混凝土耐久性影響因素的分析及應對措施

程思勝

（徐州市政建設集團有限責任公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土耐久性影響因素的分析及應對措施

程思勝

（徐州市政建設集團有限責任公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土的鋼筋銹蝕、碳化、侵蝕性介質腐蝕、凍融破壞、堿骨料反應是破壞其耐久性的主要因素，通過對混凝土破壞機理的分析，提出了確保和提高混凝土耐久性的措施。

混凝土；耐久性；影響因素；破壞機理；應對措施

0 引言

鋼筋混凝土結構以其整體性好、可塑性強，維修費用低等優點廣泛應用于整個二十世紀，混凝土因其工程量大，將會因耐久性不足對未來社會造成極為沉重的負擔。據美國一項調查顯示，美國的混凝土基礎設施工程總價值約為6萬美元，每年所需維修費或重建費用約3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已損壞，平均每年有150～200座橋梁部分或完全坍塌；美國共建有混凝土水壩3 000座，壽命30 a，其中32%的水壩年久失修。美國二戰前后修建的混凝土工程，在使用30～50 a后進行加固維修所投入的費用，約占建設總投資的40%～50%以上。我國上世紀50～60年代所建設的混凝土工程已使用40余年，如果我國混凝土工程的平均壽命30～50 a計，在今后的10～30 a內，一部分混凝土結構紛紛進入老化階段，外觀的損壞，變形的增大，承載力的降低，不僅對混凝土結構的使用安全帶來隱患，而且所需維修費用，也將是極其巨大的。因此混凝土的耐久性逐漸成為研究的熱點，鋼筋混凝土的設計內容除了傳統的強度、剛度、穩定性等基本的力學性能指標以外還必須考慮其耐久性、經濟性。對在役老化的建筑進行科學合理的耐久性和經濟性評定以及剩余壽命的預測，是當今土木工程領域的研究熱點。本文在闡述混凝土耐久性的基礎上，分析了影響混凝土耐久性的主要因素，提出了提高混凝土結構耐久性的措施。

1 混凝土耐久性概述

混凝土的耐久性指的是混凝土結構在自然環境及使用條件下使用過程中，混凝土維持自身正常使用狀態的一種能力，或者說是結構在設計使用年限內抵抗外界環境或內部侵蝕破壞作用的能力。鋼筋混凝土結構耐久性不足會給構筑物造成嚴重的后果，同時會給人類帶來安全隱患。影響混凝土耐久性的因素一般包括混凝土鋼筋銹蝕、碳化、侵蝕性介質腐蝕、凍融破壞、堿骨料反應等。

2 影響混凝土耐久性的因素[1,2]

（1）鋼筋銹蝕

通常混凝土內部呈現的是強堿性環境（pH≥13），在鋼筋表面會形成一層厚度約為(30～60)×10-10m的致密金屬氧化物和金屬氫氧化物晶體薄膜，即為鋼筋鈍化膜，保護鋼筋免遭銹蝕，但當混凝土因碳化而使pH值降低或氫離子濃度相當高時，這種鈍化膜就會被破壞。鈍化膜被破壞后，鋼筋就容易在空氣和水份的環境中與氧和氫離子產生化學反應，Fe+O2+H2O→2Fe2++4OH-→2Fe（OH）2。

鋼筋表面的鐵不斷失去電子而銹蝕，產生Fe（OH）2銹蝕物，使鋼筋表面產生銹蝕。鋼筋銹蝕后，產生鐵銹，而鋼筋銹蝕產物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，導致混凝土開裂，進而空氣及水進入，進一步加劇鋼筋電化學反應，導致鋼筋加快銹蝕，減小鋼筋的有效斷面，從而降低鋼筋的承載能力，導致混凝土承載力的降低，見圖1。

圖1 鋼筋銹蝕

（2）碳化

混凝土碳化是指混凝土本身含有大量的毛細孔，空氣中二氧化碳與混凝土內部的游離氫氧化鈣產生化學反應生成碳酸鈣，造成混凝土疏松、脫落，見圖2。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，進而引發鋼筋銹蝕、混凝土收縮開裂。化學反應具體如下：

圖2 碳化

由此可知，混凝土的碳化是同時在氣相、液相和固相中進行的一個復雜的化學反應過程。這些化學反應對混凝土耐久性是有害的，首先會降低混凝土的堿度，當pH值降低時，鋼筋表面鈍化膜將受到破壞，產生“去鈍”，造成鋼筋的銹蝕。混凝土的碳化會加劇混凝土的收縮，也會導致混凝土的開裂和結構的破壞，對鋼筋混凝土結構的耐久性產生較大破壞。

（3）混凝土的抗凍融性

很長時間以來，國內外在混凝士抗凍性研究及如何保證提高建筑物混凝上的抗凍性方面，積累了大量的經驗，并提出了各種學說：a.冰的分離層理論；b.充水系數理論；c.滲透壓力理論；d.水壓力理論；e.冰融臨界飽水值理論；f.孔結構理論。

以上各種理論，總的都認為混凝土凍融破壞，是由于表面先飽水，由表及里，因混凝土不密實先從大的孔隙中造成靜水壓力，使過冷的水遷移，冰、水蒸汽壓差造成滲透壓力，當壓力超過混凝土能承受的強度時，也就是破壞力大于抵杭力時，混凝土內部孔隙及微細裂縫不斷擴展，由小變大，相互貫通。由于滲透壓及水壓力的作用，反復凍融造成最后破壞。混凝土凍融是一種物理與力學作用的綜合反應。它降低混凝土強度，影響建筑物安全使用，因此混凝土的抗凍性是提高混凝土耐久性的重要指標。

（4）侵蝕性介質腐性

在酸、堿性溶液作用下的環境，侵蝕性介質將對混凝土產生腐蝕，主要是由氯鹽、硫酸鹽產生的“鹽害”，氯離子是一種高效的活化劑，在較低的濃度下（混凝土重量的0.014%～0.022%），可以有效地破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起混凝土內鋼筋銹蝕。

另外一種鹽是硫酸鹽，硫酸鹽與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鹽反應生成有破壞性的膨脹性產物鈣礬石。C3A+3CS·H2+26H+→C3A·3CH32（鈣礬石），鈣礬石導致混凝土產生開裂，引起水、空氣和鋼筋產生電化學反應，從而引起鋼筋混凝土的強度降低。

（5）混凝土堿集料反應（AAR）

混凝土堿骨料反應是指混凝土骨料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液產生的化學反應，生成堿硅酸凝膠并吸水產生膨脹壓力，致使混凝土開裂。堿主要來源于水泥熟料、外加劑，骨料中活性材料主要是SiO2、硅酸鹽、碳酸鹽等。

堿集料反應可分為堿硅酸反應、堿碳酸鹽反應、堿硅酸鹽反應3類，堿硅酸反應是發生最多的一種堿集料反應。

混凝土工程發生堿集料反應破壞必須其備三個條件：

a.配制混凝土時由水泥集料、外加劑和拌和水帶進混凝土中一定數量的堿，或者混凝土處于有堿滲入的環境中；

b.有一定數量的堿活性集料存在；

c.潮濕環境，可以供應反應物吸水膨脹時所需的水分。

三者缺一不可，前兩者為混凝土發生堿集料反應的內因，后者為外因。混凝土發生堿集料反應破壞的特征外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物，而內部特征主要有內部凝膠、反應環、活性堿-集料、內部裂縫、堿含量等。混凝土結構一旦發生堿集料反應出現裂縫后，會加速混凝土的其他破壞，空氣、水、二氧化碳等侵入，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，若在寒冷地區，混凝土出現裂縫后又會使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土實體的綜合性破壞。

3 提高混凝土耐久性的措施

（1）預防鋼筋的銹蝕。常用的方法有環氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環氧樹脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環氧樹脂防腐涂層，這種鋼筋保護層能長期保護鋼筋使其免遭腐蝕。此外，在混凝土表面涂層也是簡便有效的方法，但涂料應是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。還可采用新材料，如耐銹鋼筋、阻銹鋼筋等。

（2）在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，還可摻加高效減水劑盡可能降低用水量，減小水灰比，增強混凝土的密實性，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細孔隙率大幅度降低。

（3）避免或減輕堿集料反應。混凝土堿集料反應危害很大，一旦發生很難修復。可以采取控制混凝土所用水泥中堿含量，選用非活性骨料，盡量避免混凝土結構處于潮濕環境。

（4）嚴格控制施工配合比，攪拌必須均勻，振搗必須到位，要嚴格遵守養護制度，可以用表面養護劑來改善養護條件，提高保水性，加速表面硬化。混凝土構件的侵蝕病害都是從表面開始的，在混凝土終凝前做好原漿抹面壓光，增強表面密實度，也可采用表面浸漬和表面涂蓋的手段來降低混凝土表面滲透性。

（5）防止混凝土的凍融破壞。混凝土的組成、配合比、養護條件和密實度決定了其在飽水狀態下抵抗凍融破壞的能力，目前只有加氣混凝土才能有效提高混凝土的抗凍性。引氣是提高混凝土抗凍性的主要參數。一般引氣量4%～8%，以達到混凝土內部孔隙封閉和密實，同時應避免采用吸水率較高的集料。

（6）拌合及養護用水。混凝土拌合及養護用水，應考慮其對混凝土強度的影響。水灰比的大小很大程度影響混凝土強度值的大小。拌合水應檢查其雜質情況，防止影響砂漿及混凝士生成時雜質影響其耐久性。海水中含有硫酸鹽、鎂鹽和氯化物，除了對水泥石有腐蝕作用外，對鋼筋的腐蝕長產生很大影響，因此在腐蝕環境中的混凝土不宜采用海水拌制和養護。

（7）針對不同的腐蝕環境應設計不同的保護層厚度。如一類環境(室內正常環境)設計使用年限為100 a的結構混凝土應符合下列規定：混凝土保護層厚度應按規范的規定增加40%；當采取有效的表面防護措施時，混凝土保護層厚度可適當減少。混凝土結構及構件宜整體澆筑，不宜留施工縫。當需要設置后澆帶時，后澆帶要澆筑微膨脹混凝土，其位置及構造不得有損于結構的耐久性。

4 結 語

混凝土耐久性問題是一個復雜的系統工程。它涉及結構設計、配合比設計、材料、施工、以及維護等多方面的因素，只有各方面共同努力，才能解決這一工程領域中的重大課題。合理的構造、合理的混凝土配合比、優質的原材料、嚴格的施工質量控制以及定期養護檢測與維修是確保混凝土結構耐久性的有效措施。

[1]GB/T50476-2008,混凝土結構耐久性設計規范[S].

[2]李占文.影響混凝土結構工程耐久性的主要因素分析[J].國防交通工程與技術,2012(S2):31-32.

U444

B

1009-7716（2016）12-0113-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.033

2016-09-05

程思勝（1977-），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事道路、橋梁施工技術管理工作。