混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談

林麗輝

莆田市建誠工程檢測有限公司

1 引言

近年來，我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究與應(yīng)用皆取得重大進(jìn)展，以三峽大壩、港珠奧大橋?yàn)榇淼闹T多建筑工程混凝土設(shè)計(jì)壽命都達(dá)到100年。綜合來看，這樣的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，多數(shù)具有針對(duì)性與適用性。

2 工程概況

上海東海大橋全長32.5km，大橋主體結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，全橋混凝土用量約100萬立方米，設(shè)計(jì)使用壽命100年。

東海大橋在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到浪濺區(qū)、變動(dòng)區(qū)、大氣區(qū)、水下區(qū)對(duì)混凝土不同結(jié)構(gòu)的腐蝕情況，考慮到在海洋環(huán)境下由氣候和環(huán)境介質(zhì)侵蝕引起的鋼筋銹蝕、鹽類侵蝕、溶蝕、堿—集料反應(yīng)等表現(xiàn)形式，均采用了有針對(duì)性的措施予以預(yù)防和保護(hù)。

混凝土鉆孔樁、承臺(tái)、墩柱和箱梁等主結(jié)構(gòu)因所處外部環(huán)境的不同所采用的保護(hù)層厚度不同，特別是位于浪濺或潮差區(qū)的部位，以及保護(hù)層相對(duì)較小的部位，除使用高性能混凝土外，還應(yīng)有附加保護(hù)措施。具體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案見表1。

表1 東海大橋海上段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案

3 混凝土耐久性的影響因素

3.1 鋼筋銹蝕

外部介質(zhì)引起的電化反應(yīng)是鋼筋發(fā)生銹蝕的主因，鐵銹的形成需要一個(gè)較長的過程，在這個(gè)過程中，外部介質(zhì)滲入混凝土，形成裂縫，腐蝕鋼筋，使得鋼筋結(jié)構(gòu)被破壞。具體鋼筋銹蝕的表現(xiàn)形式可見圖1。

圖1 鋼筋銹蝕

影響鋼筋銹蝕的主要因素，首先是電位，本質(zhì)上鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過程，電位差是鋼筋銹蝕狀態(tài)與活性的直接反映【1】。

其次是氯離子含量，當(dāng)混凝土中的氯離子含量達(dá)到0.6kg/m3～1.2kg/m3時(shí)，會(huì)引發(fā)去陽極化，造成陰陽極歐姆電阻降低與離子道路強(qiáng)化，使得鋼筋銹蝕的情況加重，腐蝕的速度加快。

第三是混凝土碳化深度，混凝土碳化對(duì)鋼筋銹蝕的影響可以用pH 值來直觀表示，當(dāng)pH 值低于10 時(shí)，鋼筋銹蝕的速度較小，當(dāng)pH值低于9時(shí)，混凝土呈現(xiàn)低堿性，鋼筋表層鈍化膜會(huì)因此受到破壞發(fā)生碳化，從而使得鋼筋更易被銹蝕，當(dāng)pH值低于4時(shí)，鋼筋銹蝕的速度會(huì)呈現(xiàn)加快上升的狀態(tài)。

第四是混凝土保護(hù)層的厚度，必要的保護(hù)層厚度能夠有效推遲水汽、有害物質(zhì)離子等與鋼筋表面的擴(kuò)散時(shí)間【2】。

第五是鋼筋銹蝕屬于電化學(xué)腐蝕，與混凝土中的電阻率有關(guān)，混凝土是電子傳遞的介質(zhì)，混凝土電阻率小，混凝土導(dǎo)電能力越強(qiáng)，鋼筋銹蝕發(fā)展速度越快。

第六是混凝土的密實(shí)度，混凝土的密實(shí)度受到振搗、級(jí)配、養(yǎng)護(hù)等的影響，混凝土內(nèi)部孔隙、管道越小，說明密實(shí)度越好，由此就會(huì)使得增加腐蝕物質(zhì)的滲入難度，從而減小鋼筋銹蝕發(fā)生的可能。

3.2 混凝土滲透破壞

滲透性是混凝土的綜合指標(biāo)之一，而滲透破壞是指氣體、液體或者離子受壓力、化學(xué)勢(shì)或者電場的作用，在混凝土中滲透、擴(kuò)散或遷移的難易程度而對(duì)混凝土造成的破壞。

影響混凝土抗?jié)B性的主要因素，首先是水灰比，水灰比越大，混凝土抗?jié)B性越差，0.6是水灰比的分界值，一旦水灰比超過0.6的值限，就會(huì)使得混凝土抗?jié)B性大幅度降低。為此對(duì)混凝土水灰比的有效控制十分重要，是對(duì)混凝土耐久性的有效保持。

其次是骨料性能，骨料性能包括粒徑、級(jí)配等。粒徑與總表面積有關(guān)，粒徑小則總表面積大，混凝土需要增加用水量以保持流動(dòng)性，由此會(huì)使孔道增多。而骨料級(jí)配差則會(huì)增加空隙率，需要增加水泥漿用量，同樣會(huì)使孔道增多。當(dāng)水泥漿不能填滿空隙時(shí)，混凝土的抗?jié)B性會(huì)嚴(yán)重降低。

第三是施工過程中的質(zhì)量控制與養(yǎng)護(hù)情況，抗?jié)B性與混凝土振搗情況密切相關(guān)，如果振搗不到位出現(xiàn)蜂窩、空洞，則會(huì)使混凝土抗?jié)B性嚴(yán)重降低。另外，在低溫、高溫等極端天氣狀態(tài)下，加之澆水養(yǎng)護(hù)不到位，就會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫，造成抗?jié)B性的降低。

3.3 化學(xué)腐蝕

容易對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成化學(xué)腐蝕的有氯鹽、二氧化碳、硫酸鹽、酸雨和微生物等。

4 提高混凝土耐久性的措施

4.1 混凝土材料

通常情況下，硅酸鹽水泥是混凝土中最常使用的水泥種類，具體硅酸鹽水泥可以分為普通、礦渣、火山灰質(zhì)、粉煤灰質(zhì)和復(fù)合等種類。在具體選用時(shí)，強(qiáng)度不是唯一的指標(biāo)，如果過分強(qiáng)調(diào)水泥的強(qiáng)度，會(huì)使水泥用量盲目增加，不利于混凝土耐久性的增加。另外，特別是要控制早強(qiáng)水泥的使用，這是因?yàn)樵鐝?qiáng)水泥在早期受強(qiáng)度影響極易開裂，不利于混凝土的性能發(fā)揮【3】。除了水泥外，骨料也是混凝土中的常用材料，骨料最大粒徑小，有利于提高混凝土的耐久性。粗骨料最大粒徑大，混凝土抗?jié)B性降低，反之提高。細(xì)骨料應(yīng)選擇級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固的天然中粗砂，不宜使用機(jī)制砂和山砂，嚴(yán)禁使用海砂。礦物摻合料的使用首要目的是為了符合混凝土耐久性需求。外加劑的適當(dāng)摻入能明顯改善或提高混凝土耐久性能，盡量降低拌和水用量，外加劑性能必須滿足相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。拌和水不得采用海水，特別是當(dāng)混凝土可能處于氯鹽腐蝕性環(huán)境時(shí)，混凝土拌和用水中的氯離子含量宜不大于200mg/L。其他材料還包括礦物摻合料、外加劑、拌和水等。

4.2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括配合比設(shè)計(jì)和保護(hù)層設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

混凝土配合比設(shè)計(jì)是根據(jù)工程要求、結(jié)構(gòu)形式和施工條件來確定混凝土各組分的比例關(guān)系的一個(gè)過程，大體積混凝土盡量減少水泥用量和用水量，降低水化熱，減少收縮裂縫，提高混凝土耐久性能。而混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)要從鋼筋黏結(jié)錨固角度對(duì)混凝土保護(hù)層提出要求，以保證鋼筋與其周圍混凝土能共同工作，并使鋼筋充分發(fā)揮計(jì)算所需強(qiáng)度。

4.3 施工質(zhì)量控制

首先是混凝土的施工過程控制。在進(jìn)行耐久混凝土施工時(shí)，質(zhì)量控制是十分關(guān)鍵的工作，特別是對(duì)表層混凝土密實(shí)度、均勻度的確定，對(duì)混凝土保護(hù)層厚度的確認(rèn)，對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)以防出現(xiàn)裂縫等方面。在進(jìn)行混凝土施工的工序規(guī)劃時(shí)，首先要明確的目標(biāo)是降低新澆筑混凝土硬化過程中因收縮而發(fā)生開裂的可能，以及降低約束拉應(yīng)力。另外，為了更好地確定鋼筋保護(hù)層厚度與進(jìn)行鋼筋定位，應(yīng)合理使用定位夾、纖維砂漿塊等專用定位、定型工具。良好的攪拌是確?；炷辆鶆蛐缘谋Ｕ希话闱闆r下在保證攪拌時(shí)間的前提下，使用臥軸式、行星式、逆流式等機(jī)器進(jìn)行攪拌。

其次是混凝土的入模溫度控制?；炷寥肽囟鹊目刂茟?yīng)以實(shí)際情況相匹配，比如溫度高時(shí)應(yīng)控制入模溫度不超過氣溫，且最高不得超過30℃，溫度低時(shí)應(yīng)控制入模溫度在-12℃以上。對(duì)于一些較為重要的工程，需要先對(duì)可能出現(xiàn)的裂縫、溫度變化、拉應(yīng)力變化等情況進(jìn)行分析預(yù)估，并以此為基礎(chǔ)制定澆筑、養(yǎng)護(hù)等施工順序，特別是對(duì)基礎(chǔ)底板等部位中點(diǎn)溫度、表層溫度等進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以確保養(yǎng)護(hù)的效果。

第三是混凝土養(yǎng)護(hù)?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)方式在不同的階段有不同的注意事項(xiàng)，比如在混凝土發(fā)熱階段要使用噴霧養(yǎng)護(hù)的方法，以保證混凝土表面溫度變化不會(huì)發(fā)生激變。一般情況下，混凝土養(yǎng)護(hù)使用的方法是蓄水或者灑水，對(duì)于水分的保持十分關(guān)鍵，比如覆塑料薄膜時(shí)要保證搭接密封，模板的連接要保持連續(xù)等。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的養(yǎng)護(hù)不得中斷。

最后是混凝土拆模?；炷敛鹉r(shí)應(yīng)考慮的因素包括強(qiáng)度、溫度等，對(duì)于溫度的考慮主要是防止混凝土因水化熱導(dǎo)致溫度過高狀態(tài)下接觸空氣降溫導(dǎo)致開裂，在這一時(shí)期特別要注意不能使用灑水養(yǎng)護(hù)。拆模時(shí)，應(yīng)按逆立模順序進(jìn)行，保證混凝土與模板完整，當(dāng)混凝土與模板脫離后，可對(duì)模板進(jìn)行拆卸、吊運(yùn)等工作，拆模后，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后才可以正常使用，承受荷載。需要注意的是，在環(huán)境溫度較高的情況下，拆模工藝主要是采用逐段進(jìn)行，邊拆邊覆的形式，另外，混凝土內(nèi)部開始降溫以前以及混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)不得拆模。

5 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)能否承受設(shè)計(jì)荷載，隨著施工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的控制水平將會(huì)大幅度提高，在保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的過程中，應(yīng)嚴(yán)格對(duì)原材料質(zhì)量、施工組織、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行有效控制，并加大對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提高的研究。