河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 邢 潔

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題綜述

河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 邢 潔

一、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為世界上應(yīng)用最廣泛的工程結(jié)構(gòu)形式之一，結(jié)構(gòu)耐久性是工程結(jié)構(gòu)可靠性的重要內(nèi)涵之一，歐美國(guó)家關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的解釋，主要著眼點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)合理的使用壽命。而在我國(guó)，關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的解釋多與結(jié)構(gòu)的安全性相聯(lián)系，將耐久性看成是承載能力極限狀態(tài)的問題，是結(jié)構(gòu)的安全問題。

二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素眾多，常見的有混凝土碳化、堿-骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、混凝土凍融損傷、化學(xué)物質(zhì)的侵蝕以及機(jī)械物理?yè)p傷、大氣侵蝕、生物侵蝕、熔蝕等因素。在這些影響因素的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命大大縮短，尤其是鋼筋銹蝕，它是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最常見的因素之一。以下就幾種主要的影響因素進(jìn)行闡述。

1.混凝土碳化。空氣中的二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)通過復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，相互作用，使混凝土的成分和性能發(fā)生變化，使用機(jī)能下降，這就是混凝土碳化。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?；炷撂蓟€會(huì)加劇混凝土的收縮，導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。

以普通硅酸鹽水泥為例，在其充分水化后，混凝土孔隙水溶液為氫氧化鈣飽和溶液，pH值約為12～13，呈強(qiáng)堿性。普通硅酸鹽水泥碳化反應(yīng)的產(chǎn)物主要是碳酸鈣，碳酸鈣為非溶解性鈣鹽，會(huì)堵塞凝膠孔隙和部分毛細(xì)孔隙，使混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度提高，孔隙率降低，因而使混凝土的力學(xué)性能和構(gòu)件的受力性能發(fā)生變化。但試驗(yàn)研究表明，其影響并不大?；炷撂蓟瘜?duì)混凝土結(jié)構(gòu)的主要負(fù)面影響在于其引起的鋼筋銹蝕的耐久性問題。

2.混凝土堿-集料反應(yīng)。堿-集料反應(yīng)是混凝土組成中的水泥、外加劑、摻和料或拌和水中的可溶性堿和混凝土孔隙中及集料中能與堿反應(yīng)的活性成分在混凝土硬化過程中逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。堿-集料反應(yīng)發(fā)生于混凝土中的活性骨料與混凝土中的堿之間，反應(yīng)產(chǎn)物為硅膠體。這種硅膠體遇水膨脹，產(chǎn)生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。堿混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿-集料反應(yīng)出現(xiàn)裂縫后，會(huì)使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠(yuǎn)大于鋼筋原來的體積，使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。若在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后又會(huì)使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土工程的綜合性破壞。對(duì)此類破壞，目前還沒有有效的修補(bǔ)方法。對(duì)堿-碳酸鹽反應(yīng)的預(yù)防也尚無有效的措施。

3.氯離子侵蝕。我國(guó)海域遼闊，海岸線長(zhǎng)，基礎(chǔ)建設(shè)多集中于沿海地區(qū)，而海邊的混凝土工程由于長(zhǎng)期受氯離子侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，已建的海港碼頭等工程多數(shù)都達(dá)不到設(shè)計(jì)的使用壽命。我國(guó)北方地區(qū)，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撤除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。我國(guó)鹽堿地分布廣泛，其腐蝕條件更為苛刻，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕嚴(yán)重威脅混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

氯離子侵入混凝土主要通過擴(kuò)散作用、毛細(xì)管作用、滲透作用、電化學(xué)遷移等方式。氯離子在混凝土中的侵入過程通常是幾種作用共同存在的，與速度最快的毛細(xì)管吸附相比，滲透和電化學(xué)遷移產(chǎn)生的遷移可以忽略。但在許多情況下，尤其是在海洋環(huán)境下，擴(kuò)散被認(rèn)為是最主要的侵入方式。

4.混凝土凍融破壞?；炷潦怯伤嗌皾{和粗骨料組成的毛細(xì)孔多孔體。當(dāng)毛細(xì)孔中的水處于飽和水狀態(tài)，在溫度下降到冰點(diǎn)以下時(shí)，毛細(xì)孔中水結(jié)冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態(tài)，膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分子因?yàn)槠湔羝麎焊哂谕瑴囟认卤恼羝麎憾蛎?xì)孔中冰的界面處滲透，于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。此外，膠凝水向毛細(xì)孔滲透的結(jié)果必然使毛細(xì)孔中的冰體積進(jìn)一步膨脹，毛細(xì)孔壁同時(shí)承受膨脹壓和滲透壓兩種壓力，當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開裂。在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫會(huì)互相貫通，使混凝土由表及里遭到破壞。

5.鋼筋銹蝕。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的最主要因素。新鮮混凝土孔隙中是堿度很高（pH值可超過13）的氫氧化鈣飽和溶液，在這樣的高堿性環(huán)境中，鋼筋表面被氧化，形成一層厚度為20～60A的氧化膜，使鋼筋處于鈍化狀態(tài)。但混凝土的中性化（主要是碳化）使混凝土中的pH值降低時(shí)，或者有足夠濃度的氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面時(shí)，鋼筋鈍化膜將會(huì)遭到破壞。鋼筋銹蝕后，除了有效截面積減小，屈服強(qiáng)度下降等變化外，其與混凝土黏結(jié)性能也會(huì)發(fā)生變化。試驗(yàn)研究表明：隨著鋼筋銹蝕量的增加，變形鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度比先期略有增加，而后期則有較大幅度的衰退。鋼筋與混凝土之間黏結(jié)強(qiáng)度的衰退，使得鋼筋的強(qiáng)度不能被全部利用，從而與其他因素一起影響混凝土構(gòu)件的使用性能和承載力。

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)十分復(fù)雜而且越來越突出的工程結(jié)構(gòu)問題。在工程界引起普遍的的重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并且取得了可喜的成果。同時(shí)在這一領(lǐng)域還存在著諸多未解決的難題有待探討。