淺析混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

蔣明輝，王 浩，杭美艷

內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)因具有優(yōu)越的材料性能，因此被廣泛運(yùn)用于建筑、橋梁、鐵路等土木工程結(jié)構(gòu)中［1］。然而，由于外界環(huán)境發(fā)生變化，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同類型的腐蝕破壞，導(dǎo)致耐久性下降［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕破壞和基礎(chǔ)設(shè)施惡化造成的經(jīng)濟(jì)損失大約每年有2.5 萬億美元，一方面造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，另一方面也給人們的生命健康帶來重大隱患。因此，必須重視混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，保護(hù)其不受侵蝕破壞［3］。

目前，科學(xué)界已經(jīng)做出了大量研究得出了混凝土耐久性下降的主要原因，但是對(duì)于每種原因所對(duì)應(yīng)的影響因素并未做深層次分析。因此，應(yīng)該綜合考慮各種影響因素來研究混凝土性能下降的原因。本文通過查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，系統(tǒng)地概述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的主要原因、機(jī)理分析以及影響因素，并針對(duì)性列舉多種改善措施，為今后研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性等問題提供理論依據(jù)。

1 硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足、發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的重要因素之一，也是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，并對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害性較大，常見的硫酸鹽侵蝕主要有鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽和鉀鹽等，侵蝕類型主要分為外部侵蝕、內(nèi)部侵蝕、物理侵蝕、化學(xué)侵蝕［4］。硫酸鹽侵蝕是環(huán)境水中的SO42-與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成AFm、AFt、石膏、碳硫硅鈣石等［5］，少量的這些物質(zhì)會(huì)填充到混凝土結(jié)構(gòu)孔隙內(nèi)部并逐漸積聚密實(shí)，有利于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，但是隨著反應(yīng)的繼續(xù)，孔隙管道中產(chǎn)物的增多會(huì)產(chǎn)生膨脹效應(yīng)從而破壞硬化的水泥石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)孔隙增大、體積膨脹，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

1.1 硫酸鹽侵蝕的原理

外界環(huán)境中的SO42-通過諸多孔隙進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，當(dāng)SO42-含量達(dá)到一定限值時(shí)，SO42-會(huì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而破壞混凝土原有的微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土的綜合性能下降，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。主要分為以下四種侵蝕破壞：（1）鈣礬石型破壞：常見的硫酸鹽（如Na2SO4、K2SO4等）與水泥石中的Ca（OH）2作用生成膨脹性的石膏等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物再與水泥石中的固態(tài)水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化硫酸鈣，隨后產(chǎn)生極大的應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹，最終其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［7］；（2）石膏型破壞：石膏型破壞與SO42-的含量密切相關(guān)，當(dāng)侵蝕溶液中SO42-的含量超過某一限值時(shí)，會(huì)生成鈣礬石和二水石膏晶體；當(dāng)侵蝕溶液中SO42-的含量小于某一限值時(shí)，只有鈣礬石生成［6］；（3）鎂硫型破壞：溶液中的Mg+、SO42-與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)，降低了水泥石堿的含量，同時(shí)生成石膏和AFt，會(huì)大量吸收混凝土內(nèi)部大量水分而結(jié)晶，造成混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹破壞，其化學(xué)反應(yīng)式為：MgSO4+Ca（OH）2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg（OH）2；（4）碳硫硅鈣石破壞：在SO42-和CO32-的共同作用下，與水泥中的水化硅酸鈣反應(yīng)生成無膠結(jié)力的碳硫硅鈣石，從而破壞水泥石結(jié)構(gòu)，降低水泥石的強(qiáng)度［8］。

1.2 影響硫酸鹽侵蝕的主要因素

1.2.1 混凝土原材料

混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力很大程度上受混凝土中水泥品種及用量、礦物摻合料品種及摻量、水灰比的影響［7］。研究表明［8］，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力在很大程度上取決于水泥熟料中礦物相對(duì)含量的大小，水泥中C3A 和C3S 的含量直接影響了混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，水泥中C3A 水化生成水化鋁酸鈣是形成鈣礬石的先決條件，C3S、C2S 在水泥水化過程中析出大量 Ca（OH）2，而Ca（OH）2是形成鈣礬石和石膏的必要條件。水泥用量和水灰比直接決定混凝土的密實(shí)性，進(jìn)一步?jīng)Q定混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，研究發(fā)現(xiàn)低水灰比的試件抗侵蝕能力更好。此外，摻礦物摻合料（礦渣粉等）也能提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，一般而言，摻礦物合料摻量越多，其抗硫酸鹽侵蝕能力越強(qiáng)，其主要原因在于［9］：（1）活性摻合料可以降低C3A 和C3S 的含量；（2）礦物摻合料與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，降低了SO42-與Ca（OH）2反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物石膏等的可能，這些產(chǎn)物也無法結(jié)晶析出，其原因在于二次水化反應(yīng)使Ca（OH）2的含量降低，混凝土內(nèi)部膨脹性產(chǎn)物的含量也降低，從而混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽侵蝕能力增強(qiáng)。

1.2.2 硫酸鹽種類及含量

硫酸鹽溶液包括普通硫酸鹽侵蝕、MgSO4侵蝕兩大類。第一類主要是侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)，第二類主要是Mg2+的存在加重對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕導(dǎo)致其發(fā)生腐蝕破壞，其原因在于MgSO4與Ca（OH）2反應(yīng)生成的CaSO4，CaSO4會(huì)繼續(xù)和CaO·Al2O3·12H2O 反應(yīng)，推動(dòng)反應(yīng)一直進(jìn)行下去，加重對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

1.2.3 環(huán)境PH 值

混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力隨環(huán)境PH 值的降低而降低，當(dāng)PH=12～12.5 時(shí)，生成鈣礬石晶體；當(dāng)PH=11.6～12.5 時(shí)，生成水化硅酸鈣凝膠；當(dāng)PH=10.6～11.6 時(shí)，生成石膏晶體；當(dāng)pH＜10.6 時(shí)，鈣礬石晶體開始分解。

1.3 防治硫酸鹽侵蝕的措施

1.3.1 選擇合適的混凝土原材料

根據(jù)工程環(huán)境所處的特點(diǎn)，應(yīng)該合理選擇混凝土組成原材料。在拌制混凝土的過程中，應(yīng)選用水泥熟料中C3A 含量低的水泥［10］，優(yōu)化骨料級(jí)配，并摻適量礦物摻合料（礦渣粉等）和外加劑，用以降低水膠比、改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)度，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽侵蝕能力。

1.3.2 提高混凝土密實(shí)度

大量研究證明，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力與混凝土密實(shí)度密切相關(guān)，而密實(shí)度又受水灰比大小的影響。因此，應(yīng)該嚴(yán)格控制混凝土的水灰比的大小以此改善混凝土的密實(shí)程度。

1.3.3 設(shè)置隔離層

在成型混凝土的表面涂上一層具有較強(qiáng)耐腐蝕性的保護(hù)膜，將環(huán)境中的SO42-等侵蝕性離子、水與混凝土表面隔離開，不僅可以降低SO42-與其他水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，提高混凝土的抗?jié)B性，還可以有效防止混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生侵蝕破壞。

1.3.4 使用防腐劑

在我國，一些重要工程通常使用特種水泥來提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗硫酸鹽侵蝕能力，但由于特種水泥生產(chǎn)廠家少，且價(jià)格昂貴，不能較大范圍使用。因此，在拌制混凝土的過程中，可以摻入防腐劑，并與普通硅酸鹽復(fù)合取代特種水泥，這不僅能節(jié)約大量成本，還能改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗侵蝕能力。

2 氯鹽侵蝕

鋼筋破壞、混凝土結(jié)構(gòu)劣化的最直接原因是由Cl-侵蝕引起的［11］，在鹽堿地區(qū)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于氯離子環(huán)境中，易發(fā)生腐蝕破壞，導(dǎo)致大量耐久性問題。Cl-進(jìn)入混凝土內(nèi)部的方式主要有以下幾種：一是在拌制混凝土的過程中隨著原材料帶入到混凝土內(nèi)部，二是外界侵蝕環(huán)境中的Cl-通過諸多方式（如毛細(xì)、滲透等）擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部。Cl-進(jìn)入鋼筋混凝土中，當(dāng)鋼筋周圍Cl-濃度超過引起鋼筋表面鈍化膜反應(yīng)的最大濃度時(shí)，氯離子就會(huì)和鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生反應(yīng)，致使鈍化膜破壞，引起鋼筋銹蝕，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞［12］。

2.1 氯鹽侵蝕的原理

在混凝土中，Cl-通過眾多孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋表面產(chǎn)生諸多微裂紋，鋼筋遭到破壞，最終造成混凝土結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承受荷載，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。混凝土中的氯鹽一方面來自混凝土原材料，另一方面來自外界環(huán)境，并通過諸多方式進(jìn)入混凝土內(nèi)部［13］?；炷林械穆塞}主要以Cl-的形式存在，Cl-進(jìn)入混凝土內(nèi)部后首先聚集在鋼筋的表面，與鋼筋表面的鈍化膜相互作用發(fā)生持續(xù)腐蝕反應(yīng)，鈍化膜受損壞，形成鈍化膜的“解膠作用”。Cl-與鋼筋發(fā)生反應(yīng)，鋼筋表面逐漸生成銹層，當(dāng)銹層越來越厚時(shí)，混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)能力會(huì)逐漸下降，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受較大荷載時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［14］。

2.2 影響氯鹽侵蝕的因素

2.2.1 混凝土保護(hù)層厚度

研究表明［15］，混凝土保護(hù)層厚度決定了鋼筋的銹蝕程度，且氯離子擴(kuò)散速度和混凝土保護(hù)層厚度的大小成反比。因此，適當(dāng)增大保護(hù)層的厚度可以延緩鋼筋銹蝕的時(shí)間，但是保護(hù)層厚度也不能無限大，當(dāng)保護(hù)層厚度規(guī)范規(guī)定的限值時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生過多的微裂縫，這為氯離子進(jìn)入混凝土創(chuàng)造了良好的條件。因此，應(yīng)該根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境嚴(yán)格控制其保護(hù)層厚度［14］。

2.2.2 水泥品種及水灰比

水泥品種和水灰比的大小直接決定了混凝土的水化產(chǎn)物和混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。水泥熟料中C3A 的含量越高，水泥水化反應(yīng)越充分，混凝土抗氯離子侵蝕能力越強(qiáng)；此外，混凝土密實(shí)度與混凝土的水灰比和孔隙率呈負(fù)相關(guān)作用，且水灰比的大小決定了氯離子的擴(kuò)散速度以及鋼筋的銹蝕程度。

2.2.3 鋼筋表面氯離子的含量

鋼筋表面氯離子的含量直接決定了鋼筋的銹蝕程度，鋼筋表面氯離子的含量越高，鋼筋越容易銹蝕。因此，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施來提高混凝土的密實(shí)度以及嚴(yán)格控制混凝土組成原材料中氯離子的含量，最終控制鋼筋表面氯離子的含量。

2.2.4 養(yǎng)護(hù)條件

當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)不滿足規(guī)范要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)不充分，從而降低混凝土抗氯鹽侵蝕能力，加快氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部。此外，養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度也會(huì)對(duì)氯離子侵蝕速度產(chǎn)生影響，當(dāng)溫度較低時(shí)，可以降低水化反應(yīng)速度及混凝土早期強(qiáng)度，但是初期溫度過低將導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，水化產(chǎn)物分布不均勻，會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率變大，混凝土結(jié)構(gòu)不密實(shí)，加速鋼筋銹蝕。

2.3 防治氯鹽侵蝕的措施

2.3.1 選擇合適的混凝土原材料

水泥中吸附氯離子作用最強(qiáng)是C3A，混凝土抗氯離子侵蝕能力隨混凝土中C3A 含量的提高而逐漸增強(qiáng)。因此，在拌制混凝土的過程中，應(yīng)該選用水泥熟料中C3A 含量高的水泥，摻適量的礦物摻合料（如礦渣粉）、阻銹劑等，有利于提高混凝土拌合物的密實(shí)度，可以有效降低氯離子的擴(kuò)散速度，預(yù)防鋼筋銹蝕。

2.3.2 嚴(yán)格控制骨料的粒徑及混凝土保護(hù)層厚度

在拌制混凝土的過程中，應(yīng)該選擇粒徑合適、選擇級(jí)配良好的骨料，降低混凝土的孔隙率，此外還應(yīng)適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度，延緩Cl-滲透到鋼筋表面的時(shí)間，從而降低鋼筋銹蝕程度。

2.3.3 嚴(yán)格控制混凝土內(nèi)部氯離子的含量

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范明確規(guī)定，普通混凝土：氯離子含量不高于0.10%（占水泥質(zhì)量百分比）；預(yù)應(yīng)力混凝土：氯離子含量不高0.06%（占水泥質(zhì)量百分比）。我國北方大部分地區(qū)都位于鹽堿地區(qū)，因此，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施控制混凝土中Cl-的含量，其中最有效的方式是控制混凝土組成原材料中Cl-的含量。

2.3.4 設(shè)置隔離層

在澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)前，在不降低鋼筋與混凝土之間握裹力的前提下，可以在鋼筋表面涂上一層隔離層，將混凝土中的Cl-等與鋼筋隔離開，防治鋼筋銹蝕。此外，在混凝土試件養(yǎng)護(hù)成型后，也可以在混凝土表面涂一層涂料，在混凝土表面生成隔離層，降低滲透性，從而有效延緩Cl-等侵蝕性離子擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，避免鋼筋銹蝕。

3 混凝土碳化

3.1 混凝土碳化的機(jī)理

混凝土碳化是一種化學(xué)反應(yīng)侵蝕破壞，空氣中的CO2氣體通過混凝土結(jié)構(gòu)諸多孔隙進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，并與硬化膠凝材料中的堿性物質(zhì)在有水存在的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土堿度逐漸降低，減弱了混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，導(dǎo)致鋼筋銹蝕的過程稱為混凝土碳化［15］。水泥水化反應(yīng)生成大量的Ca（OH）2，在混凝土內(nèi)部形成飽和的Ca（OH）2溶液，其堿性介質(zhì)對(duì)鋼筋具有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的鈍化膜。碳化后使混凝土的堿度逐漸降低，碳化深度隨著時(shí)間的延續(xù)而增大，當(dāng)碳化深度大于其保護(hù)層厚度時(shí)，在水和空氣共同存在的情況下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋逐漸生銹，混凝土碳化過程相對(duì)緩慢，因此并不會(huì)直接造成混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕破壞［16］。

3.2 影響混凝土碳化的因素

3.2.1 水泥品種、用量及水灰比

混凝土的和易性、堿度及其內(nèi)部可碳化物質(zhì)的含量取決于水泥品種、用量及水灰比的大小。混凝土的碳化速度隨水泥熟料中礦物成分的相對(duì)含量及水泥含量的增多而逐漸減慢，且隨水灰比、孔隙率的增大而逐漸加快。此外，外加劑的摻入也能降低混凝土的碳化速率，避免混凝土碳化。

3.2.2 骨料級(jí)配

混凝土的密實(shí)度、CO2的擴(kuò)散速度以及混凝土的碳化速度等跟骨料級(jí)配密切相關(guān)。骨料級(jí)配越好，混凝土結(jié)構(gòu)越密實(shí)，CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部通路受阻，混凝土碳化速度越慢。因此，應(yīng)該選擇級(jí)配良好的骨料，從而減小碳化速度。

3.2.3 周圍介質(zhì)CO2的濃度

外界環(huán)境中CO2的濃度是引起混凝土碳化的直接原因。CO2氣體通過混凝土表面眾多微小孔隙擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于潮濕環(huán)境中時(shí)，CO2氣體會(huì)與其內(nèi)部堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹，混凝土表面產(chǎn)生眾多缺陷，導(dǎo)致混凝土碳化。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度和濕度滿足要求時(shí)，CO2濃度越大，混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度就會(huì)越快。

3.2.4 養(yǎng)護(hù)方法及施工質(zhì)量

研究表明，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)和施工質(zhì)量均不滿足規(guī)范要求時(shí)，也會(huì)引起混凝土碳化?；炷两Y(jié)構(gòu)早期養(yǎng)護(hù)不充分，施工質(zhì)量差（主要表現(xiàn)為振搗不密實(shí)），會(huì)使水泥水化反應(yīng)不充分，混凝土強(qiáng)度降低，其表面出現(xiàn)諸多缺陷（如缺棱、掉腳等），這為CO2進(jìn)入混凝土提供了良好的途徑，從而加速混凝土碳化［17］。

3.3 預(yù)防混凝土碳化的措施

3.3.1 選擇適宜水泥品種及水灰比

混凝土的碳化速度隨水泥中Ca（OH）2含量的增多而逐漸降低，因此應(yīng)選擇生成較多Ca（OH）2的水泥品種。研究表明［17］，在水泥用量不變的情況下，水灰比越小，混凝土內(nèi)部的孔隙率越小，混凝土越密實(shí)，混凝土的碳化速度越慢。因此，在滿足施工和設(shè)計(jì)使用要求的情況下，摻適量減水劑，用以降低水灰比，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度，從而降低CO2的擴(kuò)散速度，避免混凝土碳化。

3.3.2 摻礦物摻合料和外加劑

在拌制混凝土的過程中可以摻礦物摻合料（如礦渣粉）和外加劑（減水劑等），用以改善混凝土的工作性能，減少拌和水的用量，降低水灰比，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)度，從而降低CO2的擴(kuò)散速度，避免混凝土碳化。

3.3.3 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度和濕度必須滿足要求，應(yīng)按照規(guī)范要求，將成型后的混凝土試件置于溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度＞95%的條件下養(yǎng)護(hù)28d。

4 結(jié)論

本文較系統(tǒng)地概述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的主要原因、腐蝕破壞機(jī)理及其影響因素，該項(xiàng)綜述為今后研究混凝土結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、耐久性等問題提供參考依據(jù)。