嚴(yán)酷環(huán)境下的混凝土耐久性進(jìn)展研究

吳嘉君，朱銀國(guó)，許家寧，張士萍，宗蘭

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

水泥混凝土是一種原材料來(lái)源豐富并能消納工業(yè)廢渣，能耗與成本較低，與鋼筋結(jié)合使用的用量最大、用途最廣的建筑材料。但是，由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低、干縮大、易受某些環(huán)境條件影響，國(guó)家部分混凝土工程已出現(xiàn)腐蝕、堿集料反應(yīng)、凍融破壞等，有些甚至已經(jīng)影響了結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。國(guó)家建設(shè)部的一項(xiàng)調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25～30年后即需大修，處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15～20年[1]。橋梁、港口等基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性問(wèn)題更為嚴(yán)重，許多工程建成后不久就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象。我國(guó)正處在現(xiàn)代化建設(shè)初級(jí)階段，基礎(chǔ)設(shè)施工程浩大，隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，許多重大工程已經(jīng)開(kāi)始在我國(guó)西部地區(qū)開(kāi)展，如西氣東輸、青藏鐵路、跨國(guó)油氣輸送管道的建設(shè)等。所有這些重大混凝土工程都要求材料必須有抵抗各種力學(xué)、環(huán)境因素復(fù)合作用下引起混凝土損傷破壞的能力。如果忽視混凝土耐久性問(wèn)題，這些工程必將迎來(lái)大規(guī)模的維修期，耗資巨大。因此，提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)建筑物使用壽命，避免大修大補(bǔ)是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

混凝土耐久性的研究由來(lái)已久。耐久性差的原因，可能是混凝土所處的環(huán)境因素，也可能是由于混凝土自身內(nèi)在因素。外因如溫度、磨損、應(yīng)力、腐蝕、風(fēng)化等；內(nèi)因有堿集料反應(yīng)、滲透性、集料與水泥漿體熱工性質(zhì)的差異引起的體積變化等。從破壞因素作用的機(jī)理來(lái)看，可分為物理因素、化學(xué)因素和機(jī)械因素。物理因素如溫度、風(fēng)化、滲透，化學(xué)因素如腐蝕、堿集料反應(yīng)等，機(jī)械因素如荷載、磨損等[2]。根據(jù)混凝土耐久性的定義，我們可以將影響因素分為五個(gè)方面，即凍融作用、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)的腐蝕、鋼筋銹蝕和堿集料反應(yīng)。

有資料表明[3-4]，東北、華北、西北地區(qū)是凍融破壞的受災(zāi)區(qū)，尤其是東北嚴(yán)寒地區(qū)，幾乎所有的混凝土工程均遭受不同程度的凍融破壞。因此，混凝土抗凍性的研究具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。氯鹽侵蝕是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要內(nèi)容。我國(guó)幅員遼闊，氯離子廣泛存在于海洋環(huán)境、道路化冰、鹽湖和鹽堿地、工業(yè)環(huán)境、特種行業(yè)等各類環(huán)境中。由氯離子引起的鋼筋銹蝕是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期內(nèi)一個(gè)不容避免的問(wèn)題。而鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低甚至破壞的首要原因。本文主要介紹了凍融環(huán)境以及氯鹽環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

1 混凝土凍融破壞

1.1 凍融破壞研究背景

混凝土的抗凍性能是其耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，同時(shí)也是一項(xiàng)綜合性能指標(biāo)。水工混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)中經(jīng)常用抗凍性指標(biāo)代替其耐久性指標(biāo)。根據(jù)我國(guó)水工建筑物耐久性調(diào)查資料[5]，在32座大型混凝土大壩工程、40余座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問(wèn)題，大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北和西北地區(qū)，尤其是在東北嚴(yán)寒地區(qū)。除三北地區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)混凝土的凍融破壞現(xiàn)象外，在我國(guó)長(zhǎng)江以北、黃河以南的華中及華東、中南區(qū)域每年也有負(fù)溫天氣，混凝土建筑物均有可能出現(xiàn)凍融損傷[2]。與水工、海工結(jié)構(gòu)相比，我國(guó)對(duì)路橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究滯后了約20年。1999年以前建成的路面基本上沒(méi)有采取抗凍融技術(shù)措施，路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為30年，而大部分實(shí)際使用不到10年就需要進(jìn)行大修[5]。2001年進(jìn)行的東北地區(qū)民用機(jī)場(chǎng)道面損傷研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，所有被調(diào)查機(jī)場(chǎng)均發(fā)現(xiàn)不同程度和范圍的凍融損傷，某機(jī)場(chǎng)開(kāi)通不足10年，其道面90%以上混凝土板塊發(fā)生凍融破壞[5]，還有某機(jī)場(chǎng)建成使用不到2年，機(jī)場(chǎng)跑道道肩及停機(jī)坪表面出現(xiàn)凍融破壞引起的裂紋和剝落。黑龍江省交通部門發(fā)現(xiàn)，混凝土路面一般在建成后7～8年就易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的凍融破壞[5]。位于吉林的云峰水電站，是中朝兩國(guó)合建的工程，在建成后運(yùn)行不到10年已出現(xiàn)嚴(yán)重的凍融破壞現(xiàn)象[6]。葠窩水庫(kù)位于東北地區(qū)遼寧省東部，大壩運(yùn)行約10年左右，溢流面混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重的凍融剝蝕，骨料外露呈麻面狀態(tài)[6]?；炷恋膬鋈谄茐氖俏覈?guó)混凝土建筑物老化病害的主要問(wèn)題之一，嚴(yán)重影響了建筑物的長(zhǎng)期和安全運(yùn)行。為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用，有關(guān)部門每年都耗費(fèi)了巨額的維修費(fèi)用，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，混凝土工程安全使用期和維護(hù)使用期的比例為1:3-10，而維護(hù)使用期的維修費(fèi)用為建設(shè)費(fèi)用的1～3倍[7]。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍耐久性問(wèn)題對(duì)于我國(guó)混凝土建筑是一個(gè)非常普遍和重要的問(wèn)題。

所有混凝土耐久性問(wèn)題幾乎都與環(huán)境作用相關(guān)。而對(duì)于全球面積廣闊的寒冷地區(qū)而言，凍融作用無(wú)疑是導(dǎo)致這些區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)性能損傷的主要因素。混凝土凍融破壞已引起國(guó)內(nèi)外混凝土科學(xué)家和工程技術(shù)人員的高度重視并開(kāi)展了大量研究工作。20世紀(jì)40年代以來(lái)，美國(guó)、原蘇聯(lián)、歐洲、日本等均著手開(kāi)展了關(guān)于混凝土凍融破壞機(jī)理的研究，提出的破壞機(jī)理假說(shuō)就有5～6種。但大部分假說(shuō)是從純物理模型出發(fā)，經(jīng)假設(shè)和推導(dǎo)得出的，沒(méi)有實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)證明。且由于混凝土結(jié)構(gòu)凍融問(wèn)題的復(fù)雜性，至今尚未得到公認(rèn)的完全反映混凝土凍害的機(jī)理[8-9]。只有搞清楚破壞機(jī)理，才能從根本上解決混凝土的抗凍耐久性?？箖瞿途眯缘难芯吭谖覈?guó)乃至世界均具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

1.2 凍融破壞機(jī)理

水泥混凝土的凍融破壞過(guò)程比較復(fù)雜，是一個(gè)物理變化過(guò)程。一般認(rèn)為，混凝土的凍融破壞機(jī)理是在某一冰點(diǎn)溫度下，混凝土內(nèi)存在結(jié)冰的水和過(guò)冷的水。結(jié)冰的水體積增加10%，使混凝土內(nèi)部發(fā)生膨脹；過(guò)冷的水發(fā)生遷移，從而引起各種壓力，當(dāng)壓力超過(guò)混凝土承受能力時(shí)，混凝土孔隙增大，產(chǎn)生裂縫。當(dāng)溫度升高，混凝土內(nèi)部水融化后，混凝土進(jìn)一步吸收水達(dá)到飽和，進(jìn)行新一輪凍融。可見(jiàn)，凍融反復(fù)循環(huán)會(huì)產(chǎn)生累積效果，當(dāng)混凝土不能抵抗凍融產(chǎn)生的壓力時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于多孔材料而言，水在材料中的傳輸，是造成材料性能劣化的主要原因之一。一般認(rèn)為，混凝土水分滲透性與抗凍性之間存在較好的相關(guān)性。Scherer等人認(rèn)為尤其是凍融環(huán)境下的混凝土，其耐久性與水分傳輸性密切相關(guān)[10]。水分滲透性又與混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度、孔隙構(gòu)造和數(shù)量等相關(guān)。摻合料、水膠比以及有機(jī)防水涂料等都對(duì)混凝土滲透性有一定影響。1945年，Powers提出了混凝土受凍破壞的靜水壓假說(shuō)[11]。該假說(shuō)認(rèn)為，在冰凍過(guò)程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液結(jié)冰膨脹，迫使未結(jié)冰的孔溶液從結(jié)冰區(qū)向外遷移?？兹芤涸诳梢詽B透的水泥漿體結(jié)構(gòu)中移動(dòng)，必須克服粘滯阻力，因而產(chǎn)生靜水壓力[12]。靜水壓假說(shuō)成功地解釋了混凝土凍融過(guò)程中的很多現(xiàn)象，如引氣劑的作用、結(jié)冰速度對(duì)抗凍性的影響等。

2 氯鹽環(huán)境下混凝土的耐久性能

2.1 氯鹽腐蝕研究背景

大量工程實(shí)踐表明，沿海及近海地區(qū)由于氯離子對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)失效。目前，國(guó)內(nèi)外在關(guān)于氯離子滲透導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效方面做了大量深入的研究，內(nèi)容包括氯離子侵蝕機(jī)理、侵蝕模型、檢測(cè)方法等。

由交通部四航局科研所主持、南科院等單位參加的華南地區(qū)18座碼頭調(diào)查的結(jié)果指出，80%以上的工程都發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重鋼筋銹蝕破壞，出現(xiàn)銹蝕破壞的時(shí)間有的僅5～10年。隨后有關(guān)單位對(duì)華東地區(qū)、北方地區(qū)沿海碼頭調(diào)查也得出類似結(jié)果[13]。其原因除了施工質(zhì)量存在一定問(wèn)題外，另一主要原因是當(dāng)時(shí)對(duì)氯離子侵入引發(fā)鋼筋銹蝕的嚴(yán)重性認(rèn)識(shí)不足。

2.2 破壞機(jī)理

氯離子也是影響混凝土耐久性的一個(gè)重要因素。水泥水化呈高堿性（PH＞12.6），使混凝土中鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜。最近研究表明，該鈍化膜中含有Si-O鍵，它對(duì)鋼筋有很強(qiáng)的保護(hù)能力[13]。然而，該鈍化膜在高堿性作用下才是最穩(wěn)定的，當(dāng)PH＜11.5時(shí)，鈍化膜開(kāi)始不穩(wěn)定，當(dāng)PH＜9.9時(shí)，鈍化膜生成困難或已經(jīng)生成的鈍化膜逐漸破壞。氯離子對(duì)鋼筋表面鈍化膜有特殊的破壞作用，當(dāng)混凝土中氯離子含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，鈍化膜破壞，鋼筋會(huì)銹蝕，而水和氧的存在是鋼筋被腐蝕的必要條件，因此，若混凝土開(kāi)裂，形成水和氧的通道，則會(huì)加速鋼筋銹蝕，促成混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂，混凝土保護(hù)層剝落，最終使結(jié)構(gòu)失去承載力。氯離子是很強(qiáng)的去鈍劑，氯離子進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面并吸附于局部的鈍化膜處時(shí)，可以使該處的PH值迅速降低到4.0以下，從而在短時(shí)間內(nèi)破壞鋼筋表面的鈍化膜[14]。鋼筋腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕以電化學(xué)腐蝕居多。

有研究表明，混凝土試件距離表面25 mm深度位置的氯離子濃度與吸水率之間呈良好的線性關(guān)系，并且吸水率還與鋼筋銹蝕開(kāi)始時(shí)間呈線性關(guān)系。在嚴(yán)酷條件下，氯離子主要來(lái)自水泥及外部環(huán)境（海洋）。水泥取決于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)廠商。因此，控制外部環(huán)境氯離子滲透尤為重要。通過(guò)對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)和礦物摻合料的火山灰效應(yīng)，可以優(yōu)化混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率和水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2含量，從而產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物，使得混凝土的微結(jié)構(gòu)更加細(xì)致密實(shí)，更有利于降低混凝土的氯離子滲透性能。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于在北方寒冷地區(qū)海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)凍融循環(huán)作用的同時(shí)還會(huì)受到氯離子侵蝕，結(jié)果加速混凝土劣化進(jìn)程，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土開(kāi)裂，混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到預(yù)期使用壽命?；炷量孤入x子滲透性和抗凍性是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。

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