摘 要:钢筋混凝土结构的耐久性是一个十分重要的问题,文章从混凝土自身的材料性质出发,分别分析了水灰比、水泥品种和数量、氯离子含量以及碱骨料的含量对混凝土结构耐久性影响,并提出一些控制措施。
关键词:混凝土结构;材料性质;耐久性
中图分类号: TU582. 1 ; TU375 文献标识码:A 文章编号:167325781 (2007) 0120091203
0 引 言
众所周知,钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价较低,其应用非常广泛,当然这并不是说钢筋混凝土结构是十全十美的,事实上,如今有大量的混凝土结构由于各种各样原因提前失效,这其中主要是由于结构的耐久性不足引起的。近年来,国内外的统计资料表明,由于混凝土结构耐久性病害而导致的经济损失是巨大的,并且耐久性问题会越来越严重。因此,钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要而迫切需要解决的问题[1 ,2 ] 。
1 材料的劣化与混凝土结构耐久性
混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化,混凝土结构在自然环境和使用条件下,随着时间的推移,材料逐渐老化和结构性能劣化,出现损伤甚至损坏,是一个不可逆的过程。它不是直接由力学因素引起的,而是首先由于混凝土材料的物理化学作用的结果,继而影响到建筑物的使用功能和结构的承载力下降,最终会影响整个结构的安全。其中最明显的病害损伤事例,如海洋环境下混凝土结构受到含有氯离子介质的侵蚀,而导致钢筋锈蚀,严重的锈蚀会使混凝土开裂,不仅影响使用功能和外观,甚至使钢筋截面削弱,结构构件承载力下降,对结构安全性造成威胁。
所谓混凝土结构的耐久性,是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下,在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。从定义可以看出,混凝土结构耐久性研究应考虑材料性质、结构设计、施工质量和外界环境条件诸因素。材料层次的研究是混凝土结构耐久性研究的最基础部分,也是使结构耐久性变差的内在因素。因此本文将主要从材料层次研究处于一般大气环境下的混凝土结构耐久性[1～3 ] 。
材料的耐久性劣化主要包括混凝土碳化、氯离子对钢筋的锈蚀、碱- 骨料反应、冻融破坏。每一种材料劣化过程,既有属于材料本身的因素,又有属于环境条件的因素,每一种由环境条件(外因) 引起的破坏均通过自身条件(内因) 而起作用的。唯物辩证法中指出,内因决定外因,外因是通过内因而起作用,因此在本文中,将重点谈谈混凝土自身的材料性质对混凝土结构的耐久性影响。分别从水灰比、水泥品种和数量、氯离子含量、碱骨料含量这几个方面进行分析。
1. 1 混凝土碳化
埋在混凝土中的钢筋通常不会锈蚀,这是由于混凝土呈高度碱性,会在钢筋表面形成一层可以防止锈蚀发展的保护膜(钝化膜) ,但当大气中的二氧化碳和水汽从混凝土表面向里渗透并与混凝土中的碱性物质起化学作用,会使混凝土碱度降低,当碳化或中性发展到钢筋表面,破坏了钝化膜得以形成的条件,钢筋就会发生锈蚀,从而影响到混凝土结构的耐久性。
1. 1. 1 水灰比
从破坏机理看出,混凝土配合比,特别是水灰比是影响混凝土密实性的主要因素。水灰比对碳化的影响见表1 所列。
从表1 中可以看出,随着水灰比的增大,混凝土的碳化速度也相应地增大,这是因为碳化深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的Ca (O H) 2 含量的影响,水灰比越大,单位水泥用量越小,混凝土单位体积内的Ca (OH) 2 含量也越少,碳化速度越快,同时水灰比越大,混凝土内部的空隙率也随之增大,CO2 有效扩散系数扩大,这是使混凝土碳化速度加快的另一个原因,因此为了减少混凝土碳化引起的危害,适当控制水灰比是重要的。
1. 1. 2 水泥品种和用量
水泥品种和用量对混凝土性能也有很大影响,因为两者是决定水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要材料因素,因而也是影响混凝土碳化速度的主要因素之一。同样,可以说水泥用量是影响混凝土碳化最主要的因素之一。水泥用量越大,则单位体积混凝土中可碳化物质的含量越多,消耗的CO2 也越多,其抗碳化性能也越高,规律性十分明显。
1. 2 氯离子对钢筋的锈蚀
当有足够浓度的Cl - 扩散到钢筋表面时,当到达钢筋表面处的氯离子浓度积累到一定值(临界浓度)后可以导致钢筋钝化膜破坏;因此混凝土氯化物的临界浓度是一个十分重要的指标。
混凝土中的Cl - 来源有内掺和外掺两种,内掺的Cl - 主要来源于混凝土拌制过程中掺加的CaCl2 等防腐剂;海水环境中的海工混凝土及路面撒除冰盐的公路混凝土,环境中的Cl - 通过混凝土孔溶液逐步向内渗透,即为外渗型的Cl - 的来源。
钢筋位置溶液中游离Cl - 浓度越大,则其对钝化膜的破坏作用越大,钢筋的活性也越大,锈蚀速度也越快。由于钢筋的活性还受到p H 值的影响,因此人们认为氯化物引起混凝土中钢筋的去钝化,并不单纯取决于混凝土孔隙液游离Cl - 的浓度,更重要的参数是[ Cl - ]/ [OH- ]的值,表2 给出了不同p H 值碱溶液中的[Cl - ]/ [OH- ]临界值。
由表2 换算得到的氯盐总掺量与环境氯盐浓度临界值见表3 所列。
1. 3 碱- 集料反应
碱- 集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活料组分之间的发生的破坏性膨胀反应,是影响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,其开裂破坏是整体性的,且碱- 集料反应造成的混凝土开裂破坏难以被阻止,因而成为混凝土中的“癌症”,当配制混凝土时使用了含有活性矿物成分的砂石骨料,后者就会与混凝土中的碱发生化学反应,形成某种胶凝体,遇水后体积膨胀可使混凝土发生胀裂破坏。碱溶液还会浸入集料在破碎加工时产生的裂缝中发生反应,使集料受肿胀力作用而破坏。
如前所述,含碱量(Na2O + 0. 685 K2O) 是影响碱- 集料反应的重要因素之一,混凝土中的碱含量与水泥用量有关,还与骨料中矿物的种类及其活性程度有关。一般规定含碱量小于0. 6 %的为低碱水泥,低碱水泥一般不会发生碱- 集料反应。根据工程的不同环境条件提出了不同防止碱- 硅酸反应的碱含量的限制,见表4 所列。
1. 4 混凝土的冻融破坏
混凝土水化结硬后,内部有很多孔隙,非结晶水滞留在这些孔隙中。在寒冷地区,由于低温时混凝土孔隙中的水结成冰后产生体积膨胀,引起混凝土结构内部损伤逐渐达到一定程度而引起宏观的破坏。破坏前期是混凝土强度和弹性模量降低,接着是混凝土由表及里的剥落。
在我国北方地区的室外混凝土结构存在冻融破坏问题。当混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯离子时,混凝土的冻融破坏加剧。
总结已建工程的运行实践和室内混凝土的抗冻性能试验,得出水泥品种对混凝土抗冻性能有一定影响,且随水泥中混合材料掺入量的增加,混凝土的抗冻性降低。
国内各种水泥抗冻性高低的顺序为:硅酸盐水泥> 普通硅酸盐水泥> 矿渣硅酸盐水泥> 火山灰(粉煤灰水泥) 硅酸盐水泥,见表5 所列。
上述的钢筋与混凝土种种劣化过程,都需要有水的参与或以水作为媒介。钢筋与混凝土在干燥的环境下均不容易发和劣化,对钢筋来说,最不利的环境就是干湿交替。所以提高混凝土结构耐久性的首要途径就是增加混凝土材料自身的密实性,并增加钢筋的混凝土保护层厚度。这样才能阻挡水分、氧气、二氧化碳及有害物质的侵入,并延缓其到达钢筋位置的时间。传统的混凝土通常由水泥、水和砂石三种原材料拌合而成,为了增加混凝土的密实性,最主要的手段是要减少拌和水的用量,并在混凝土中加入矿物掺和料,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 结束语
(1) 从以上种种材料的耐久性劣化可知,为了提高混凝土结构的耐久性,要根据结构的环境类别,合理地选择混凝土原材料。
(2) 改善混凝土的级配,控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土强度等级,提高混凝土的抗渗性和密实性。
(3) 在今后的结构设计中,应严格遵循文献[1 ]的规定,控制水灰比、水泥用量、氯离子含量以及碱含量。
〔参考文献〕
[1] 张 誉,蒋利学,张伟平,等. 混凝土结构耐久性概论[M] . 上海:上海科学技术出版社,2003.
[2] 金伟良,赵羽习. 混凝土结构耐久性[ M] . 北京: 科学出版社,2002.
[3] 中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组. 混凝土结构耐久性设计与施工指南[M] . 北京:中国建筑工业出版社, 2004.
[4] GB50010 - 2002 ,混凝土结构设计规范[ S] .
[5] 赵顺波. 混凝土结构设计原理[ M] . 上海: 同济大学出版社,2004.
