多種因素作用下對混凝土構件耐久性研究綜述

黃振揚

(北部灣投資集團有限公司沿海高速公路分公司， 廣西 欽州 535300）

0 前言

我國地域遼闊、人口眾多的國情決定了我國在進行經濟建設的同時，就需要進行足夠的與之相匹配的基礎設施建設工程項目，這些工程項目一旦建成，有很大一部分部位的構件都會直接與大氣、海洋、沙漠戈壁沙漠環境接觸，在不同的環境中都存在著對混凝土構件有著至關重要的影響因素。曾經有國外學者指出，因混凝土構件耐久性造成的代價，有時候甚至是其造價的五倍，因此，研究如何提高混凝土構件在不同環境中的耐久性具有十分重要的使用和經濟意義。

1 一般環境狀況下混凝土構件耐久性的研究

對于混凝土的耐久性，由于世界各國的國情不同，歐洲各國對混凝土構件的耐久性是以材料和構件的抵抗衰退和抗腐蝕的能力為標準，對其進行定義；我國土木行業對混凝土的耐久性基本概念是：在設計使用年限內不需要進行大修，即可實現其預期設計目標的能力。雖然，世界各國對混凝土構件耐久性的具體定義不同，但從其內容可以看出，混凝土結構的耐久性均包含了，在設計年限構件的穩定性、安全性及美觀性的要求[1]。

1.1 在帶裂縫工作狀態下對混凝土耐久性的研究

由于混凝土抗拉能力相對較弱的材料特點，混凝土構件在承受正彎矩（一般定義混凝土梁的彎矩，以下部受拉為正）最大的部位，在混凝土構件的彈性工作階段末期（第I 階段末期）就會出現[2]，所以研究混凝土構件在一般環境條件下的帶裂縫工作階段具有實際的工程意義。

對帶裂縫狀態下的混凝土構件的耐久性做過研究的不僅有前蘇聯的科學家，我國的研究人員也做過研究分析；其中有代表性的是陳向勇[3]做的題目為《帶裂縫鋼筋混凝土構件的耐久性壽命預測》的研究，該研究在僅考慮構件在潮濕工作環境下，基于FICK 第一定律，研究混凝土構件的碳化和鋼筋銹蝕。該研究表明，由于構件中裂縫的存在，在裂縫處的混凝土碳化速度與裂縫的寬度平方成正比；對構件中鋼筋的銹蝕速度與裂縫寬度采用模糊數學的方法進行分析表明，混凝土裂縫的出現條件和寬度基本吻合。

1.2 在考慮Cl-作用下對混凝土構件耐久性的研究

目前，我國混凝土材料不僅是在房屋建筑中普遍使用，而且在大跨徑橋梁項目建設中預應力混凝土橋梁的建設，在江河湖泊修建攔水大壩、水電站等，在這些項目的建設過程中，混凝土都是必不可少的建設用材，而且在項目竣工完成后，能否達到其預計使用壽命都與混凝土構件在海水環境作用下的耐久性能密不可分。所以，研究在海水等含有化學離子元素對混凝土構件的耐久性，不僅有著科研意義而且有著重要的實際工程和經濟效益。

在針對海水作用下的混凝土構件的耐久性研究時，研究人員為量化出對構件耐久性研究的不同因素，對該影響因素的研究就從不同方面做出了研究試驗，并對構件的使用壽命做了預測，本文對劉志勇[7]的研究進行主要介紹，在該研究中對鋼筋混凝土構件破壞的主要原因歸結為構件中鋼筋首先的銹蝕破壞；在海水環境下，引起鋼筋銹蝕的主要元素是海水中大量存在的Cl-[4]，海水中的Cl-在構件中的滲透是引起鋼筋銹蝕的主要原因，元素離子在混凝土中的滲透速度與構件的耐久性關系密切；與在其他潮濕空氣相比，在研究海洋大氣中影響混凝土結構耐久性的因素時，還要考慮空氣中存在的二氧化碳成分；而且在二氧化碳和海洋鹽離子的共同作用下，與單一因素相比，其作用方式和作用速度有著很大不同。在考慮混凝土自身條件因素下，從飽海水混凝土、鋼筋的脫鈍化臨界值、海洋大氣環境下的混凝土、海洋潮汐環境下的混凝土、大量摻工業廢渣的混凝土在不飽和狀態研究[5]的基礎上，劉志勇的研究基于Fick 第二定律，在考慮時間、溫度、混凝土飽和度等多種因素的基礎上，主要從混凝土的碳化機理、碳化模型、考慮混凝土毛細作用、離子滲透與碳化共同作用等因素，關于海水混凝土耐久性的研究主要下等不同方面對海洋環境下混凝土結構的耐久性進行了研究。在進行實驗分析后，對海洋環境下的混凝土構件的使用壽命預測的方法[6]和模型進行了分類，并作出了說明；其分析表明：鋼筋混凝土構件中，鋼筋的銹蝕不僅與混凝土孔徑溶液中的Cl-有關，而且與溶液中的 OH-密切相關；其試驗結果同時還表明：混凝土的碳化對構件的銹蝕有著促進的作用。

2 凍融環境下對混凝土構件耐久性研究

凍融循環是指在結構中水分的凍結和融化交替出現的現象；由于在我國北方冬季的溫度幾乎全部處于零攝氏度一下，所以在這些地區的混凝土構件的設計使用年限內，肯定會伴隨著凍融循環的現象，研究混凝土構件在凍融環境下的影響因素，對提高凍融地區構件的使用壽命，也會有著指導意義。

在李福海對混凝土構件在凍融環境下的耐久性研究[7]過程中，是以橋梁下部混凝土構件在凍融環境下的侵蝕研究為例進行的；在對蒸餾水、硫酸鈉溶液、硫酸鈉與氯化鈉混合溶液進行凍融試驗對比，結果表明：混凝土構件內部水的冰點由于構件內部存在的其他元素離子而降低，且在不同元素離子占優勢的環境下，其損傷、破壞的表現也是不同的；鹽溶液與混凝土中的成分會發生的物理化學反應，會加速構件的腐蝕破壞。在蒸餾水的試驗中，凍融作用下混凝土的破壞主要是由于，構件中的混凝土在內部水結冰時的體積膨脹引起的混凝土漲裂破壞[8]；在硫酸鹽與凍融環境共同作用下構件的破壞，主要是由于硫酸與混凝土內部的水泥漿體水化物成分發生反應，生成新的膨脹性物質造成混凝土開裂；在氯鹽與凍融環境共同作用下，構件的破壞主要是由于水、氯離子、鐵形成了宏電池，造成構件中的鋼筋發生了電化學反應[9]，導致混凝土保護層不能與鋼筋良好的粘結，從而降低構件的耐久性和承載能力降低。所以，為改善凍融環境下混凝土的工作性能，在混凝土摻加減水劑、硅灰等材料都有益于構件的工作性能的改善。

3 采用淡化海砂對混凝土構件耐久性的影響研究

砂石作為骨料在混凝土構件的制作和使用過程中，對構件耐久性有著至關重要的影響；目前由于對河砂開采的限制，在混凝土構件使用海砂的趨勢，已是勢在必行，所以有必要對海砂中存在的多種元素離子對構件耐久性的影響進行研究。

早在20 世紀80 年代，歐美各國在建筑領域中已開始大量使用海砂，并開始對海砂的淡化開始系統性研究[10]；同在在亞洲的日本，不僅在本國的建設領域內大量使用海砂，而且選擇優質細砂制作構件出口國外。我國由于在海砂使用方面缺少經驗和相關知識的指導，出現了“海砂屋”等貽笑大方的事件；在蔣科峰[11]進行的關于淡化海砂的使用對混凝土構件耐久性的研究中，從海砂與河砂的差異性的各個方面進行了比較研究。在研究由于海砂與河砂的形狀差異引起的混凝土硬化過程中，構件內部孔隙的出現，選用敦刻爾克淡化海砂與河砂為細骨料制作構件，以“可蒸發水含量法”進行試驗分析，結果表明其二者在抗拉壓強度、抗彎剪強度等方面差別很小；在進行淡化海砂和河砂的制作的構件的碳化速度研究時發現，海砂構件的碳化速度比河砂構件的碳化速度，隨著時間的增加差別減小，但海砂構件相比于標準砂構件的膨脹率，在各個齡期均較大。此外，洪錦祥從凍融環境對混凝土構件的抗疲勞性能的影響方面進行了研究，其研究結果也表明混凝土構件的抗疲勞性能隨凍融次數的增加而急劇降低，且當外部存在鹽離子情況下，構件的抗疲勞性能下降更加明顯。

4 對混凝土構件耐久性研究的問題

目前，國內外對混凝土構件耐久性的研究，主要從混凝土構件的工作環境、組成骨料等方面進行，而對在設計和施工過程中可能出現的對混凝土構件耐久性產生影響的因素研究較少；如在設計過程中對受彎剪部位的構件內部彎起鋼筋對構件裂縫出現的影響；在施工過程中，在承受剪力較大的部位如支座部位的下部，放置彎起的構造筋，避免在施工過程中因局部剪力過大而過早出現裂縫；在混凝土橋梁建設中，由于晝夜溫差較大，在施工過程中由于施工溫差的作用可能會導致溫度應力作用，導致橋梁建設過程中局部構件出現裂縫，甚至由于溫差位移的累加，可能導致在橋梁的合龍階段，不能順利合龍等后果。

總之，對混凝土耐久性的研究，已經進行了上百年，目前的研究結果皆表明，在混凝土裂縫的存在、混凝土的收縮徐變、外部鹽離子的作用、凍融作用、構件混凝土的碳化等一種或多種耦合因素作用下，構件的耐久性均會降低。對混凝土構件目前仍在不斷改進，如當前利用尾波干涉技術（CWI)對混凝土構件進行耐久性分析，該技術是從尾波在地震方面的研究推廣而來。在材料改進方面，在本世紀初趙建昌等人合作的項目，針對超效緩凝砂漿與緩粘結預應力混凝土構件試驗研究，從研制添加新的具有明顯改變混凝土前期性能的方面，對構件的耐久性的影響進行研究。所以，對混凝土構件耐久性的研究技術的改進不僅與本學科的技術和研究方法的進步而向前推進，其他學科如力學、數學、材料等其他學科的認識的推進，也會對混凝土構件耐久性研究有著推進作用。