吳金龍(湖北荊門安建混凝土有限公司,工程師)
混凝土是一種由膠凝材料將集料膠結成整體的工程復合材料的統稱。通常用水泥和礦物摻合料作膠凝材料,砂、石作集料,與水和外加劑按一定比例配合,經攪拌而得的混凝土拌合物。它廣泛應用于土木工程,是為混凝土結構物提供強度的主要材料。從混凝土應用于土木工程至今約有150年的歷史,中國的混凝土行業在20 世紀70年代開始蓬勃發展。1978 年,常州建筑工程材料公司因陋就簡,用翻斗車運送混凝土,走街竄巷,把廠拌混凝土推向了建筑市場,開創了中國混凝土商品化的先河。隨著混凝土的商品化和基礎設施建設的迅猛發展,商品混凝土得到了快速推廣,廣泛應用于住宅、道路、橋梁、隧道、港口、機場等工程。混凝土的性能指標不再僅限于強度的要求,更需要滿足超高層、大跨度、高壓抗滲、高溫冷凍等特殊環境下的長期耐久性能。
混凝土長期耐久性,指的是混凝土抵抗環境介質作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性,從而維持混凝土結構的安全、正常使用的能力。我國商品混凝土經過40多年的發展,混凝土材料的性能研究逐步深入,生產技術及混凝土質量都得到了提高,但對混凝土結構的長期耐久性能研究還存在不足。筆者認為,首先,混凝土材料的應用歷史較短,人類對混凝土的微觀結構、理化反應、力學性能的認識還不夠透徹。其次,國內外對于混凝土結構的設計使用壽命不盡相同,無法定義“長期耐久性”的“長期”到底是多長多久,長期耐久性沒有固定的時間標準。再次,混凝土長期耐久性能的研究是一個系統的、長期性的研究課題,需要幾代人、跨學科的持續研究和驗證。我國住宅設計使用壽命一般為50年,橋梁或紀念性建筑的設計使用壽命在100 年左右。如我國的“超級工程”港珠澳大橋的設計使用壽命為120年。如何做到在120年后去驗證大橋的耐久性能將是個跨世紀的難題。
目前,針對混凝土長期耐久性能的檢測都基于“加速模擬實驗”的單項試驗推測,忽略了混凝土結構在使用過程中的長期理化反應、微觀結構及受力狀態的變化。其結論是否能反映混凝土結構在未來的使用環境中的實際狀態,相符度如何?無法確定。筆者認為,研究混凝土的長期耐久性能應從保持混凝土的各項功能特性不消失、不減弱為出發點,包括混凝土的力學性能、抗裂性、抗滲性、耐高溫、抗凍性、抗碳化性能、抗化學侵蝕等性能長期正常。筆者在從業十多年的工作中,遇見因混凝土耐久性能差導致結構破壞的多為以下幾種情況:
(1)混凝土路面未達到設計使用年限,出現表面磨損或開裂斷板破壞。這類破壞多因于路面結構設計抗力的不夠,路基施工質量差,超載使用所致,與混凝土耐久性能的關聯不大。
(2)暴露在空氣中的混凝結構出現開裂,并沿開裂處不斷擴大的情況,多出現在橋梁類的工程中。橋梁中的墩、柱、梁、板等結構一般不做抹灰,直接暴露于大氣。水泥石中的 Ca(OH)2與大氣中的 CO2經過長年的碳化反應,由表及里向混凝土內部逐漸擴散。碳化引起水泥石化學組成及結構的變化,從而對混凝土的化學性能和物理力學性能產生影響。碳化雖然使混凝土的抗壓強度增長,但是由于混凝土的碳化收縮對核心形成壓力,而表面碳化層產生拉應力,會導致微細裂縫的產生。長年累月,混凝土表面薄弱處出現裂縫。裂縫在荷載的作用下不斷擴大延伸,出現混凝土的耐久性破壞。
(3)沿海及鹽堿地區的鋼筋混凝土結構出現鋼筋銹蝕,發生早期破壞,如港口、碼頭等建筑。海洋或鹽堿環境中含有大量的 Cl-,由表向里對混凝土逐漸侵蝕,破壞鋼筋表面的鈍化膜導致鋼筋發生銹蝕。或使用含 Cl-的砂石料,混凝土中的 Cl-含量過高。氯離子與水泥的水化產物反應生成 CaCl2,會降低混凝土的堿度,導致對鋼筋的保護能力下降發生銹蝕。混凝土中的鋼筋銹蝕發生體積膨脹,出現混凝土開裂破壞。這是鋼筋混凝土耐久性破壞的常見情況。
(4)樓板混凝土出現爆裂脫落破壞,常見于房屋建筑工程中。此類建筑的梁、板、墻屬于薄壁結構,混凝土對內部的束縛力有限。當混凝土中所含的堿(Na2O 和 K2O)與骨料中的活性成份發生反應,生成具有吸水膨脹性的產物,在有水的條件下吸水膨脹,導致混凝土開裂破壞,即發生堿—骨料反應破壞。混凝土原材料中混入石灰、鋼渣等顆粒,由于其水化反應很緩慢,水化產物膨脹破壞的潛伏期很長,也是造成混凝土樓板開裂脫落的常見因素。
以上所有混凝土結構的耐久性破壞,都伴隨混凝土結構開裂的出現,混凝土中緩慢的化學反應、微觀結構變化及所受的荷載情況是影響開裂的因素。阻止不利的化學反應,設計合理的微觀結構,有效控制結構的使用荷載,提高混凝土的抗裂性能,是增強混凝土結構耐久性的基礎。混凝土的碳化、堿—骨料反應、Cl-的侵入及膨脹性的顆粒都會產生不利的化學反應,對混凝土結構造成破壞。堿—骨料反應、Cl-的含量及膨脹性的顆粒可以通過原材料的控制很容易解決,混凝土的碳化及Cl-的侵入是預防的重點,是關系混凝土長期耐久性能好壞的關鍵因素。
筆者認為,混凝土結構不應直接暴露在大氣中,即便存在混凝土保護層厚度。結構設計時可以考慮在混凝土表面涂刷隔離劑或抗滲性砂漿保護層;沿海及鹽堿地區適當增大混凝土中鋼筋的保護層厚度;混凝土配合比設計上,保證足夠的膠材用量,盡量降低水膠比,采用低砂率,提高混凝土表面的密實度。阻斷 CO2和 Cl-的入侵通道,降低侵入的速度,增加侵入的保護層厚度是提高混凝土結構耐久性能的有效方法。同時,混凝土行業應盡早建立長期耐久性能的研究體系,通過對混凝土結構長期耐久性能的系統檢測,繪制出大氣環境中的混凝土碳化或 Cl-侵蝕曲線,為混凝土長期耐久性能設計提供依據。
丁華柱1,陳源偉2,陳偉3(1. 重慶市綦江區朝野混凝土有限公司,高工;2. 重慶市莊大商品混凝土有限公司,工程師;3. 重慶市綦江區朝野混凝土有限公司,工程師)
混凝土結構耐久性是指在設計確定的環境作用和維修、使用條件下,結構構件在設計使用年限內保持其適用性和安全性的能力。混凝土耐久性檢驗評定的項目可包括抗凍性能、抗水滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能和早期抗裂性能。對于混凝土結構來說,其耐久性失效過程應該包括結構的建造、使用和老化的生命全過程,其耐久性能研究也應涉及結構生命全過程的每個環節,盡管目前國內外關于混凝土的澆筑、養護、硬化等各個早齡期環節對其后期的耐久性影響規律的研究有了一定進展,但卻比較零碎,混凝土結構耐久性的不足很大程度上與早齡期混凝土性能相關[1-2]。陳健文[3]在混凝土及原材料方面就耐久性的檢測提出了一些測試方法:無損檢測現場鋼筋的混凝土保護層實際厚度;混凝土早期抗裂性測試方法;混凝土氯離子擴散系數快速測定方法;氯離子含量測定,對象包括混凝土拌合物、硬化混凝土、砂、外加劑;硫酸根離子含量測定,對象包括硬化混凝土、水、土。
混凝土抗凍性能在拌合物階段的評價指標主要為拌合物含氣量,按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》第15章進行檢測,有抗凍性要求的摻引氣型外加劑的混凝土含氣量一般為4.5%~7.0%。經驗表明,在混凝土中摻用引氣型外加劑適量引氣,有利于提高其抗凍性能。
混凝土拌合物中水溶性氯離子含量的評價指標按GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》規定執行,按JTJ 270—98《水運工程混凝土試驗規程》規定的檢測方法進行測定,可用氯離子含量快速測定儀進行快速測定或其他準確度更好的方法進行測定。由于氯離子的存在,將導致混凝土的鋼筋侵蝕破壞,從而導致整個鋼筋混凝土的破壞。
針對混凝土拌合物階段的早期抗裂性,按 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》第9章的規定,采用平板試件進行評價。試件澆筑、振實、抹平后,可結合工程對象的具體情況選定試件的養護方法和試驗觀察的起始與終結時間以及試驗過程中的環境條件(溫度、濕度、風速),從而評定混凝土包括塑性收縮、干燥收縮和自收縮影響在內的早期開裂傾向。
CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》(2005 年修訂版)指出,耐久混凝土的原材料及配合比應在正式施工前的混凝土試配工作中,通過混凝土工作性、強度和耐久性指標的測定,并通過抗裂性能的對比試驗后確定。如無條件進行混凝土開裂性能試驗,可控制混凝土早期強度,要求 12h 抗壓強度不大于8MPa 或 24h 不大于 12MPa,當抗裂要求較高時,宜分別不高于 6MPa 或10MPa。對目前普遍存在的水泥抗裂性較差的現象,施工過程中混凝土早期開裂值得工程技術人員試驗和探討。
根據 CECS220:2007《混凝土結構耐久性評定標準》的規定,混凝土結構耐久性檢測應根據結構所處環境、結構的當前技術狀況及耐久性評定所需的參數進行,包括構件的幾何參數、保護層厚度、混凝土抗壓強度、碳化深度、裂縫及缺陷、混凝土氯離子含量及分布情況、混凝土滲透性、鋼筋銹蝕、凍融損傷、化學腐蝕等,常見評定參數有混凝土滲透性、保護層厚度、混凝土抗壓強度、碳化深度、抗凍性、裂縫及缺陷等。
多數混凝土耐久性指標與強度指標有一定相關性,有些耐久性試驗本身就是用強度指標來表達,試驗報告也需要列出對應的強度等級和實測強度數據,因此,對混凝土耐久性而言強度指標就很重要。楊錢榮、黃士元等人研究表明,對于同類型混凝土,抗壓強度與滲透系數存在相關性,即抗壓強度基本能反映同類型混凝土的抗滲性能。研究還發現,混凝土的氯離子滲透系數與水滲透系數存在相關性,水滲透系數越小,其氯離子滲透系數和氯離子滲透深度越小,即用混凝土的抗滲性指標可以反映出混凝土的抗氯離子滲透性能,反之,用氯離子滲透系數也可以反映混凝土的抗水滲透性能[4]。混凝土抗水滲透性采用測定硬化混凝土在恒定水壓力下的平均滲水高度或通過逐級施加水壓力來測定以抗滲等級表示的混凝土抗水滲透性能。
混凝土抗壓強度可采用非破損或局部破損的方法進行檢測,檢測方法有回彈法、鉆芯法等。目前我國混凝土結構質量驗收規范中,僅以抗壓強度作為混凝土施工期的質量驗收標準是不科學的,混凝土抗壓強度合格并不能保證結構耐久性指標合格[1]。因此,混凝土抗壓強度合格只是結構耐久性檢驗評定的前提,結構耐久性問題的關鍵在于其滲透性。工程實踐同時也表明,混凝土抗壓強度滿足設計要求的前提下,抗水滲透性的薄弱環節主要體現在裂縫及缺陷,若裂縫或缺陷未作處理或處理不妥,很容易出現結構滲水現象,從而對結構的耐久性能產生不利影響。
混凝土保護層指的是結構構件中鋼筋(包括縱向鋼筋、箍筋和分布鋼筋)外邊緣至構件表面范圍用于保護鋼筋的混凝土,對后張法預應力筋,為套管或孔道外邊緣至構件表面的混凝土。保護層厚度對提高鋼筋混凝土結構的耐久性起著至關重要的作用,采用非破損或微破損的方法檢測,可采用混凝土保護層測定儀進行檢測,當采用非破損時,宜用微破損方法校準。混凝土保護層厚度應滿足設計及有關驗收規范要求,并非越大越好,若保護層厚度過大,鋼筋對混凝土的約束作用變小而易產生裂縫。
混凝土抗碳化性能以碳化深度表示,影響混凝土碳化性能的宏觀性能因素主要為強度和滲透性,通常來說,混凝土碳化深度越小,混凝土結構的耐久性越好。在混凝土碳化初期,表面混凝土碳化生成的 CaCO3可填充水泥石的孔隙,提高密實度,對有害介質的侵入具有一定的抑制作用;但是繼續碳化會使 CaCO3變成微溶的化合物 Ca(HCO3)2,溶出后孔隙率增加,從而降低混凝土抵抗化學侵蝕的能力[6]。
徐亞丁[5]等人研究表明,鋼筋銹蝕是指鋼筋表面保護膜破壞,在氧、水分存在時,鋼筋表面發生電化學腐蝕,鋼筋銹蝕后,有效直徑減小,直接危及混凝土結構的安全性;銹蝕生成物的體積膨脹,致使混凝土保護層順筋開裂,使混凝土品質迅速劣化。混凝土保護層的碳化是導致鋼筋銹蝕的一個重要原因,氯離子的存在是導致鋼筋銹蝕的另一個重要原因。氯離子是一種極強的鋼筋腐蝕因子,有試驗結果顯示,即使在 pH 值為 12.5~13.4 的堿性環境中,氯離子濃度達到一定程度(C[Cl-]/C[OH-]>0.1)仍能破壞鋼筋的鈍化膜,使其發生銹蝕。此外,氯離子的擴散能力強,能夠通過滲透、毛細吸收、擴散、電遷移四種途徑向混凝土內部擴散。
抗氯離子滲透試驗分快速氯離子遷移系數法(RCM 法)和電通量法兩種。快速氯離子遷移系數法(RCM 法)適用測定氯離子在混凝土中非穩態遷移的遷移系數來確定混凝土抗氯離子滲透性能,用混凝土抗氯離子擴散系數測定儀進行檢測。電通量法適用測定以通過混凝土試件的電通量為指標來確定混凝土抗氯離子滲透性能,不適合摻亞硝酸鹽和鋼纖維等良導電材料的混凝土抗氯離子滲透試驗。電通量法對大多數普通混凝土是適用的,而且與其他電測法有較好的相關性,但用于表面經過處理的混凝土時(如采用滲入型密封劑處理的混凝土)應謹慎分析試驗結果。
現澆結構外觀質量缺陷有露筋、蜂窩、孔洞、夾渣、疏松、裂縫、連接部位缺陷、外形缺陷及外部缺陷等。裂縫可采用直尺、卷尺測量其長度,采用混凝土裂縫寬度深度檢測儀檢測其寬度、深度,同時在混凝土兩側觀察裂縫是否為貫穿性裂縫。裂縫檢測后應繪制成圖,圖紙應注明裂縫長度、走向、寬度、深度及是否貫穿等,以便采取相應處理方案進行處理。當混凝土出現其他缺陷時,根據不同缺陷類型采取相應處理方案進行處理。外觀質量的嚴重缺陷會影響到結構性能、耐久性,對已經出現的嚴重缺陷,由施工單位提出處理方案,經監理單位認可后進行處理,必要時應經過設計單位認可。
JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》、GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》等規范指出,抗硫酸鹽侵蝕試驗一般只有當工程環境中有較強的硫酸鹽侵蝕時才進行該試驗。硫酸鹽對混凝土的腐蝕主要是化學腐蝕,但鹽類侵入混凝土中也有可能產生鹽結晶的物理腐蝕。
GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定,抗硫酸鹽侵蝕試驗適用測定混凝土試件在干濕交替環境中,以能夠經受的最大干濕循環次數來表示的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能,尤其適用強度等級較高的混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗。混凝土在硫酸鹽環境中,同時耦合干濕循環條件的實際環境經常遇到,硫酸鹽侵蝕在耦合干濕循環條件對混凝土的損傷程度較大。
早期養護對混凝土結構力學性能及耐久性相當重要,GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》給出了保證混凝土結構耐久性的不同環境中混凝土的養護制度要求,利用養護時間和養護結束時的混凝土強度來控制現場養護過程。現場混凝土構件的施工養護方法和養護時間需要考慮混凝土強度等級、施工環節的溫濕度和風速、構件尺寸、混凝土原材料組成和入模溫度等諸多因素。
董方圓[6]等人研究表明,結構工程在服役周期范圍內通常同時受環境因素(鹽侵蝕、凍融、碳化、酸雨等其中的一種或多種環境共同作用)、壓力、疲勞荷載等雙重或多重因素耦合作用的影響,研究單種環境要素(凍融循環、氯離子侵蝕或鹽侵蝕等)作用下的耐久性能或損傷度具有一定的理論參考價值,但與實際的損傷度相比勢必會存在一定的誤差。相比而言,考慮多因素相互作用建立的損傷模型和壽命預測模型更加接近結構實際情況。但由于各種因素作用下混凝土的損傷破壞機理非常復雜,所以多因素耦合作用下的混凝土耐久性問題是當前混凝土結構研究方面亟待解決的難題,還需要更加深入的試驗及理論研究。
綜合有關規范及他人研究成果,初步提出不同環境下混凝土耐久性的評價指標體系:氯鹽環境下,可選擇快速氯離子遷移系數(RCM 法)或電通量來評價混凝土耐久性;碳化環境下,選用強度和電通量作為混凝土耐久性評價指標,適用粉煤灰摻量≤20% 的混凝土,當混凝土強度大于 50MPa 時,可不考慮碳化對混凝土耐久性的影響;凍融環境下,混凝土耐久性評價指標選用含氣量和氣泡間隔系數,鹽凍環境下增加混凝土的抗氯離子滲透性能指標;硫酸鹽環境下,混凝土耐久性評價指標選用抗硫酸鹽侵蝕性能[7]。提高強度、降低混凝土的滲透性對混凝土耐久性有利,且滲透性對氯離子侵入、碳化、硫酸鹽化學侵蝕有相關性,但滲透性與其他一些耐久性如抗凍性、硫酸鹽結晶破壞、堿集料反應等關系不大。沒有一項綜合指標(包括滲透性)可以用于表征混凝土的所有耐久性能[4]。建立雙因素或多因素耦合作用下的結構耐久性損傷模型和壽命預測模型才能提高結構耐久性評價模型的可靠度和適用范圍[6]。
(1)混凝土拌合物含氣量、水溶性氯離子含量、早期抗裂性等拌合物階段的檢測項目和方法,可方便快捷、較準確地反映結構耐久性的真實度。
(2)對于同類型混凝土,抗壓強度與滲透系數存在相關性;滿足設計強度的前提下,混凝土抗水滲透性的薄弱環節主要體現在裂縫及缺陷,對裂縫及缺陷等外觀質量控制尤為重要。
(3)保護層厚度、碳化深度、裂縫及缺陷等評價指標與結構耐久性存在相關性,這些評價指標及相應的檢測方法方便快捷,較準確的反映混凝土結構耐久性的真實性。
(4)混凝土強度合格是耐久性檢驗評定的前提條件,結構耐久性控制的關鍵在于其滲透性。僅以強度作為混凝土施工期的質量驗收標準是不科學的,有必要引入其他檢測指標進行結構驗收,以保證結構耐久性符合設計與規范要求。
(5)單種環境要素(凍融循環、氯離子侵蝕或鹽侵蝕等)作用下的耐久性能或損傷度具有一定的理論參考價值,與實際的損傷度相比勢必會存在一定的誤差。考慮多因素相互作用建立的損傷模型和壽命預測模型更加接近結構實際情況。
萬晶1,張植2,肖涵3(1.重慶品合泰建材有限公司,高級工程師;2.南充宏基實業有限公司,技術負責人;3.重慶華新鳳凰湖混凝土有限公司,助理工程師)
混凝土耐久性要求是使混凝土結構在其設計使用年限內,滿足其各項功能要求,是建筑工程質量控制的重要指標。
混凝土結構耐久性要求主要跟其所處環境條件和最大裂縫寬度密不可分;其次,混凝土結構耐久性跟其原材料的質量,有緊密的聯系;最后,混凝土澆筑、養護的施工質量也是混凝土結構耐久性要求的可靠保證。
環境是影響混凝土結構耐久性的外因,混凝土質量是影響混凝土結構耐久性的內因。因此,有效提高混凝土結構的耐久性就必須改善內部因素和外部因素的影響。GB 50010—2010《混凝土結構規范》和 GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》根據混凝土構件所處環境對混凝土的最低強度等級、最大水膠比,混凝土保護層厚度、最大裂縫寬度,混凝土中最大氯離子含量和最大堿含量等原材料質量要求,進行了嚴格規定。
依據混凝土結構所處環境,GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》通過試驗來檢測混凝土的耐久性能。通過混凝土試件的抗凍融試驗、抗水壓滲透試驗、碳化試驗、混凝土中鋼筋銹蝕試驗、堿骨料反應試驗等,推定混凝土結構中混凝土的老化、腐蝕,鋼筋的銹蝕等不利因素對混凝土結構使用壽命的影響。
實踐證明,只要控制好混凝土原材料和施工的質量要求,滿足混凝土結構設計與構造,完全可以達到結構耐久性設計要求。
李海卿(中交第二航務工程局有限公司,高工)
一般混凝土工程的使用年限約 50~100 年,不少工程在使用 10~20 年后,有的甚至使用9年以后,就需要維修。混凝土材料及混凝土結構的耐久性問題引起了重視。
混凝土材料的耐久性等級劃分:
(1)混凝土耐久性的等級,如抗凍等級(快凍法)、抗凍強度等級(慢凍法)、抗滲等級、抗硫酸鹽等級。具體如下:抗凍等級(快凍法)分為 F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、F400、>F400等幾個等級;抗凍強度等級(慢凍法)分為 D50、D100、D150、D200、> D200 等級;抗滲等級分為P4、P6、P8、P10、P12、>P12 等幾個等級;抗硫酸鹽等級分為 KS30、KS60、KS90、KS120、KS150、>KS150 幾個等級。這些耐久性指標多數在國內已有較長的應用歷史并已體現在相關的標準中。
(2)測試結果為數值,則根據系統的試驗,并參考相關的標準,以測試結果的限值來進行等級的劃分,如抗氯離子滲透性能、抗碳化性能和早期抗裂性能。其中,抗氯離子滲透性能又分為兩種情況:以 84d 齡期的氯離子遷移系數(RCM 法)的測試結果來表征;以電通量(28d 或 56d)的測試結果來表征。并規定:當混凝土中水泥混合材與礦物摻合料之和超過膠凝材料用量的 50% 時,測試齡期可為 56d。
上述的抗氯離子滲透性能、抗碳化性能和早期抗裂性能均按照試驗結果的限值劃分了五個等級,分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和來表示。從Ⅰ級到Ⅴ級,表示混凝土的耐久性能越來越高。
檢驗中的抽樣方法和檢驗頻率,從統計學意義上講,標準應鼓勵更多地抽取樣品,開展多組試驗,以獲得最大可能接近真實的試驗數據。