摘 要:鋼筋混凝土結構的耐久性是一個十分重要的問題,文章從混凝土自身的材料性質出發,分別分析了水灰比、水泥品種和數量、氯離子含量以及堿骨料的含量對混凝土結構耐久性影響,并提出一些控制措施。
關鍵詞:混凝土結構;材料性質;耐久性
中圖分類號: TU582. 1 ; TU375 文獻標識碼:A 文章編號:167325781 (2007) 0120091203
0 引 言
眾所周知,鋼筋混凝土結構結合了鋼筋與混凝土的優點,造價較低,其應用非常廣泛,當然這并不是說鋼筋混凝土結構是十全十美的,事實上,如今有大量的混凝土結構由于各種各樣原因提前失效,這其中主要是由于結構的耐久性不足引起的。近年來,國內外的統計資料表明,由于混凝土結構耐久性病害而導致的經濟損失是巨大的,并且耐久性問題會越來越嚴重。因此,鋼筋混凝土結構耐久性問題是一個十分重要而迫切需要解決的問題[1 ,2 ] 。
1 材料的劣化與混凝土結構耐久性
混凝土結構耐久性是基于材料耐久性的進一步深化,混凝土結構在自然環境和使用條件下,隨著時間的推移,材料逐漸老化和結構性能劣化,出現損傷甚至損壞,是一個不可逆的過程。它不是直接由力學因素引起的,而是首先由于混凝土材料的物理化學作用的結果,繼而影響到建筑物的使用功能和結構的承載力下降,最終會影響整個結構的安全。其中最明顯的病害損傷事例,如海洋環境下混凝土結構受到含有氯離子介質的侵蝕,而導致鋼筋銹蝕,嚴重的銹蝕會使混凝土開裂,不僅影響使用功能和外觀,甚至使鋼筋截面削弱,結構構件承載力下降,對結構安全性造成威脅。
所謂混凝土結構的耐久性,是指混凝土結構在自然環境、使用環境及材料內部因素的作用下,在設計要求的目標使用期內,不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。從定義可以看出,混凝土結構耐久性研究應考慮材料性質、結構設計、施工質量和外界環境條件諸因素。材料層次的研究是混凝土結構耐久性研究的最基礎部分,也是使結構耐久性變差的內在因素。因此本文將主要從材料層次研究處于一般大氣環境下的混凝土結構耐久性[1～3 ] 。
材料的耐久性劣化主要包括混凝土碳化、氯離子對鋼筋的銹蝕、堿- 骨料反應、凍融破壞。每一種材料劣化過程,既有屬于材料本身的因素,又有屬于環境條件的因素,每一種由環境條件(外因) 引起的破壞均通過自身條件(內因) 而起作用的。唯物辯證法中指出,內因決定外因,外因是通過內因而起作用,因此在本文中,將重點談談混凝土自身的材料性質對混凝土結構的耐久性影響。分別從水灰比、水泥品種和數量、氯離子含量、堿骨料含量這幾個方面進行分析。
1. 1 混凝土碳化
埋在混凝土中的鋼筋通常不會銹蝕,這是由于混凝土呈高度堿性,會在鋼筋表面形成一層可以防止銹蝕發展的保護膜(鈍化膜) ,但當大氣中的二氧化碳和水汽從混凝土表面向里滲透并與混凝土中的堿性物質起化學作用,會使混凝土堿度降低,當碳化或中性發展到鋼筋表面,破壞了鈍化膜得以形成的條件,鋼筋就會發生銹蝕,從而影響到混凝土結構的耐久性。
1. 1. 1 水灰比
從破壞機理看出,混凝土配合比,特別是水灰比是影響混凝土密實性的主要因素。水灰比對碳化的影響見表1 所列。
從表1 中可以看出,隨著水灰比的增大,混凝土的碳化速度也相應地增大,這是因為碳化深度受單位體積的水泥用量或水泥石中的Ca (O H) 2 含量的影響,水灰比越大,單位水泥用量越小,混凝土單位體積內的Ca (OH) 2 含量也越少,碳化速度越快,同時水灰比越大,混凝土內部的空隙率也隨之增大,CO2 有效擴散系數擴大,這是使混凝土碳化速度加快的另一個原因,因此為了減少混凝土碳化引起的危害,適當控制水灰比是重要的。
1. 1. 2 水泥品種和用量
水泥品種和用量對混凝土性能也有很大影響,因為兩者是決定水泥水化后單位體積混凝土中可碳化物質含量的主要材料因素,因而也是影響混凝土碳化速度的主要因素之一。同樣,可以說水泥用量是影響混凝土碳化最主要的因素之一。水泥用量越大,則單位體積混凝土中可碳化物質的含量越多,消耗的CO2 也越多,其抗碳化性能也越高,規律性十分明顯。
1. 2 氯離子對鋼筋的銹蝕
當有足夠濃度的Cl - 擴散到鋼筋表面時,當到達鋼筋表面處的氯離子濃度積累到一定值(臨界濃度)后可以導致鋼筋鈍化膜破壞;因此混凝土氯化物的臨界濃度是一個十分重要的指標。
混凝土中的Cl - 來源有內摻和外摻兩種,內摻的Cl - 主要來源于混凝土拌制過程中摻加的CaCl2 等防腐劑;海水環境中的海工混凝土及路面撒除冰鹽的公路混凝土,環境中的Cl - 通過混凝土孔溶液逐步向內滲透,即為外滲型的Cl - 的來源。
鋼筋位置溶液中游離Cl - 濃度越大,則其對鈍化膜的破壞作用越大,鋼筋的活性也越大,銹蝕速度也越快。由于鋼筋的活性還受到p H 值的影響,因此人們認為氯化物引起混凝土中鋼筋的去鈍化,并不單純取決于混凝土孔隙液游離Cl - 的濃度,更重要的參數是[ Cl - ]/ [OH- ]的值,表2 給出了不同p H 值堿溶液中的[Cl - ]/ [OH- ]臨界值。
由表2 換算得到的氯鹽總摻量與環境氯鹽濃度臨界值見表3 所列。
1. 3 堿- 集料反應
堿- 集料反應是指混凝土中的堿與集料中的活料組分之間的發生的破壞性膨脹反應,是影響混凝土耐久性最主要的因素之一,它不同于其它混凝土病害,其開裂破壞是整體性的,且堿- 集料反應造成的混凝土開裂破壞難以被阻止,因而成為混凝土中的“癌癥”,當配制混凝土時使用了含有活性礦物成分的砂石骨料,后者就會與混凝土中的堿發生化學反應,形成某種膠凝體,遇水后體積膨脹可使混凝土發生脹裂破壞。堿溶液還會浸入集料在破碎加工時產生的裂縫中發生反應,使集料受腫脹力作用而破壞。
如前所述,含堿量(Na2O + 0. 685 K2O) 是影響堿- 集料反應的重要因素之一,混凝土中的堿含量與水泥用量有關,還與骨料中礦物的種類及其活性程度有關。一般規定含堿量小于0. 6 %的為低堿水泥,低堿水泥一般不會發生堿- 集料反應。根據工程的不同環境條件提出了不同防止堿- 硅酸反應的堿含量的限制,見表4 所列。
1. 4 混凝土的凍融破壞
混凝土水化結硬后,內部有很多孔隙,非結晶水滯留在這些孔隙中。在寒冷地區,由于低溫時混凝土孔隙中的水結成冰后產生體積膨脹,引起混凝土結構內部損傷逐漸達到一定程度而引起宏觀的破壞。破壞前期是混凝土強度和彈性模量降低,接著是混凝土由表及里的剝落。
在我國北方地區的室外混凝土結構存在凍融破壞問題。當混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯離子時,混凝土的凍融破壞加劇。
總結已建工程的運行實踐和室內混凝土的抗凍性能試驗,得出水泥品種對混凝土抗凍性能有一定影響,且隨水泥中混合材料摻入量的增加,混凝土的抗凍性降低。
國內各種水泥抗凍性高低的順序為:硅酸鹽水泥> 普通硅酸鹽水泥> 礦渣硅酸鹽水泥> 火山灰(粉煤灰水泥) 硅酸鹽水泥,見表5 所列。
上述的鋼筋與混凝土種種劣化過程,都需要有水的參與或以水作為媒介。鋼筋與混凝土在干燥的環境下均不容易發和劣化,對鋼筋來說,最不利的環境就是干濕交替。所以提高混凝土結構耐久性的首要途徑就是增加混凝土材料自身的密實性,并增加鋼筋的混凝土保護層厚度。這樣才能阻擋水分、氧氣、二氧化碳及有害物質的侵入,并延緩其到達鋼筋位置的時間。傳統的混凝土通常由水泥、水和砂石三種原材料拌合而成,為了增加混凝土的密實性,最主要的手段是要減少拌和水的用量,并在混凝土中加入礦物摻和料,降低混凝土的水灰比,是提高耐久性的主要措施之一[4 ,5 ] 。
2 結束語
(1) 從以上種種材料的耐久性劣化可知,為了提高混凝土結構的耐久性,要根據結構的環境類別,合理地選擇混凝土原材料。
(2) 改善混凝土的級配,控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土強度等級,提高混凝土的抗滲性和密實性。
(3) 在今后的結構設計中,應嚴格遵循文獻[1 ]的規定,控制水灰比、水泥用量、氯離子含量以及堿含量。
〔參考文獻〕
[1] 張 譽,蔣利學,張偉平,等. 混凝土結構耐久性概論[M] . 上海:上海科學技術出版社,2003.
[2] 金偉良,趙羽習. 混凝土結構耐久性[ M] . 北京: 科學出版社,2002.
[3] 中國工程院土木水利與建筑學部工程結構安全性與耐久性研究咨詢項目組. 混凝土結構耐久性設計與施工指南[M] . 北京:中國建筑工業出版社, 2004.
[4] GB50010 - 2002 ,混凝土結構設計規范[ S] .
[5] 趙順波. 混凝土結構設計原理[ M] . 上海: 同濟大學出版社,2004.
