(dǎo)致在橋梁的合龍階段，不能順利合龍等后果。

總之，對混凝土耐久性的研究，已經(jīng)進(jìn)行了上百年，目前的研究結(jié)果皆表明，在混凝土裂縫的存在、混凝土的收縮徐變、外部鹽離子的作用、凍融作用、構(gòu)件混凝土的碳化等一種或多種耦合因素作用下，構(gòu)件的耐久性均會降低。對混凝土構(gòu)件目前仍在不斷改進(jìn)，如當(dāng)前利用尾波干涉技術(shù)（CWI)對混凝土構(gòu)件進(jìn)行耐久性分析，該技術(shù)是從尾波在地震方面的研究推廣而來。在材料改進(jìn)方面，在本世紀(jì)初趙建昌等人合作的項目，針對超效緩凝砂漿與緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件試驗研究，從研制添加新的具有明顯改變混凝土前期性能的方面，對構(gòu)件的耐久性的影響進(jìn)行研究。所以，對混凝土構(gòu)件耐久性的研究技術(shù)的改進(jìn)不僅與本學(xué)科的技術(shù)和研究方法的進(jìn)步而向前推進(jìn)，其他學(xué)科如力學(xué)、數(shù)學(xué)、材料等其他學(xué)科的認(rèn)識的推進(jìn)，也會對混凝土構(gòu)件耐久性研究有著推進(jìn)作用。