摘 要:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)十分重要的問(wèn)題,文章從混凝土自身的材料性質(zhì)出發(fā),分別分析了水灰比、水泥品種和數(shù)量、氯離子含量以及堿骨料的含量對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響,并提出一些控制措施。
關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu);材料性質(zhì);耐久性
中圖分類號(hào): TU582. 1 ; TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167325781 (2007) 0120091203
0 引 言
眾所周知,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點(diǎn),造價(jià)較低,其應(yīng)用非常廣泛,當(dāng)然這并不是說(shuō)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是十全十美的,事實(shí)上,如今有大量的混凝土結(jié)構(gòu)由于各種各樣原因提前失效,這其中主要是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足引起的。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料表明,由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的,并且耐久性問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。因此,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題是一個(gè)十分重要而迫切需要解決的問(wèn)題[1 ,2 ] 。
1 材料的劣化與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性
混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是基于材料耐久性的進(jìn)一步深化,混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下,隨著時(shí)間的推移,材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性能劣化,出現(xiàn)損傷甚至損壞,是一個(gè)不可逆的過(guò)程。它不是直接由力學(xué)因素引起的,而是首先由于混凝土材料的物理化學(xué)作用的結(jié)果,繼而影響到建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)的承載力下降,最終會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。其中最明顯的病害損傷事例,如海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)受到含有氯離子介質(zhì)的侵蝕,而導(dǎo)致鋼筋銹蝕,嚴(yán)重的銹蝕會(huì)使混凝土開(kāi)裂,不僅影響使用功能和外觀,甚至使鋼筋截面削弱,結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力下降,對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成威脅。
所謂混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下,在設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用期內(nèi),不需要花費(fèi)大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。從定義可以看出,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究應(yīng)考慮材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量和外界環(huán)境條件諸因素。材料層次的研究是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的最基礎(chǔ)部分,也是使結(jié)構(gòu)耐久性變差的內(nèi)在因素。因此本文將主要從材料層次研究處于一般大氣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[1～3 ] 。
材料的耐久性劣化主要包括混凝土碳化、氯離子對(duì)鋼筋的銹蝕、堿- 骨料反應(yīng)、凍融破壞。每一種材料劣化過(guò)程,既有屬于材料本身的因素,又有屬于環(huán)境條件的因素,每一種由環(huán)境條件(外因) 引起的破壞均通過(guò)自身?xiàng)l件(內(nèi)因) 而起作用的。唯物辯證法中指出,內(nèi)因決定外因,外因是通過(guò)內(nèi)因而起作用,因此在本文中,將重點(diǎn)談?wù)劵炷磷陨淼牟牧闲再|(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響。分別從水灰比、水泥品種和數(shù)量、氯離子含量、堿骨料含量這幾個(gè)方面進(jìn)行分析。
1. 1 混凝土碳化
埋在混凝土中的鋼筋通常不會(huì)銹蝕,這是由于混凝土呈高度堿性,會(huì)在鋼筋表面形成一層可以防止銹蝕發(fā)展的保護(hù)膜(鈍化膜) ,但當(dāng)大氣中的二氧化碳和水汽從混凝土表面向里滲透并與混凝土中的堿性物質(zhì)起化學(xué)作用,會(huì)使混凝土堿度降低,當(dāng)碳化或中性發(fā)展到鋼筋表面,破壞了鈍化膜得以形成的條件,鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕,從而影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
1. 1. 1 水灰比
從破壞機(jī)理看出,混凝土配合比,特別是水灰比是影響混凝土密實(shí)性的主要因素。水灰比對(duì)碳化的影響見(jiàn)表1 所列。
從表1 中可以看出,隨著水灰比的增大,混凝土的碳化速度也相應(yīng)地增大,這是因?yàn)樘蓟疃仁軉挝惑w積的水泥用量或水泥石中的Ca (O H) 2 含量的影響,水灰比越大,單位水泥用量越小,混凝土單位體積內(nèi)的Ca (OH) 2 含量也越少,碳化速度越快,同時(shí)水灰比越大,混凝土內(nèi)部的空隙率也隨之增大,CO2 有效擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)大,這是使混凝土碳化速度加快的另一個(gè)原因,因此為了減少混凝土碳化引起的危害,適當(dāng)控制水灰比是重要的。
1. 1. 2 水泥品種和用量
水泥品種和用量對(duì)混凝土性能也有很大影響,因?yàn)閮烧呤菦Q定水泥水化后單位體積混凝土中可碳化物質(zhì)含量的主要材料因素,因而也是影響混凝土碳化速度的主要因素之一。同樣,可以說(shuō)水泥用量是影響混凝土碳化最主要的因素之一。水泥用量越大,則單位體積混凝土中可碳化物質(zhì)的含量越多,消耗的CO2 也越多,其抗碳化性能也越高,規(guī)律性十分明顯。
1. 2 氯離子對(duì)鋼筋的銹蝕
當(dāng)有足夠濃度的Cl - 擴(kuò)散到鋼筋表面時(shí),當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼筋表面處的氯離子濃度積累到一定值(臨界濃度)后可以導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞;因此混凝土氯化物的臨界濃度是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。
混凝土中的Cl - 來(lái)源有內(nèi)摻和外摻兩種,內(nèi)摻的Cl - 主要來(lái)源于混凝土拌制過(guò)程中摻加的CaCl2 等防腐劑;海水環(huán)境中的海工混凝土及路面撒除冰鹽的公路混凝土,環(huán)境中的Cl - 通過(guò)混凝土孔溶液逐步向內(nèi)滲透,即為外滲型的Cl - 的來(lái)源。
鋼筋位置溶液中游離Cl - 濃度越大,則其對(duì)鈍化膜的破壞作用越大,鋼筋的活性也越大,銹蝕速度也越快。由于鋼筋的活性還受到p H 值的影響,因此人們認(rèn)為氯化物引起混凝土中鋼筋的去鈍化,并不單純?nèi)Q于混凝土孔隙液游離Cl - 的濃度,更重要的參數(shù)是[ Cl - ]/ [OH- ]的值,表2 給出了不同p H 值堿溶液中的[Cl - ]/ [OH- ]臨界值。
由表2 換算得到的氯鹽總摻量與環(huán)境氯鹽濃度臨界值見(jiàn)表3 所列。
1. 3 堿- 集料反應(yīng)
堿- 集料反應(yīng)是指混凝土中的堿與集料中的活料組分之間的發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng),是影響混凝土耐久性最主要的因素之一,它不同于其它混凝土病害,其開(kāi)裂破壞是整體性的,且堿- 集料反應(yīng)造成的混凝土開(kāi)裂破壞難以被阻止,因而成為混凝土中的“癌癥”,當(dāng)配制混凝土?xí)r使用了含有活性礦物成分的砂石骨料,后者就會(huì)與混凝土中的堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成某種膠凝體,遇水后體積膨脹可使混凝土發(fā)生脹裂破壞。堿溶液還會(huì)浸入集料在破碎加工時(shí)產(chǎn)生的裂縫中發(fā)生反應(yīng),使集料受腫脹力作用而破壞。
如前所述,含堿量(Na2O + 0. 685 K2O) 是影響堿- 集料反應(yīng)的重要因素之一,混凝土中的堿含量與水泥用量有關(guān),還與骨料中礦物的種類及其活性程度有關(guān)。一般規(guī)定含堿量小于0. 6 %的為低堿水泥,低堿水泥一般不會(huì)發(fā)生堿- 集料反應(yīng)。根據(jù)工程的不同環(huán)境條件提出了不同防止堿- 硅酸反應(yīng)的堿含量的限制,見(jiàn)表4 所列。
1. 4 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(shí)混凝土孔隙中的水結(jié)成冰后產(chǎn)生體積膨脹,引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷逐漸達(dá)到一定程度而引起宏觀的破壞。破壞前期是混凝土強(qiáng)度和彈性模量降低,接著是混凝土由表及里的剝落。
在我國(guó)北方地區(qū)的室外混凝土結(jié)構(gòu)存在凍融破壞問(wèn)題。當(dāng)混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯離子時(shí),混凝土的凍融破壞加劇。
總結(jié)已建工程的運(yùn)行實(shí)踐和室內(nèi)混凝土的抗凍性能試驗(yàn),得出水泥品種對(duì)混凝土抗凍性能有一定影響,且隨水泥中混合材料摻入量的增加,混凝土的抗凍性降低。
國(guó)內(nèi)各種水泥抗凍性高低的順序?yàn)?硅酸鹽水泥> 普通硅酸鹽水泥> 礦渣硅酸鹽水泥> 火山灰(粉煤灰水泥) 硅酸鹽水泥,見(jiàn)表5 所列。
上述的鋼筋與混凝土種種劣化過(guò)程,都需要有水的參與或以水作為媒介。鋼筋與混凝土在干燥的環(huán)境下均不容易發(fā)和劣化,對(duì)鋼筋來(lái)說(shuō),最不利的環(huán)境就是干濕交替。所以提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要途徑就是增加混凝土材料自身的密實(shí)性,并增加鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度。這樣才能阻擋水分、氧氣、二氧化碳及有害物質(zhì)的侵入,并延緩其到達(dá)鋼筋位置的時(shí)間。傳統(tǒng)的混凝土通常由水泥、水和砂石三種原材料拌合而成,為了增加混凝土的密實(shí)性,最主要的手段是要減少拌和水的用量,并在混凝土中加入礦物摻和料,降低混凝土的水灰比,是提高耐久性的主要措施之一[4 ,5 ] 。
2 結(jié)束語(yǔ)
(1) 從以上種種材料的耐久性劣化可知,為了提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,要根據(jù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別,合理地選擇混凝土原材料。
(2) 改善混凝土的級(jí)配,控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土強(qiáng)度等級(jí),提高混凝土的抗?jié)B性和密實(shí)性。
(3) 在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)嚴(yán)格遵循文獻(xiàn)[1 ]的規(guī)定,控制水灰比、水泥用量、氯離子含量以及堿含量。
〔參考文獻(xiàn)〕
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