混凝土结构耐久性分析

混凝土结构耐久性分析

作者：马文广

来源：《消费导刊·理论版》2008年第17期

[摘 要]工业和海洋大气环境的长期作用造成了材料性能的劣化，使钢筋混凝土结构耐久性下降，钢筋混凝土结构耐久性不足需要投入大量资金去维修、重建，成了国家沉重的财政负担。本文通过事例说明了提高混凝土耐久性的必要性，从混凝土结构劣化机理分析了混凝土耐久性问题的根源，并给出了提高混凝土耐久性的措施，具有很强的现实意义。 [关键词]混凝土结构 耐久性 劣化机理 控制措施

结构的耐久性，是指结构及其构件在各种可能引起结构材料性能劣化的作用下，能够长期维持其应有性能的能力。结构在建筑施工、正常使用直至生命期结束的长期使用过程中，将承受各种荷载与环境的作用，其中包括瞬时作用、短期作用与长期作用。

荷载和环境的长期作用，有可能引起材料性能劣化。对于荷载长期作用造成的材料性能的劣化或降低，工程中采用持久强度或模量、疲劳强度或模量来加以考虑；而对环境长期作用造成的材料性能的劣化，工程实践中考虑并不充分，所造成的大量耐久性问题，既增加了使用过程中的维修费用，又可能影响正常使用，而且还可能缩短结构的使用年限。

一、提高混凝土结构耐久性的必要

在工业与民用建筑中，混凝土结构的室外构件以及靠近基础部位的构件，因为经常处于干湿交替的环境中，有时在远未到设计预期的使用年数，就出现钢筋锈蚀、混凝土顺筋胀裂与保护层剥落破环或者混凝土受冻开裂剥蚀骨料裸露等现象，人们不得不对此进行大修，成为国家沉重的财政负担。据介绍，估计美国今后每年用于维修或重建的费用将高达3000亿美元；在加拿大，为修复劣化损坏的全部基础设施工程，据估计要耗资5000亿美元。在我国地区，据1995年统计，当时在役的60亿平方米城镇民用建筑中，有二分之一需加固，六分之一急需修理加固；另外据普查结果，2000年底有公路危桥近万座，以后每年实际需要维修费38亿元。更为严重的是，混凝土结构由于环境长期作用造成的材料的劣化，已经带来了安全隐患或引发工程安全性事故。德国柏林议会大厦预应力混凝土屋顶因析氢的应力腐蚀破裂而倒塌。在我国，对华南地区18个码头的调查结果表示，80%以上发生了严重的钢筋锈蚀破环，部分使用年限仅有5~10年。在连云港杂货码头、宁波北仑港矿石码头、天津港客运码头等地，上部混凝土结构在使用不到10年，便出现了大量的钢筋锈蚀与顺筋开裂；黑龙江省的哈绥公路发生了严重的反复冻融破环，北京市的立交桥也过早地发生了严重的破环。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

有人以钢筋锈蚀情况为例，用“五倍定律”来描述混凝土结构耐久性问题的严重性：设计对钢筋保护节省1元，那么将来发现钢筋锈蚀而采取措施将追加维修费5元，对混凝土表面顺筋开裂所采取的措施将追加维修费25元，而当严重损坏时采取措施将需追加125元。这说明人们已认识到对混凝土结构进行耐久性设计的重要性。

二、混凝土结构劣化机理

混凝土工程结构的耐久性问题根源始于材料劣化，其发展的结果是结构性能的退化。 （一）混凝土结构材料劣化

组成混凝土结构的材料主要是钢筋与混凝土。环境长期作用的后果是引起这两种材料的劣化，主要为钢筋的锈蚀与混凝土的腐蚀或裂损。 1．钢筋锈蚀

在工程环境条件下，常有两种情况可以破坏钢筋表面的钝化膜并在氧和水分的参与下使钢筋发生持续锈蚀。 （1）混凝土的碳化

混凝土的碳化，即混凝土的中性化。大气中的二氧化碳，通过混凝土里的空隙溶解于毛细管中的液相，从混凝土表面向内部渗透，与混凝土中碱性物质其化学反应，生成中性的碳酸钙而降低混凝土的碱性。当中性化即碳化发展到钢筋的表面时，其钝化膜将遭受破坏，从而会使钢筋发生锈蚀。 （2）氯盐的侵蚀

氯盐接触到钢筋，会直接破坏其表面的钝化膜并与钢筋发生电化学反应，使钢筋发生锈蚀。引起钢筋锈蚀的氯盐可能来源于两个途径：存在于混凝土内部，或有环境侵入。前者 是在浇筑施工过程中氯盐直接掺入混凝土中，如使用了含氯盐的外加剂、含氯盐的海砂或含氯盐的水；后者存在于环境的水、气、土体之中，通过各种传输途径侵入混凝土体内。在海洋环境中存在的氯盐。海水中约含2.9%的氯离子；海浪海潮产生的海水飞溅区域，混凝土表面层中氯离子含量可达17kg/m3；冬季在路面上撒盐除冰防滑，使混凝土表面积聚较高含量的氯离子，在桥梁面板可达15kg/m3。 2．混凝土的材料腐蚀损伤

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

砂石与水泥浆结成混凝土，其完整的组成结构承担着传递应力、保护钢筋的作用。环境因素的长期作用破坏混凝土的组成结构，会造成混凝土的损伤甚至使其脱离工作。这种环境作用包括物理与化学两个方面。 （1）混凝土的冻融破坏

水在结冰过程中，约产生9%的体积膨胀。工程中受冻融破坏的混凝土经常接触氯盐，盐冻下危害优劣。这是因为，混凝土空隙中盐水存在的盐浓度差造成的渗压，使混凝土的冻融更甚，表面层会出现严重的剥落。 （2）混凝土的化学物质腐蚀

酸雨、地下水和土壤中的硫酸盐、镁盐等物质与表面混凝土中的碱发生化学反应，对混凝土产生化学腐蚀。这些盐类渗入混凝土后结晶膨胀，导致混凝土破坏。 （3）混凝土的碱-骨料反应

当配制混凝土时使用了含有活性矿物成分的砂石骨料，它会与混凝土中的碱发生反应，形成某种遇水后体积膨胀的胶凝体，使混凝土发生胀裂破坏。 （4）内部硫酸盐腐蚀

与碱-骨料反应相似，混凝土钙矾石延迟生成也从内部发生化学腐蚀反应。 （二）混凝土结构的性能退化 1．钢筋锈蚀引起的结构性能退化

钢筋锈蚀将使钢筋截面损失、钢筋与混凝土之间粘结能力降低、钢筋周围混凝土被挤裂破坏剥落，继而会导致结构的刚度与强度降低，也会因裂缝形态的改变导致结构传力机构的变化而出现脆性破环。

2．混凝土冻融损伤引起的结构性能退化

混凝土在冻融循环中，受冻胀时挤压、融解时卸压的反复荷载作用，内部微裂缝不断扩展，混凝土自身的刚度逐渐消弱，抵抗应力的能力相应降低。另外，由于冻融作用使混凝土密实性降低，有害物质更易渗入，加快钢筋的锈蚀。在材料劣化的情况下，结构性能也会相应降退化。

（三）提高混凝土结构耐久性的措施

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

1．选取合适的材料

选用质量稳定并有利于改善混凝土密实性和抗裂性的水泥和骨料等原材料，尽可能降低混凝土的拌合水用量与水灰比，并在混凝土中掺入适宜的矿物掺合料，高效减水剂和引气剂。 2．增加保护层厚度

尽量增加钢筋的混凝土保护层厚度，以满足设计使用年限内材料劣化发展的极限状态要求。

3．增加隔水措施

注重防水、排水和密封等构造措施，尽可能防止混凝土在使用过程中遭受干湿交替，也尽可能避免氯盐等有害物质接触混凝土表面。 4．注意混凝土养护

从混凝土耐久性出发，提出混凝土施工质量的要求，特别是混凝土养护的温、湿控制。 总之，延长结构使用年限或设法保证结构的耐久性达到预期的设计使用年限，从长远来看，是对资源的节约，符合可持续发展的需要。所以，要尽可能地提高结构物的耐久性质量，合理延长结构物的使用年限，在土木工程领域已成为一种国际潮流，也应该作为我国混凝土结构设计的一条重要指导原则。