李如林，馮 雷

（1.河北建研科技有限公司，石家莊 050021；2.河北省安裝工程公司第二分公司，唐山 063000）

0 引言

混凝土材料是目前應(yīng)用最廣泛的土木工程材料之一，它是由膠凝材料、粗細(xì)骨料、外加劑和水按一定比例配制，經(jīng)攪拌振搗成型，在一定條件下養(yǎng)護(hù)而成的人工石材。它是由復(fù)雜的多相多孔體系組成，在這個(gè)體系中，固相由晶體，非晶體，膠體組成；液相由化合水，晶體水，自由水，層間水組成；氣相由氣泡和空隙組成。由于混凝土具有所用原材料豐富、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度等級(jí)范圍寬等特點(diǎn)，因而使其用量越來(lái)越大。混凝土的使用過(guò)程是具有耐久性要求的，但隨著時(shí)間的推移，受到外界環(huán)境侵蝕等多種客觀因素的影響，混凝土將會(huì)發(fā)生老化及損傷，一旦混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，將不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，且損傷積累到一定的程度，將會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力下降，甚至造成安全事故的發(fā)生。因此研究混凝土損傷成因及預(yù)防措施，為避免或減少混凝土損傷提供理論基礎(chǔ)，有利于提高混凝土的耐久性能。

1 混凝土損傷定義及檢測(cè)方法

1.1 混凝土損傷的定義

混凝土損傷是指混凝土在使用過(guò)程中因荷載、濕度、溫度、周?chē)橘|(zhì)等的作用，使混凝土的微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而形成微缺陷，微缺陷經(jīng)孕育、擴(kuò)展和匯合，逐漸導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的降低，最終造成混凝土的破壞。從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，混凝土損傷又被認(rèn)為是混凝土內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生的一種不可逆的、逐漸耗能的演變過(guò)程［1］。

1.2 混凝土損傷的檢測(cè)方法

直接測(cè)試法：滲透X 光觀測(cè)技術(shù)、CT（斷層掃描）技術(shù)、掃描電鏡結(jié)合復(fù)印技術(shù)、核磁共振技術(shù)。

間接測(cè)試法：通過(guò)測(cè)試混凝土的某種物理量和材料力學(xué)性能的變化來(lái)描述損傷的狀態(tài)和損傷的發(fā)展程度，如依據(jù)電阻、聲速等物理量的變化，或依據(jù)剛度、強(qiáng)度、塑性變形、疲勞極限、剩余壽命等材料力學(xué)性能的變化來(lái)描述和間接判斷混凝土的損傷程度［2］。

2 混凝土損傷成因分析

混凝土損傷按損傷的分布分為結(jié)構(gòu)損傷和表面損傷。

2.1 結(jié)構(gòu)損傷

結(jié)構(gòu)損傷成因包括外力作用、環(huán)境作用和周?chē)橘|(zhì)的作用。

2.1.1 外力作用

在混凝土硬化過(guò)程中膠凝材料與骨料可形成良好的黏結(jié)，但也有薄弱過(guò)渡區(qū)的存在，并且由于膠凝材料與骨料彈性模量不同，環(huán)境溫濕度變化引起的變形也各不相同，因而在膠凝材料與骨料的界面上容易造成應(yīng)力集中，當(dāng)其集中應(yīng)力超過(guò)界面的承受能力時(shí)，就產(chǎn)生許多微細(xì)裂縫。混凝土在外力作用下的變形與破壞的實(shí)質(zhì)就是這些微細(xì)裂縫的引發(fā)、擴(kuò)展、匯合，逐步擴(kuò)大直至損傷的結(jié)果?；炷两缑鎿p傷見(jiàn)圖1，從圖中可以看出絕大部分裂縫出現(xiàn)在膠凝材料與骨料的薄弱過(guò)渡區(qū)界面上。這就是最常見(jiàn)的混凝土界面破壞，即骨料與水泥石分離造成的混凝土損傷［3］。

圖1 混凝土界面損傷圖

2.1.2 環(huán)境作用

環(huán)境作用對(duì)混凝土損傷的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境濕度變化和環(huán)境溫度變化兩方面。環(huán)境濕度變化會(huì)引起混凝土中水泥的膨脹或收縮變形，對(duì)骨料影響一般不大，因?yàn)樵谒柡蜖顟B(tài)與干燥狀態(tài)下骨料的尺寸幾乎沒(méi)有變化。同時(shí)，骨料可以承受混凝土由于濕度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，并對(duì)減弱應(yīng)力集中是有促進(jìn)作用的。環(huán)境溫度變化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損傷影響較大，主要體現(xiàn)在骨料和水泥的溫度線膨脹系數(shù)有所不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，在水泥與骨料之間的界面上會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)界面承受能力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生損傷。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)溫度大于100℃時(shí)自由水蒸發(fā)，溫度在200～300 ℃時(shí)結(jié)合水蒸發(fā)；溫度大于300 ℃時(shí)化合水蒸發(fā)，強(qiáng)度開(kāi)始損失；溫度大于600℃時(shí)結(jié)構(gòu)自損；當(dāng)溫度大于800℃時(shí)碎石彈射，爆裂出來(lái)［4］。火災(zāi)后混凝土損傷見(jiàn)圖2。

圖2 火災(zāi)后混凝土損傷圖片

2.1.3 周?chē)橘|(zhì)的作用

周?chē)橘|(zhì)的侵蝕作用引起混凝土的某些性質(zhì)發(fā)生改變。一般從氣孔率高、抗?jié)B透性能差、對(duì)周?chē)橘|(zhì)變化較敏感的水泥開(kāi)始發(fā)生變化，但有時(shí)周?chē)橘|(zhì)變化也能觸及骨料并作用于骨料的外表面。受周?chē)橘|(zhì)作用時(shí)，如果引起骨料顆粒的體積變化或水泥性質(zhì)的劣化，對(duì)混凝土性能的影響是最大的。周?chē)橘|(zhì)的影響有的來(lái)自混凝土內(nèi)部，如水泥的液相作用，水泥中的氫氧化鈣、氫氧化鈉、堿金屬碳酸鹽等對(duì)混凝土具有侵蝕作用；也有來(lái)自混凝土的外部，如外部酸性氣體、液體的侵蝕等。水泥的堿性介質(zhì)能改變骨料的表面性質(zhì)，降低混凝土結(jié)構(gòu)組分之間的黏結(jié)性能，在內(nèi)壓力作用下使骨料與水泥分離，從而導(dǎo)致混凝土損傷破壞。

2.2 表面損傷

表面損傷成因包括富漿層薄弱區(qū)、碳化反應(yīng)、磨損等。

2.2.1 富漿層薄弱區(qū)

混凝土上表面由于骨料密度大于砂漿密度，所以靜置時(shí)骨料下沉，形成富水泥砂漿層，富水泥砂漿層骨料少、水灰比大、導(dǎo)致強(qiáng)度低、濕度下降較大、受環(huán)境影響大，很難通過(guò)人工控制。所以，這一層混凝土容易產(chǎn)生凍融破壞，屬于混凝土的損傷薄弱區(qū)。

2.2.2 碳化反應(yīng)

混凝土結(jié)構(gòu)的碳化是混凝土受到的一種化學(xué)腐蝕。碳化反應(yīng)的機(jī)理是混凝土中的水泥在水化過(guò)程中生成大量的氫氧化鈣，隨著空氣中的二氧化碳滲透到混凝土內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣和水，使混凝土堿度降低?；炷撂蓟磻?yīng)一般不會(huì)直接引起混凝土性能的劣化，并且素混凝土碳化反應(yīng)還對(duì)耐久性的提高有促進(jìn)作用，但對(duì)于鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)，碳化會(huì)使混凝土中的堿度降低，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的損傷。

3 混凝土損傷預(yù)防措施

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷預(yù)防

（1）完善設(shè)計(jì)過(guò)程，嚴(yán)防混凝土超荷服役

荷載作用是造成結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展乃至破壞的主要原因之一，因此要在設(shè)計(jì)中使結(jié)構(gòu)平面簡(jiǎn)單、規(guī)則，質(zhì)量、剛度和承載力分布均勻，避免或減少形成結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，進(jìn)而避免薄弱部位混凝土的損傷。設(shè)計(jì)過(guò)程要嚴(yán)加審核，最大程度地保證設(shè)計(jì)成果的可靠性，嚴(yán)防混凝土超荷服役狀況的發(fā)生。

（2）保證原材料質(zhì)量，合理選擇混凝土外加劑

合格的原材料是混凝土質(zhì)量的保證，嚴(yán)格做好原材料的管理工作。游離氧化鈣超標(biāo)、安定性不良及強(qiáng)度不合格的水泥應(yīng)禁止使用；對(duì)于原材料中堿的含量要嚴(yán)格控制，防止堿骨料反應(yīng)；嚴(yán)控原材料中氯離子含量，防止混凝土結(jié)構(gòu)受到氯離子的化學(xué)侵蝕。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中摻入引氣劑，使混凝土內(nèi)部形成互不連通的微細(xì)氣孔，減小混凝土受凍初期的靜水壓力，使混凝土的抗凍耐久性明顯提高，也可有效地減少混凝土的結(jié)構(gòu)損傷。

（3）保證施工質(zhì)量，控制使用環(huán)境

在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制溫度，減輕溫度應(yīng)力；在混凝土配合比設(shè)計(jì)中采用改善骨料級(jí)配，摻加礦物摻合料、摻加高效減水劑等措施，減少混凝土中的水泥用量；炎熱季節(jié)拌合混凝土?xí)r用冷水將碎石冷卻，以降低混凝土的澆筑溫度；大體積混凝土澆筑時(shí)分層澆筑以減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；在混凝土內(nèi)埋設(shè)水管，通入冷水降溫；寒冷季節(jié)拌合混凝土?xí)r要規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫措施，避免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度變化。

3.2 混凝土表面損傷預(yù)防

（1）表面改性法：通過(guò)在混凝土表面涂刷滲透結(jié)晶性混凝土保護(hù)劑，使表面混凝土由親水性變?yōu)樵魉?，從而降低滲透壓，可有效預(yù)防混凝土表面損傷。

（2）物理處理法：混凝土上表面富漿層通過(guò)表面碾壓使表面水析出，有效提高表面混凝土密實(shí)性。

（3）結(jié)構(gòu)方法：混凝土結(jié)構(gòu)在使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后，可使構(gòu)件表面混凝土減少或不受拉應(yīng)力，有效避免表面混凝土裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

造成混凝土損傷的因素往往不是單一的，而是幾種因素共同作用的結(jié)果，混凝土損傷的表現(xiàn)形式也是千差萬(wàn)別的。因此，對(duì)于混凝土損傷狀況的檢測(cè)、評(píng)估、成因分析必須全面考慮引起混凝土損傷的各種可能因素，才能科學(xué)準(zhǔn)確地制定混凝土損傷的預(yù)防措施，為保障混凝土正常使用提供理論基礎(chǔ)。

［1］ 封伯昊，張立翔.混凝土損傷研究綜述［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，26（3）：21－30.

［2］ 何建濤，馬懷發(fā).混凝土損傷本構(gòu)理論研究綜述［J］.水利水電科技進(jìn)展，2010，30（3）：89－93.

［3］ 朱淑艷.混凝土結(jié)構(gòu)損傷的因素及預(yù)防措施［J］.黑龍江科技信息，2011，（4）：306.

［4］ 周?chē)?guó)勇.火災(zāi)建筑物混凝土損傷鑒定方法與原理［C］.／／2011年混凝土與水泥制品學(xué)術(shù)討論會(huì)文集.2011：33－36.