[摘要] 本文從提高混凝土的抗凍性及抗腐蝕性方面探討外露混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量保障問題。
[關(guān)鍵詞] 外露混凝土結(jié)構(gòu); 抗凍性; 抗腐蝕性
伴隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展, 大規(guī)模的建筑工程在中國興建。工程中廣泛應(yīng)用的材料是混凝土建筑結(jié)構(gòu)。一般建筑使用壽命30~50 年。因此混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性逐漸引起了人們的重視?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是指混凝土抵抗氣候變化化學(xué)侵蝕等任何其他破壞過程的能力。在寒冷地區(qū)或處于飽和狀態(tài)的環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性及抗腐蝕性, 對于混凝土結(jié)構(gòu)建筑物在設(shè)計, 施工, 管理使用過程中應(yīng)多加考慮。特別是近年來因混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面設(shè)計施工的不足造成了許多事故和經(jīng)濟損失。首先應(yīng)引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員重視的是現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010- 2002) 對不同使用環(huán)境下結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性做了明確的規(guī)定.常用的室內(nèi)建筑混凝土結(jié)構(gòu)( 相當(dāng)于混凝土規(guī)范中一類的環(huán)境類別) 基本不受冰凍影響,一般也不會長期受到水份浸泡, 根據(jù)國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性狀態(tài)的調(diào)查, 一類環(huán)境設(shè)計使用年限為50年, 基本上可得到保證, 因此在設(shè)計上對混凝土結(jié)構(gòu), 除了要求滿足承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)外, 沒有抗凍性要求,一般也不會出現(xiàn)混凝土腐蝕問題.但對于處于二、三類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 如電桿,橋梁,水池,護岸,擋土墻, 機場道面及外露地下室外墻壁等, 就受到凍融循環(huán)的作用,有的經(jīng)常處于水飽和狀態(tài).這些構(gòu)件,就出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕性破壞及滲漏問題.因此對這些特殊結(jié)構(gòu)的混凝土質(zhì)量及混凝土用料應(yīng)有特殊的要求.這種特殊要求就是混凝土應(yīng)具備必要的抗凍性和防腐蝕性。
1 提高混凝土的抗凍性
我國地域遼闊, 有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒和和寒冷地區(qū)。混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一, 嚴(yán)重影響了建筑物的長期使用和安全運行, 筆者經(jīng)?？吹交炷亮⒔粯虻慕涌p處, 因縫隙流下的雨水雪水而產(chǎn)生的凍融破壞, 導(dǎo)致橋墩混凝土脫落, 鋼筋外露現(xiàn)象?，F(xiàn)行的混凝土規(guī)范第3.4.5 條: 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)要求。按筆者對這一條文的理解, 對于處于二、三類環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu), 在作結(jié)構(gòu)設(shè)計時, 應(yīng)對結(jié)構(gòu)混凝土提出明確的抗凍要求, 以避免因設(shè)計考慮不周出現(xiàn)混凝土構(gòu)筑物凍融破壞責(zé)任事故。
我們注意到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)混凝土耐久性提出的基本要求, 是針對不同的環(huán)境類別對水灰比, 水泥用量, 混凝土強度等級等都有量化指標(biāo)。但涉及到具體的項目如何實現(xiàn)并達到混凝土的抗凍等級還得參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 關(guān)于混凝土的抗凍性指標(biāo), 目前道路工程有明確的規(guī)定, 在道路工程中有具體要求,所列的有關(guān)指標(biāo)如表1。
表1 中只列出為保證抗凍性所用水泥的最小用量,對水泥品種沒有具體標(biāo)明.這主要是道面混凝土工程一般都強調(diào)使用硅酸鹽水泥,或普通硅酸鹽水泥. 水泥品種對混凝土的抗凍性有很大的影響,這是設(shè)計和施工容易忽視的問題, 根據(jù)《混凝土》雜志總第74 期刊出的一份資料表明,其它條件
相同,由于水泥品種的差異,混凝土的抗凍性差異是很大的.用不同水泥制作的混凝土,經(jīng)過150 次凍融循環(huán)后,有關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。
按相關(guān)規(guī)定強度損失率小于25%既可滿足抗凍等級要求, 從表2 看出,水泥不摻添加劑時,混凝土的抗凍性以硅酸鹽水泥混凝土最好,其抗凍性指標(biāo)能達到150~200 這個等級, 普通硅酸鹽水泥與礦渣水泥混凝土的抗凍性基本相似,其抗凍性指標(biāo)都在100 以下, 所以在嚴(yán)寒地區(qū),當(dāng)混凝土構(gòu)件有抗凍性要求時,宜采用硅酸鹽水泥,也不必使用添加劑, 若使用摻合材水泥,即使是普通硅酸鹽水泥,也須摻用膨脹劑,以提高混凝土的抗凍性。
對礦渣水泥來說當(dāng)膨脹劑為4%~8%時強度損失率為10.3%~7.2%, 小于25%, 當(dāng)膨脹劑為
12%時強度損失率為28.2%大于25%不滿足要求,摻量合適時,礦渣水泥混凝土的抗凍性已達硅酸鹽水泥混凝土水平。
因此基本結(jié)論是: 當(dāng)使用硅酸鹽水泥時, ( 從表2 可以看出強度損失率僅為9%) , 混凝土既具有足夠的抗凍性, 不必?fù)接锰砑觿?。其它水泥混凝土需要保持足夠的抗凍? 需使用膨脹劑。但膨脹劑摻量不得大于8%~12%。
2 提高混凝土的抗腐蝕性
混凝土的腐蝕問題,是水泥中的堿(主要是鈉及鉀)與骨料中的活性物質(zhì)作用生成凝膠, 混凝土固化后,遇水浸潤這些凝膠膨脹造成混凝土崩解破壞, 所以造成混凝土腐蝕性反應(yīng)的首要因素是水泥中堿含量過高,又由于混凝土經(jīng)常受到水分浸潤造成的。
1982 年至1984 年由北京某構(gòu)件廠生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土鐵路橋梁188 孔, 用于山東兗石線上。1991 年調(diào)查了183 孔, 其中無裂縫的僅6孔, 裂縫寬度一般在0.2mm~0.4mm 之間, 最大的達0.7mm。預(yù)制構(gòu)件系采用高堿純硅酸鹽水泥, 混凝土的堿含量約6.5Kg/m3, 雖然強度非常高, 但仍然開裂嚴(yán)重。用北京地區(qū)的堿活性集料與高堿水泥生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件在河北的京秦線、陜西三原鐵路工務(wù)段和江西景德鎮(zhèn)的鐵路橋梁上使用破壞同樣嚴(yán)重。同時生產(chǎn)的鐵路軌枕用于北京站、上海站、貴陽站、鎮(zhèn)江站也是同樣結(jié)果。
山東濰坊機場建于1984 年, 混凝土的堿含量約3.9Kg/m3。九十年代初調(diào)查, 開裂的跑道達33.3%, 在實驗室仔細(xì)鑒定證明, 該機場主要為堿碳酸鹽反應(yīng)引起的破壞。
北京許多五十年代中期建造的大型工業(yè)廠房, 早已裂痕累累列為危險建筑。1959 年建成的人民大會堂、西效展覽館、北京站梁柱明顯開裂, 已經(jīng)修復(fù)多次。1978、1979 年告竣的朝陽門、建國門立交橋損傷嚴(yán)重。1980 年投入使用的西直門立交橋已經(jīng)加固。1984 年鋪成的京秦鐵路橋梁損傷84.67%。1990 年交付的國家奧林匹克體育中心已經(jīng)大規(guī)模修補等等。以上工程主體結(jié)構(gòu)一次使用壽命均不到50 年, 有的不到20 年甚至不到10 年。
混凝土的腐蝕問題, 在上世紀(jì)60 年代前出現(xiàn)較少.主要是那時水泥基本是立窯生產(chǎn)的,水泥料在煅燒過程中,粘土中的堿份隨煙塵外逸,水泥中的堿含量較低, 到70 年代以后,水泥多用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn),這是水泥生產(chǎn)的進步,它節(jié)約能耗,又使水泥熟料均勻, 但帶來的問題是,水泥熟料中的堿份不能隨煙塵外逸,而是集存在水泥熟料中,因此水泥的堿含量相應(yīng)增大。
當(dāng)時基建工程界沒有察覺到這個問題,因此從上世紀(jì)70 年代起, 某些經(jīng)常外露在大氣中的混凝土構(gòu)造物,陸續(xù)出現(xiàn)了黃斑龜裂甚至完全失穩(wěn)的現(xiàn)象.直到90 年代,問題暴露更多了,引起了人們震驚.在1991 年,召開了一次國內(nèi)建材界權(quán)威的座談會,才弄清了混凝土腐蝕現(xiàn)象的本質(zhì),結(jié)論就是水泥中堿含量過多,造成了混凝土的腐蝕現(xiàn)象, 這次座談會雖然弄清了問題的實質(zhì),但問題并沒有徹底解決,原因是當(dāng)前水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中,還沒有限制堿含量的要求, 如果某項工程需要使用低堿水泥,只能與生產(chǎn)廠家協(xié)商解決, 它的造價相應(yīng)就提高了.因此我們需要謀求各種手段,來解決混凝土的腐蝕問題。
混凝土的腐蝕性反應(yīng), 是水泥中的堿與石材(骨料)中某些物質(zhì)的反應(yīng),通稱為堿- 骨料反應(yīng)。最近十多年的事實表明,國內(nèi)外用石灰石為骨料的混凝土,大量出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,并發(fā)展迅猛, 這些年國外的報導(dǎo),以石灰石為骨料的水泥混凝土道面出現(xiàn)了“D”開裂問題, 唐明述院士對此問題作了評述.評述中指出,“國外的研究只涉及到骨料的物理特征,對某些化學(xué)作用(如膨脹的堿- 碳酸鹽反應(yīng)等)的忽視值得深思,在密蘇里州的研究中,已證實了高堿水泥(0.8%)能更早引起“D”開裂, 國內(nèi)出現(xiàn)的大量混凝土腐蝕事例,其中也不乏是用石灰石為骨料。由此可見, 混凝土中用石灰石做骨料, 其可能產(chǎn)生腐蝕性反應(yīng)的風(fēng)險性, 就比用花崗巖石高得多。
混凝土用水泥除了強度及抗凍性方向的考慮外,裸露于大氣中,經(jīng)常受到水分浸潤的混凝土,需要用低堿水泥, 當(dāng)能保證混凝土強度時,不宜采用過高標(biāo)號的水泥,也可以考慮采用摻合材水泥。
混凝土用的骨料,在花崗巖碎石與石灰?guī)r碎石供應(yīng)條件無大差異時, 宜采用花崗巖或砂巖碎石,需采用石灰石時,宜從源頭上在石場剔出帶白云石的石塊, 一些水泥廠用的石場,都有專人在石料中剔出白云石,以保證水泥中鎂含量不超標(biāo),所以這項工作是能夠做的。
據(jù)了解, 我國某機場混凝土跑道已發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)開裂, 某大型城市公路立交橋建成剛5 年,其潮濕部位開裂已經(jīng)取樣證實為堿骨料反應(yīng)。由于近幾年來我國水泥外加劑等情況的發(fā)展變化,混凝土堿骨料反應(yīng)問題已構(gòu)成我國土建工程的一大潛在危害, 希望我國的建筑、市政、交通等有關(guān)混凝土工程的設(shè)計、施工工程技術(shù)人員對此問題給予應(yīng)有的重視, 采取可能做到的各種措施, 預(yù)防堿骨料反應(yīng)對工程的損害。
綜上所述, 對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題, 應(yīng)引起有關(guān)設(shè)計, 施工, 管理人員的注意, 并提出如下建議:
( 1) 對于處于二, 三類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu),在設(shè)計文件中, 應(yīng)對這類混凝土構(gòu)件的抗凍性標(biāo)準(zhǔn)提出明確的要求。
( 2) 不同的水泥品種抗凍性能不一樣, 設(shè)計,施工人員應(yīng)區(qū)別對待, 審慎使用。
( 3) 處于二, 三類環(huán)境中的混凝土的骨料應(yīng)優(yōu)先采用花崗巖和砂巖, 不宜采用石灰石。
[參考文獻]
[1]王巖等《混凝土》總第74 期.道面混凝土摻膨脹劑研究.
[2] 唐明述等《混凝土與水泥制品》(1994)混凝土道面D 開裂研究評述.
[3]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010- 2002).
