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1、1混凝土结构耐久性探析影响因素及防治对策中核防水材料有限公司 中国天津 300180关键词：混凝土碳化，钢筋锈蚀，防水、防腐，渗透结晶， 中核 2000，全寿命经济分析。摘要：分析了对钢筋混凝土结构耐久性的影响因素，提出预防和诊治钢混建筑结构在环境中劣化的对策。为此， 中核 2000渗透结晶型防水材料将发挥重大作用。1 引言1.1 混凝土结构的耐久性概念钢筋混凝土是当今使用最广泛的建筑材料，以其良好的综合性能，成为楼宇、桥梁、大坝、公路等现代化工程结构物的首选材料。混凝土结构应满足安全性、适用性和耐久性的要求。混凝土的耐久性是指在设计使用年限内，结构和构件在正常的维护条件下应能保持其使用功能，
2、而不需要大加修固。设计使用年限按规定的国家标准 GB50068建筑结构可靠度设计统一标准确定，普通房屋和构筑物为 50 年，重要的建筑结构为 100 年及以上。1.2 混凝土结构耐久性的国内外现状令人堪忧的是，不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求。长期以来，人们一直以为混凝土是非常耐久的材料，直到七十年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早的损坏，为此，投入了大量科研经费并积极采取应对措施。以桥梁为例，在美国，每年用于维修桥梁的费用达 1260 亿美元（占总投入的 1/3） ，在德国为 8 亿马克。在我国，工程建筑的使用寿命普遍较低，许多民用和国防建筑设施的使用年
3、限远未达到设计要求，过早出现劣化和破损的现象十分普遍。仍就桥梁而言，我国目前仍有数千座“危桥” 、病害桥梁在继续使用。据 1998 年统计，我国铁路桥梁失格率为 19.39%；在北京，仅使用十九年的西直门立交桥因化冰盐腐蚀已拆除重建。此外，京津地区还有许多建造不久的立交桥已出现混凝土开裂、剥落、钢筋锈蚀等严重的腐蚀迹象。总之，混凝土结构耐久性已成为困扰土建基础设施工程的世界问题。美国著名专家梅塔教授指出：“21 世纪，混凝土强度势必被耐久性所取代” 。他进一步阐明“混凝土是多种组分的集合体，其自身结构和性能是随时间而变化的” 。这种变化的最主要的原因，是环境的作用与影响。1.3 混凝土结构耐久
4、性问题的严重性和迫切性目前，我国正处于基本建设的高潮期，特别是当前国家西部大开发的战略部署，大规模的基础设施工程正在或即将投入建设。其中许多属于重点工程的设施，国家已投入巨资兴建。耐久性问题的严重性和迫切性在于，我国许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训，沿着老路重蹈覆辙。据估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮期还可延续 20 年，由于忽视耐久性的问题，还会有“大修”二十年的高潮，其维修经费将是这些工程施工建设时投资的数倍。同时，国内现有大量土建工程因步入老化期需要修复，特别是环境的日益恶化使许多工程过早发生病害需要诊治，因此在应对混凝土结构劣化问题上，面临十分严峻的形势，重视
5、并缓解这一问题是可持续发展的需要，已刻不容缓。综上所述，由于忽视混凝土结构劣化所导致的混凝土结构耐久性降低，使相当一部份民用和国2防工程的正常使用功能和安全性得不到有效保证，我国现代化建设的步伐将要受到严重阻碍，国民经济会蒙受巨大损失，给社会发展和大众生活带来长期困扰。延长混凝土结构的使用寿命，可以从根本上节约资源和能源，是建设节约型社会的需要；同时，又减少了水泥生产和混凝土废弃物给环境带来的污染，关系到人类的可持续发展。因此混凝土结构的耐久性已成为当前亟待采取措施应对的重大课题，是当今国际结构工程学科最为重要的前沿研究领域之一。2 混凝土结构耐久性降低缘由和影响因素钢混建筑结构的耐久性问题是
6、一个复杂的系统工程。结构劣化、耐久性下降的原因，既有“先天”的因素（材料特性） ，又有环境的影响（物理的，化学的，生物的等） ，还有人为的原因（设计、施工、使用、维护等） ；正是这些因素的综合作用，给分析和控制带来相当大的难度。以下按钢混结构的“混凝土”和“钢筋”两部分，分析、探讨两者在环境影响下劣化的动力学和机理、相互影响和在混凝土结构整体破坏中的作用。2.1 混凝土的劣化（老化）2.1.1 宏观表征混凝土的劣化（或称老化）系指材料性能弱化和结构功能退化，表现为表层和基体逐渐受到损伤，如：表层粉化、磨蚀、龟裂、剥落；机体变形、膨胀、开裂、酥松、溃散；钢筋裸露、离骨等，导致结构承载力下降、强度
7、损失及至整体破碎、坍塌。研究证实，混凝土的劣化由外层开始，由外向内逐渐深入；外层的孔隙率最大，老化最严重，力学性能最差，而外层混凝土对结构的承载力贡献最大。因此，表层损伤不容忽视。2.1.2 影响因素2.1.2.12.1.2.1 结构因素结构因素混凝土是由水泥、砂石和骨料、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料，内部缺陷很多。由于水泥的水化作用不完全，多余水分子的挥发以及水泥水化过程中产生的收缩（其减缩率为 8%左右） ，在水泥石中生成孔隙；水泥石与砂石、骨料的界面上也有孔隙。因此，混凝土具有多孔结构，其孔隙率很高，约占总体积的 25%左右。孔结构按照孔隙的大小分为凝胶孔、毛细孔、气孔、大孔
8、。凝胶孔孔径一般为 50100 （作为污染气体煤层气的主要成分甲烷分子的直径仅有 3.764.6 ） ；毛细孔绝大部分为开放孔，呈不规则形状，占孔隙的相当大部分，孔径约 10100 nm；气孔则成圆形，孔径为 50200 m；大孔由施工操作不良引起，孔径为 mm 级，甚至 cm 级。此外，混凝土在施工、养护过程中，因温、湿度等的变化所产生的收缩或膨胀也不可避免地产生微裂纹（或裂缝） 。 （见 2.1.2.2 a）孔隙和裂纹（缝）这些混凝土自身结构上的缺陷，不但影响了混凝土结构的力学性能（抗压、抗折强度等） ，而更为严重的是，给水分和各种有害介质提供了通道。混凝土的结构决定了其性能。无论从微观和
9、宏观上看，混凝土自身的孔隙和裂缝是导致其结构劣化、耐久性降低的先天的、根本的因素。2.1.2.22.1.2.2 环境因素环境因素2.1.2.2.1 物理作用研究证实，由于环境温度、湿度的变化以及外加载荷、基础沉降等，均可使混凝土结构产生变形。因形变产生的应力抗拒结构体系本身对它的约束力，此应力一旦超过混凝土的抗拉强度，便导致裂纹产生。a 温度作用：在混凝土硬化初期放出较多的水化热，由于混凝土有一定的厚度，散热缓慢，3使内外产生温差，导致变形产生；周围环境温度的变化使混凝土内部产生温度梯度，使水泥的水化作用产生非均一状态，致使内部产生形变和内应力，导致微裂纹的生成和扩展，最终使混凝土结构遭到破坏
10、。从整体看，温度每升、降 1 度，每米胀缩 0.01 mm。温度交替变化还有利于CO2 的扩散，加速混凝土的碳化。b 冻融作用：广义上的温度作用。由于水泥石的水化作用和混凝土对水的渗透和吸湿作用，会使混凝土孔隙内的水呈饱和状态。寒冷时，温度降至零下，水冻结成冰，体积膨胀（9%） ；转暖后，冰融化，体积收缩。混凝土在这种寒热变迁的环境下，冻融交替，胀缩循环，在内应力作用下生成微裂纹并不断扩展，导致混凝土结构从表层开始层层剥蚀。关于冻融破坏机理，美国学者TCPowerse 提出“膨胀压”和“渗透压”理论，在此不做阐述。由理论和时间不难看出，处在干燥环境下的混凝土显然不存在冻融破坏问题，水饱和状态是
11、混凝土发生冻融破坏的必要条件。c 干湿作用：混凝土在潮湿环境中会引起体积微小膨胀，而在干燥气候中则造成“干燥变形” ，结构产生裂缝。干、湿交替使缩、胀交替，微裂纹生成并扩展、贯通，使混凝土形成较大的渗透性，加速了其它物理作用和化学作用（碳化等）造成的破坏进程。总之，对于一切物理的、力学的作用所导致的混凝土温度变形、干缩变形、载荷变形，基础变形等，无论出现于施工期还是出于运行期，都有可能使混凝土结构产生裂缝混凝土建筑物最常见的病害之一。这里，水分的存在是产生这种破坏的必要条件。2.1.2.2.2 化学作用a 溶出性腐蚀：即“溶蚀” 。也有人称之为“淡水腐蚀” 、 “析晶”等。水泥石水化过程中产生
12、Ca(OH)2，对于普硅水泥，含量可达 1015%。由于其在水中的溶解度较低（20时为 0.165g/100g水） ，因此在水泥石中部分以固相结晶态存在，部分溶于水泥石中之水，呈饱和溶液状态，当有水（湿气、水蒸气）渗入后，将Ca(OH)2稀释或溶解，破坏了Ca(OH)2在水泥石内固、液相平衡关系，引发水泥石内的水化、水解反应；Ca(OH)2的不断溶出使水泥石结构内物料流失，结构改变破坏。溶出的Ca(OH)2与空气中的CO2 反应，生成碳酸钙沉淀： Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3+ H2O这就是混凝土表面出现白色析出物的原因。上述过程参见以下框图。4H2O（内部） H2O（内部）溶解
13、 H2O（外部）稀释 H2O（外部）溶解 CO2 反应 导致 图 1 混凝土溶出性腐蚀框图 水泥石Ca(OH)2 结晶Ca(OH)2 饱和溶液Ca(OH)2 结晶Ca(OH)2 结晶CaCO3 固体水泥石 结构破坏由以上溶蚀过程可见，凡接触水或在潮湿环境中的混凝土结构，如水工建筑（水库、江河堤坝），桥梁，贮水池，过水、渗水（水蒸气）通道（冷却塔，烟囱）等，均存在这种溶蚀的可能。典型的例子是：仅使用 19 年即拆除重建的原北京西直门立交桥，在其桥面板下方普遍存在大片白色渗出物，经分析确定为溶蚀产物。b 碱集料反应：（AAR）在有水分存在的情况下，混凝土中的碱金属成分（Na2O，K2O）与活性集料
14、（氧化硅、硅酸盐）反应，称之为碱集料反应。AAR 反应有两种类型：碱硅胶反应（ASR）：较为普遍，反应方程式为：SiO2+2ROH+n H2OR2 SiO3(n+1) H2O (R 为 Na 或 K)反应产物碱硅酸盐凝胶，体积增至原来的 34 倍。碱硅酸盐反应（ACR）：即碱与骨料中的活性碳酸盐（MgCO3、CaCO3）反应，反映产物为水镁石（Mg(OH)2）和粘土（Al2O3SiO22H2O） ，因结晶重排和粘土吸水体积膨胀产生应力破坏。混凝土中的碱主要来自水泥（由水泥原料粘土和含有钾、钠的燃料煤引入）和外加剂。上述反应产物体积膨胀造成混凝土表面突出、酥松、剥离，基体开裂、破坏，少则几年，多
15、则十几年就可使混凝土结构丧失安全性。由于碱集料反应所造成的破坏具有不断发展和不可修复性，被称为混凝土的“癌症” ，必须予以严重关注。由以上不难看出，碱集料反应及其引起的混凝土结构的开裂和破坏，必须同时具备三个条件：混凝土中含碱量超标，集料含活性成分，有水（湿气）渗入。因而对碱集料反应的防止应从预防入手。c 碳化（中性化） 机理：如前所述，Ca(OH)2是水泥水化的产物之一，在水泥石中有一定的含量。Ca(OH)2的存在保证了混凝土的高碱度，为钢筋提供了保护（见 1.2 钢筋锈蚀） 。然而，Ca(OH)2比较容易与环境中的酸性介质发生中和反应，使混凝土“中性化” 。5碳化是混凝土中性化的类型之一。CO2在有水存在或一定湿度的条件下，CO2溶于水中或以水为分散相生成气溶胶，与 Ca(OH)2反应：CO2+ H2O + Ca(OH)2 = CaCO3+ 2H2OCa(OH)2在水中的溶解度很低（20时为 6.510-3g/100g H2O） ，反应向右方进行，使 Ca(OH)2减少，混凝土的碱度降低。此外，溶于水相的 CO2还可以与未水化的 C3S、C2S 反应，生成碳酸钙和水，水的蒸发会引起混凝土体积收缩：3CaO2SiO23 H2O + 3H2CO3 3CaCO3 + 2SiO
