淺談鋼筋混凝土耐久性的影響因素及對策
2006-09-19 00:00
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摘要：混凝土結構是應用非常廣泛的一種結構形式，但是由于其結構自身和使用環境的特點，使得混凝土存在嚴重的耐久性問題。通過對國內外鋼筋混凝土工程耐久性現狀的介紹，從混凝土的碳化、凍融破壞、侵蝕性介質的腐蝕、混凝土堿集料反應、鋼筋銹蝕等方面論述了影響混凝土結構耐久性的因素及其對混凝土的破壞機理，并針對性地提出了預防的措施。
關鍵詞：鋼筋混凝土；耐久性；影響因素
長期以來，混凝土作為土建工程中用途最廣，用量最大的建筑材料之一，在近百年的發展中，其強度不斷提高。但是，在提出高強度的同時，混凝土結構的耐久性問題也愈來愈被人們所關注。
人們一直以為混凝土是非常耐久的材料，直到20世紀70年代末期，發達國家才逐漸發現原先建成的基礎設施工程在一些環境下出現過早損壞。美國許多城市的混凝土基礎設施工程和港口工程建成后20~30年，甚至在更短的時期內就出現劣化。
我國建設部的一項調查表明，國內大多數工業建筑物在使用25~30年后即需大修，處于嚴酷環境下的建筑物使用壽命僅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用環境相對較好，一般可維持50 年以上，但室外的陽臺、雨罩等露天構件的使用壽命通常僅有30~40年。橋梁、港口等基礎設施工程的耐久性問題更為嚴重，由于鋼筋的混凝土保護層過薄且密實性差，許多工程建成后幾年就出現鋼筋銹蝕、混凝土開裂。海港碼頭一般使用10年左右就因混凝土順筋開裂和剝落，需要大修。
當前，我國的基礎設施建設工程規模宏大，投入資金每年高達2萬億元人民幣以上，約30~50 年后，這些工程將進入維修期，所需的維修費或重建費用將更為巨大。有專家估計，我國“大干”基礎設施工程建設的高潮還可延續20年，由于忽視耐久性問題，迎接我們的還會有“大修”20 年的高潮，這個高潮可能不用很久就將到來，其耗費將倍增于當初這些工程施工建設時的投資。因此，提高混凝土耐久性，延長工程使用壽命，盡量減少維修重建費用是建筑行業實施可持續發展戰略的關鍵。
1 影響鋼筋混凝土耐久性的因素及其破壞機理
1.1 混凝土耐久性的概念
混凝土耐久性是指混凝土在設計壽命周期內，在正常維護下，必須保持適合于使用，而不需要進行維修加固，即指混凝土在抵抗周圍環境中各種物理和化學作用下，仍能保持原有性能的能力。混凝土工程的耐久性與工程的使用壽命相聯系，是使用期內結構保持正常功能的能力，這一正常功能不僅僅包括結構的安全性，而且更多地體現在適用性上。混凝土耐久性主要包括以下幾方面：一是抗滲性。即指混凝土抵抗水、油等液體在壓力作用下滲透的性能。抗滲性對混凝土的耐久性起著重要的作用，因為抗滲性控制著水分滲入的速率，這些水可能含有侵蝕性的化合物，同時控制混凝土受熱或受冷時水的移動。二是抗凍性。混凝土的抗凍性是指混凝土在飽水狀態下，經受多次抵抗凍融循環作用，能保持強度和外觀性的能力。在寒冷地區，尤其是在接觸水又受凍的環境下的混凝土，要求具有較高的抗凍性能。三是抗侵蝕性。混凝土暴露在有化學物質的環境和介質中，有可能遭受化學侵蝕而破壞。一般的化學侵蝕有水泥漿體組分的浸出、硫酸鹽侵蝕、氯化物侵蝕、碳化等。四是堿集料反應。某些含有活性組分的骨料與水泥水化析出的KOH和NaOH 相互作用，對混凝土產生破壞性膨脹，是影響混凝土耐久性最主要的因素之一。
1.2 影響混凝土耐久性的主要因素
一般混凝土工程的使用年限約為50~100年，但實際中有不少工程在使用10~20年，有的甚至在使用幾年后即需要維修，這就是由于混凝土耐久性低（不足）造成的。影響混凝土耐久性的原因錯綜復雜，除去社會因素、人為因素外，技術方面的主要因素有以下幾點。
1.2.2 混凝土的碳化
混凝土的碳化又稱為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過程中。它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組織和性能發生變化，使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程。混凝土碳化本身對混凝土并無破壞使用，其主要危害是由于混凝土堿性降低使鋼筋表面在高堿環境下形成的對鋼筋起保護作用的致密氧化膜8 鈍化膜9 遭到破壞，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，使混凝土中鋼筋銹蝕，同時，混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。所以說，混凝土的碳化與混凝土結構的耐久性密切相關，是衡量鋼筋混凝土結構可靠度的重要指標。
1.2.2 混凝土的凍融破壞
混凝土是由水泥砂漿和粗骨料組成的毛細孔多孔體。在拌制混凝土時，為了得到必要的和易性，加入的拌和用水總要多于水泥的水化水，這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中形成連通的毛細孔，并占有一定的體積，另外，還有一些水泥水化后形成的膠凝孔。這種毛細孔的自由水就是導致混凝土遭受凍害的主要因素，因為水遇冷凍結成冰后會發生體積膨脹，引起混凝土內部結構的破壞。當混凝土處于飽水狀態時，毛細孔中的水結冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態，這樣使得膠凝孔中的水向毛細孔中冰的界面處滲透，于是在毛細孔中又產生一種滲透壓力。此外，膠凝孔向毛細孔滲透的結果必然使毛細孔中冰的體積進一步膨脹。由此可見，處于飽水狀態的混凝土受凍時，其毛細孔壁同時承受膨脹和滲透兩種壓力。當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。在反復凍融循環后，混凝土中的裂縫會互相貫通，其強度也會逐漸減低，最后甚至完全喪失，使混凝土由表及里遭受破壞。
1.2.3 侵蝕性介質的腐蝕
在各種侵蝕性介質如酸、堿溶液等作用的環境下，侵蝕性介質對混凝土產生腐蝕，最終可能導致結構破壞。
在冬季，為保證公路交通的暢通，道路養護人員向道路、橋梁及城市立交橋等撒鹽或鹽水，以化雪和放冰，這使得氯離子進入混凝土結構的內部。在混凝土結構使用壽命期間可能遇到的各種暴露條件中，氯化物是最危險的侵蝕介質，應引起高度重視。氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機理，一是破壞鈍化膜，氯離子進入混凝土到達鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處時，使該處呈酸性，從而破壞了鋼筋表面的鈍化膜；二是形成腐蝕電池，腐蝕電池作用的結果使得鋼筋表面產生蝕坑，且蝕坑發展十分迅速；三是去極化作用，氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用，即凡是進入混凝土中的氯離子，會周而復始地起到破壞作用，這也是氯離子危害的特點之一。
1.2.4 混凝土堿集料反應
混凝土堿集料反應被許多專家稱為混凝土的“癌癥”。堿集料反應是指混凝土集料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液產生的化學反應。堿主要來源于水泥熟料、外加劑，集料中活性材料主要是SiO2和硅酸鹽、碳酸鹽等。
混凝土堿集料反應分為3種：堿—硅反應，堿—碳酸鹽反應和堿—硅酸鹽反應。其中堿—硅反應最為常見。堿集料反應產生的堿—硅酸鹽等凝膠遇水膨脹，將在混凝土內部產生較大的膨脹應力，從而引起混凝土開裂。混凝土集料在混凝土中呈均勻分布，故裂縫首先在混凝土表面無序、大量產生，隨后將加速其他因素的破壞作用而使混凝土耐久性迅速降低。
引起堿集料反應的3個條件中有2個來自混凝土內部，一是混凝土中摻入了一定數量的堿性物質，或者混凝土處于有利于堿滲入的環境；二是集料中有一定數量的堿活性骨料（如含SiO2的骨料） ；三是潮濕環境，可以提供反應物吸水膨脹所需要的水分。在干燥條件下堿集料反應難以發生。
混凝土發生堿集料反應破壞的特征：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物；而內部特征主要有內部凝膠、反應環、活性堿—集料、內部裂縫、堿含量等。混凝土結構一旦發生堿集料反應出現裂縫后，會加速混凝土的其他破壞，空氣、水、二氧化碳等侵入，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，又會使裂縫擴大。若在寒冷地區，混凝土出現裂縫后又會使凍融破壞加速，這樣就造成了混凝土工程的綜合性破壞。
1.2.5 鋼筋銹蝕
混凝土在一種或多種外界作用下，材料的耐久性能會發生衰退，逐漸降低了對其內部鋼筋的保護作用。當鋼筋外面的混凝土中性化或出現開裂等情況時，鋼筋失去了堿性混凝土的保護，鈍化膜破壞并開始銹蝕。銹蝕的鋼筋不但截面積有所損失，材料的各項性能也會發生衰退，從而影響混凝土構件的承載能力和使用性能。鋼筋銹蝕也是引起混凝土結構耐久性下降的最主要和最直接的因素。
混凝土中的鋼筋銹蝕一般是電化學銹蝕。電化反應的必要條件是鋼筋表面呈活化狀態且同時存在水和CL- 。混凝土保護層碳化導致堿度降低是使鋼筋表面活化的主要因素，CL- 侵入也可使鋼筋表面鈍化膜迅速破壞。
根據鋼筋銹蝕區的分布將鋼筋銹蝕分為兩類：其一，裂縫處銹蝕。構件混凝土表面可能由于荷載作用產生結構性裂縫，或因干縮、濕度應力、碳化、堿集料反應等產生非結構性裂縫。當環境中的水、氧、CL-沿裂縫侵入時，造成裂縫處的鋼筋產生銹蝕。其二，普遍銹蝕。當混凝土碳化至鋼筋表面時，一旦存在水、氧、CL- 等條件時，首先在裂縫處出現鋼筋坑蝕，進而發展為鋼筋橫向的環狀銹蝕，最終沿鋼筋縱向擴展為片狀銹蝕。成片的銹蝕因其體積膨脹導致混凝土沿鋼筋布置方向發生混凝土保護層裂縫。
2 提高混凝土耐久性的措施
如前分析，不論是上述哪一種因素主導著混凝土的劣化過程，其共同點是混凝土內有充足的水分和其他有害物質的侵入。要提高混凝土耐久性，滿足耐久性要求，必須降低混凝土的孔隙率，特別是降低毛細管孔隙率，即混凝土必須有足夠的密實性并且不出現有害裂縫，從而能夠抵抗水分和侵蝕性介質的滲入。
針對影響混凝土耐久性的因素，采取的措施多種多樣，歸納起來主要有以下幾點：
（1） 提高混凝土抗碳化能力。碳化對混凝土結構耐久性影響主要是使混凝土堿度降低，進而鋼筋脫鈍、銹蝕。為此必須減小、延緩混凝土的碳化。鋼筋外留下足夠的混凝土保護層厚度是簡單有效的方法；混凝土配合比將影響碳化速度，足夠的水泥用量、降低水灰比、采用減水劑都可減緩碳化速度。此外，提高混凝土密實性、增強抗滲性、對混凝土采用覆蓋面層等措施可減緩或隔離CO2向混凝土內部滲透，大大提高混凝土抗碳化能力。
（2） 防止混凝土的凍融破壞。凍融破壞在我國北方寒冷地區大量出現。防止凍融破壞主要措施是降低水灰比、使用引氣技術（加引氣劑） 。但是，由于引入空氣微泡會降低混凝土強度，加之市場上引氣劑品種繁多，質量參差不齊，故在工程使用時應慎重選用。
（3） 預防侵蝕性介質的腐蝕。在我國侵蝕性介質對混凝土結構危害最嚴重的應是氯鹽的影響。提高混凝土抗氯離子滲透能力的措施是限制水灰比，保證最低水泥用量以確保堿度，摻入適量優質摻和料（ 粉煤灰、磨細礦渣、硅灰）等。
（4） 減輕混凝土堿集料反應。混凝土堿集料反應危害很大，而且一旦發生很難修復。但在我國由于堿集料反應引起開裂的實例很少見。這是因為我國混凝土強度等級較國外低，水泥用量少，總堿量低。另外，我國水泥中普遍摻有15%以上碎礦渣、粉煤灰、沸石粉等混合料，有效抑制了可能發生的堿集料反應。但隨著混凝土強度提高，水泥用量增加，同時水泥生產工藝的改變，混凝土含堿量已在明顯提高。由于大量基建項目的興建，骨料來源減少，劣質骨料可能被采用，施工隊伍素質等問題也將提高堿集料反應幾率，故應采取有效預防措施。當混凝土使用有堿活性反應的骨料時，配合比必須控制混凝土中的總堿含量以保證混凝土的耐久性；粉煤灰能抑制堿集料反應，但是如摻量小于10% ，有時反而會增加膨脹。外加劑特別是早強劑帶來高含量的堿。我國目前僅外加劑提供的堿量有時竟高于國外限制混凝土總堿量，如復合早強劑（ 硫酸鈉、氧化鈉、氧化鈣、亞硝酸鈉為主要成分） 帶入混凝土的堿為3．13kg/m3~6．80kg/m3，早強減水劑（硫酸鈉、木質素為主要成分） 帶入堿為1．31kg/m3~3．93kg/m3。目前，混凝土施工常因工期要求摻入早強劑等外加劑，為預防堿集料反應，在設計上應對外摻劑的使用提出要求。
（5） 鋼筋銹蝕的預防。對鋼筋銹蝕問題，可以采用的表面保護措施有：環氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環氧樹脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環氧樹脂防腐涂層，這種鋼筋保護層即使氯離子、氧等大量侵入混凝土時也能長期保護鋼筋使其免遭腐蝕。另外，在混凝土表面涂層也是簡便有效的方法，涂料應是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。此外，自20世紀60~70年代起，國內外都開始在混凝土拌和物中摻入亞硝酸鈉作為預防惡劣條件下鋼筋腐蝕的補充措施。
另外，還可摻加高效減水劑，在保證混凝土拌和物所需流動性（工作性）的同時，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細孔隙率大幅度降低。摻入高效活性礦物摻料，如硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的膠凝物質的組成，使水泥石結構更為致密，有效地阻斷可能形成的滲透通道，提高混凝土強度，增強混凝土自身抵抗環境侵蝕破壞的能力等。
3 結語
目前，混凝土結構耐久性問題已十分嚴重，這應該引起每一名從業人員的高度重視。從設計方面，應進一步明確使用年限，針對影響混凝土結構耐久性的主要因素，結合工程具體情況，采取相應的措施。為保證混凝土結構耐久性，還應對施工提出詳細要求。同時，應該大量使用新技術、新成果來改善、提高混凝土的耐久性，延長混凝土工程的使用壽命。另外，作為提供給用戶的產品，明確正常使用方法、日常維護內容也是必需的。 |
| 原作者： 張廣義 |
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