材料劣化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響

劉 記

西南交通大學(xué)地下工程系（610031）

所謂混凝土耐久性，是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下,在設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)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[1]。混凝土耐久性與國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)安定、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等密切相關(guān)，是混凝土材料科學(xué)的重大研究課題。在材料劣化方面最常見的有混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕、堿-骨料反應(yīng)以及混凝土的凍融破壞等。

1 混凝土的碳化

一般的，早期混凝土呈堿性，當(dāng)空氣、土壤或是地下水中的酸性物質(zhì)如 CO2、HCl、SO2、Cl2深入混凝土表面與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程,稱為混凝土的中性化。

碳化的因素主要包括材料因素和環(huán)境條件因素:材料因素包括水灰比（水灰比越大，碳化深度越大）、水泥品種用量（同一品種水泥的碳化深度與用量成反比）、骨料級(jí)配、外加劑以及混凝土強(qiáng)度（強(qiáng)度越高，碳化速度越小）；環(huán)境條件因素包括相對(duì)濕度（70%～80%左右的中等濕度時(shí)，碳化速度最快）、CO2濃度（碳化速度與CO2濃度的平方根成正比）、溫度（溫度升高，碳化速度加快）。碳化會(huì)降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利影響。

2 鋼筋銹蝕

混凝土中水泥水化后在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜,故在正常情況下鋼筋不會(huì)銹蝕，但鈍化膜一旦遭到破壞，在有足夠水和氧氣的情況下會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,鋼筋出現(xiàn)銹蝕。由于鋼筋的不斷銹蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂，鋼筋與混凝土之間的粘接力破壞，鋼筋受力截面減少，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低[2]。

鋼筋銹蝕的因素主要有:①pH值:當(dāng)pH＜4時(shí)，腐蝕形式由原先的吸氧腐蝕轉(zhuǎn)化為析氫腐蝕,腐蝕率急劇上升;當(dāng)pH＞10時(shí),腐蝕速率的降低基本上與pH的增大成正比;當(dāng)4＜pH＜10時(shí)，腐蝕速率基本保持不變。②溫度:當(dāng)溫度小于10℃時(shí)，腐蝕速率比較慢；在10～60℃時(shí)，腐蝕速率隨溫度上升而加大，兩者幾乎成正比關(guān)系。③Cl-濃度:Cl-濃度越大，則其對(duì)鈍化膜的破壞作用越大,鋼筋的活性越大，銹蝕速度越大。Cl-的擴(kuò)散系數(shù)隨水灰比的增大而增大。

3 堿-骨料反應(yīng)

堿-骨料反應(yīng)是指混凝土中的堿與骨料中的活性組分之間發(fā)生的破壞膨脹反應(yīng),這種反應(yīng)引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能明顯下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全實(shí)用性，而且反應(yīng)一旦發(fā)生很難阻止，更不易修復(fù)和挽救。

堿-骨料反應(yīng)主要有堿-硅酸反應(yīng)、堿-碳酸鹽反應(yīng)、堿-硅酸鹽反應(yīng)三種。影響這一反應(yīng)的主要因素是水泥的含堿量及骨料本身有無反應(yīng)活性，另外就是孔隙水量，這三要素缺一不可。由于堿-骨料造成的混凝土開裂破壞難以被阻止，因而被稱為混凝土的“癌癥”。半個(gè)多世紀(jì)以來，堿-骨料反應(yīng)已經(jīng)在全世界近二十多個(gè)國家造成了嚴(yán)重的損失。

4 混凝土的凍融破壞

混凝土在飽水狀態(tài)下因凍融產(chǎn)生的破壞作用稱為凍融破壞，混凝土的抗凍耐久性即是飽水混凝土抵抗凍融循環(huán)作用的性能。混凝土處于飽水狀態(tài)和凍融循環(huán)交替作用是發(fā)生混凝土凍融破壞的必要條件,其破壞作用主要有凍脹開裂和表面剝蝕兩個(gè)方面。水在混凝土毛細(xì)孔中結(jié)冰造成的凍脹開裂使混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能嚴(yán)重下降，危害結(jié)構(gòu)物的安全性。

影響混凝土抗凍性的因素主要有:①平均氣泡間距是最主要因素，間距越大，毛細(xì)孔中的凈水壓和滲透壓越大，抗凍性越低；②水灰比越大，可凍水含量越多，氣泡結(jié)構(gòu)越差，平均氣泡間距越大，抗凍性越低；③外加劑、引氣劑的加入使氣泡越多，平均氣泡間距就越小，抗凍性越好。

材料劣化的原因還包括化學(xué)侵蝕和混凝土的表面磨損。引起混凝土耐久性問題的任何非力學(xué)破壞因素最終的破壞機(jī)理都可歸結(jié)為材料劣化后內(nèi)部微裂縫的生成和擴(kuò)展，引起相對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)力,直至破壞應(yīng)力超過混凝土承受能力造成破壞。因此，將材料劣化破壞因素作用下的混凝土微觀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)改變及相對(duì)應(yīng)的宏觀性能指標(biāo)損傷力學(xué)建立相應(yīng)模型對(duì)混凝土的耐久性進(jìn)行評(píng)估是混凝土耐久性研究的一個(gè)主要發(fā)展方向。

[1]金偉良.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[2]洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與防護(hù)[M].北京:中國鐵道出版社,1998.