影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素及設(shè)計措施

馮錦祥

摘要:近幾十年來,混凝土結(jié)構(gòu)因材質(zhì)劣化造成失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外頻繁發(fā)生,用于混凝土結(jié)構(gòu)修補、重建和改建的費用日益增大。因此,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題越來越受到人們的重視。在設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)時,除了進(jìn)行承載力計算、變形和裂縫驗算外,還必須進(jìn)行耐久性設(shè)計。本文主要論述了影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素,并進(jìn)一步提出提高其耐久性的設(shè)計措施。

關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu);耐久性;措施

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計實質(zhì)上是針對影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的主要因素提出相應(yīng)的對策。

1 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素主要有內(nèi)部和外部兩個方面。內(nèi)部因素主要有混凝土的強度、滲透性、保護(hù)層厚度、水泥品種和標(biāo)號及用量、外加劑、集料的活性等,外部因素則主要有環(huán)境溫度、濕度、CO2含量、侵蝕性介質(zhì)等。耐久性不好往往是內(nèi)部的不完善性和外部的不利因素綜合作用的結(jié)果,而結(jié)構(gòu)缺陷往往是設(shè)計不妥、施工不良引起的,也有因使用維修不當(dāng)引起的。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題有:混凝土凍融破壞、堿-集料反應(yīng)、侵蝕性介質(zhì)腐蝕、機械磨損、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等。

1.1 混凝土的凍融破壞

混凝土水化結(jié)硬后,內(nèi)部有很多孔隙,非結(jié)晶水滯留在這些孔隙中。在寒冷地區(qū),由于低溫時混凝土孔隙中的水凍結(jié)成冰后產(chǎn)生體積膨脹,引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷。在多次凍融作用下,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷逐漸積累達(dá)到一定程度而引起宏觀的破壞。在破壞前期是混凝土強度和彈性模量降低,接著是混凝土由表及里的剝落。我國部分地區(qū)特別是北方地區(qū)的室外混凝土結(jié)構(gòu)存在凍融破壞問題。與環(huán)境水接觸較多的混凝土,如電廠的通風(fēng)冷卻塔、水廠的水池、外露陽臺、水工結(jié)構(gòu)等的凍融破壞相對嚴(yán)重。

當(dāng)混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯離子時,混凝土的凍融破壞加劇。海港工程、使用化冰鹽的混凝土高速公路和、城市立交橋和停車場等均有此類問題。

1.2 混凝土的堿-集料反應(yīng)

混凝土堿-集料反應(yīng)是指混凝土微孔中來自水泥、外加劑等的可溶性堿溶液和集料中某些活性組分之間的反應(yīng)。發(fā)生堿-集料反應(yīng)后,會在界面生成可吸水腫脹的凝膠或體積膨脹的晶體,使混凝土產(chǎn)生何種膨脹,嚴(yán)重時會發(fā)生開裂破壞。堿溶液還會浸入集料在破碎加工時產(chǎn)生的裂縫中發(fā)生反應(yīng),使集料受腫脹作用而破壞。

堿-集料反應(yīng)分為兩類:一類為堿-硅酸反應(yīng),指堿與集料中活性組分反應(yīng),生成堿硅酸鹽凝膠,凝膠吸水腫脹導(dǎo)致混凝土膨脹或開裂;另一類為堿-碳酸鹽反應(yīng),指堿與集料中微晶體白云石反應(yīng),其生成物在白云石周圍和周圍基層之間的受限空間內(nèi)結(jié)晶生長,使集料膨脹,進(jìn)而使混凝土膨脹開裂?；炷劣捎趬A-硅酸反應(yīng)破壞的特征是呈地圖形裂縫,堿-碳酸反應(yīng)造成的裂縫中還會有白色漿狀物滲出。

1.3 侵蝕性介質(zhì)的腐蝕

在石化、化學(xué)、冶金及港灣等工程結(jié)構(gòu)中,由于環(huán)境中化學(xué)侵蝕性介質(zhì)的存在,對混凝土的腐蝕很普遍。常見的侵蝕性介質(zhì)腐蝕有:硫酸鹽侵蝕。對混凝土有侵蝕性的硫酸鹽存在于某些地區(qū)的土壤、工業(yè)排放的固體或液體的廢棄物和海水中,當(dāng)硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時,將生成鈣礬石。當(dāng)有CO32-存在并牌高濕度的低溫下時,還會生成硅灰石膏,產(chǎn)生體積膨脹,從而破壞混凝土。

酸腐蝕。酸不僅僅存在于化工企業(yè),在地下水,特別是沼澤地區(qū)或泥炭地區(qū)也廣泛存在碳酸及溶有CO2的水?；炷潦菈A性材料,遇到酸性物質(zhì)會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),使混凝土產(chǎn)生裂縫、脫落并導(dǎo)致破壞。海水腐蝕。海水中的CI-和硫酸鎂對混凝土有較強的腐蝕作用,并造成鋼筋銹蝕。

1.4 鋼筋的銹蝕

鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題,也是混凝土結(jié)構(gòu)最常見和量最大的耐久性問題。新成型的混凝土是一種高堿性的材料,在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜,有效地保護(hù)鋼筋不發(fā)生銹蝕?；炷帘Ｗo(hù)層的碳化和氯離子腐蝕介質(zhì)的影響是鋼筋銹蝕的主要原因。當(dāng)空氣中的二氧化碳、二氧化硫等氣體及其他酸性介質(zhì)通過混凝土的孔隙進(jìn)入到混凝土內(nèi)部后,與混凝土孔隙溶液中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使溶液的堿度降低,鋼筋表面出現(xiàn)脫鈍現(xiàn)象,如果有足夠氧和水,鋼筋就會腐蝕。當(dāng)混凝土成型時使用了含氯離子的原材料,如海沙、海水或含氯的外加劑等,或混凝土結(jié)構(gòu)處于使用含氯原材料的工業(yè)環(huán)境、海洋環(huán)境、鹽漬土與含氯地下水的環(huán)境和使用化冰鹽的環(huán)境中,氯離子通過構(gòu)件表面侵入到混凝土內(nèi)部,達(dá)到鋼筋表面,鈍化膜也會提早破壞,鋼筋銹蝕就會更嚴(yán)重。隨著混凝土保護(hù)層的剝落,鋼筋銹蝕加速,直到構(gòu)件破壞。混凝土中的鋼筋銹蝕是電化學(xué)腐蝕。首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”,進(jìn)而逐漸形成“環(huán)蝕”,同時向裂縫兩邊擴展,形成銹蝕面,使鋼筋截面削弱,銹蝕產(chǎn)生的鐵銹體積要比原來的體積增大3-4倍,使周圍的混凝土產(chǎn)生膨脹拉應(yīng)力。鋼筋銹蝕嚴(yán)重時,體積膨脹導(dǎo)致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱身裂縫。順筋裂縫的產(chǎn)生又加劇了鋼筋的銹蝕,形成惡性循環(huán)。如果混凝土的保護(hù)層比較薄,最終會導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落,鋼筋也可能銹斷,導(dǎo)致截面承載力降低直到構(gòu)件喪失承載力。

2提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計措施。目前,對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究尚不夠深入,因此,耐久性設(shè)計主要采

取以下技術(shù)保證措施。

2.1劃分混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境條件有密切的關(guān)系。同一結(jié)構(gòu)在強腐蝕環(huán)境中要比一般大氣環(huán)境中使用壽命短。對結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境劃分類別可使設(shè)計者針對不同的環(huán)境采用相應(yīng)的對策。第一類環(huán)境類別為:室內(nèi)正常環(huán)境; 第二類環(huán)境類別為:室內(nèi)潮濕環(huán)境;非嚴(yán)寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境。這部分主要是考慮基礎(chǔ)、地下室、人防工程等在浸水情況下的耐久性;第二類環(huán)境類別為:嚴(yán)寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境;第三類環(huán)境類別為:使用除冰鹽的環(huán)境;嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季水位變動的環(huán)境;濱海室外環(huán)境。這類環(huán)境在空氣中含有大量的氯離子,氯離子有很強的活性,日長月久極易破壞鋼筋表面的鈍化膜而引起鋼筋銹蝕;水位變動的環(huán)境加上嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季的反復(fù)凍融,往往對混凝土造成很大的損傷;第四類環(huán)境類別為:海水環(huán)境。如港口碼頭,燈塔、海島高腳屋等;第五類環(huán)境類別為:受人為或自然的侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境。由于耐久性與環(huán)境條件密切相關(guān),不同的環(huán)境條件,應(yīng)有不同的控制要求。對此設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體工程情況具體分析。

2.2控制混凝土保護(hù)層厚度

混凝土保護(hù)層厚度的大小及保護(hù)層的密實性是決定結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限的根本因素。環(huán)境條件及保護(hù)層厚度又是從鋼筋開始銹蝕到出現(xiàn)沿鋼筋的縱向裂縫的時間的決定因素。因此,《結(jié)構(gòu)規(guī)范》根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件類別,規(guī)定了混凝土保護(hù)層的最小厚度。要求設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)已有的經(jīng)驗和當(dāng)?shù)毓こ虒嵺`來適當(dāng)增加鋼筋混凝土保護(hù)層厚度。

2.3控制裂縫等級和限值

裂縫的出現(xiàn)加快了混凝土的碳化,也是鋼筋開始銹蝕的主要條件。因此,《結(jié)構(gòu)規(guī)范》根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別和構(gòu)件受力特征,規(guī)定了裂縫控制等級和最大裂縫寬度限值。

2.4混凝土的基本要求

根據(jù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別,合理地選擇混凝土原材料,控制混凝土的氯離子含量和堿含量,防止堿集料反應(yīng)。改善混凝土的級配,控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土強度等級,提高混凝土的抗?jié)B性能和密實度。選擇合適的混凝土抗?jié)B等級和抗凍等級。對抗凍混凝土必須摻加引氣劑。有抗?jié)B要求的混凝土結(jié)構(gòu),混凝土的抗?jié)B等級應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的潮濕環(huán)境中,結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)滿足抗凍要求,混凝土抗凍等級應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求?；炷帘砻鎳娡炕蛲克⒕酆衔锼嗌皾{、瀝青及環(huán)氧樹酯等防腐層。必要時在結(jié)構(gòu)表面設(shè)置專門的防滲面層。對于二類和三類環(huán)境中,設(shè)計年限為100年的混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)采用專門有效措施。采用耐腐蝕鋼筋。暴露在侵蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,其受力鋼筋宜采用環(huán)氧樹酯涂層帶肋鋼筋;為防氯鹽的腐蝕,采用各種鋼筋阻銹劑或?qū)︿摻畈捎藐帢O防護(hù)法。對預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器,應(yīng)采取專門防護(hù)措施。

四類和五類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu),其耐久性設(shè)計應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

總結(jié):規(guī)范采用了宏觀控制的方法,即根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限和環(huán)境類別對結(jié)構(gòu)混凝土提出相應(yīng)的限制和要求,以保證其耐久性。這種方法概念清楚,設(shè)計簡單。規(guī)范規(guī)定設(shè)計人員在設(shè)計圖紙上應(yīng)標(biāo)明建筑結(jié)構(gòu)的使用年限,為此,設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合已有的設(shè)計經(jīng)驗和當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)實踐認(rèn)真進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計,以保證和提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。