湯春瀾

摘要:通過對國內(nèi)外水泥砼耐久性研究成果的闡述,得出了水泥砼耐久性破壞的劣化機(jī)理,提出了提高水泥砼耐久性的途徑。

關(guān)鍵詞:公路;水泥砼;耐久性;劣化機(jī)理

我國的設(shè)計技術(shù)人員普遍對耐久性要求不熟悉,大家比較關(guān)心的是結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度,也比較注意施工質(zhì)量對安全度的影響。其實,不良的施工質(zhì)量對耐久性影響的比重要比設(shè)計安全度不足造成的事故大得多?；谏鲜銮闆r,分析耐久性問題的原因,從設(shè)計、施工諸方面采取有效措施是我國公路工程界的緊迫任務(wù)。

1 水泥砼耐久性機(jī)理劣化分析

砼耐久性是結(jié)構(gòu)及其部件在各種可能導(dǎo)致砼等組成材料性能劣化的環(huán)境因素長期作用下維持其應(yīng)有功能的能力。砼性能的劣化過程可以是物理作用或化學(xué)作用,但在實際工程中更多的是多種因素共同作用的結(jié)果。

1.1 鋼筋銹蝕

砼通常與鋼筋配合使用并保護(hù)鋼筋不至于銹蝕。但鋼筋一旦發(fā)生大面積的銹蝕,就會反過來導(dǎo)致砼崩裂和剝落。如果單純從砼材料的耐久性考慮,不配鋼筋的素砼結(jié)構(gòu)應(yīng)比鋼筋砼結(jié)構(gòu)更為耐久。有些在強(qiáng)度上并不需要配筋的塊體結(jié)構(gòu)和拱形內(nèi)襯結(jié)構(gòu)應(yīng)該在侵蝕環(huán)境下有更高的使用壽命。

1.2 砼凍融作用

砼中的孔隙水或裂隙水受凍后膨脹,反復(fù)凍融會使砼崩裂并發(fā)展到表層剝落、鋼筋外露甚至整體崩壞。飽和狀態(tài)的砼可能發(fā)生凍融破壞。凍融破壞屬于物理作用,影響砼抗凍融能力的因素有砼引氣量(氣泡大小和間距)、滲透性、強(qiáng)度、水的飽和程度,骨料也易受凍害,骨料的抗凍性往往與吸水能力有關(guān)。采用較低的水灰比,施工階段的良好養(yǎng)護(hù)以及使用階段盡量避免砼表面與水長期接觸,可避免骨料吸水飽和而有助于防凍。降低砼的水膠比能夠改善砼的孔結(jié)構(gòu),孔徑越小,冰點越低,對于提高抗凍能力的作用越大。

1.3 硫酸鹽侵蝕

侵蝕砼的硫酸鹽(硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈣或硫酸鎂)主要來自工程所處環(huán)境中與砼相接觸的含有這種鹽類的地面水、地下水或巖土,也有可能來自原本受過硫酸鹽侵蝕的骨料。

硫酸鹽對砼有二種化學(xué)作用:一是硫酸鹽與水泥在水化過程中生成的氫氧化鈣結(jié)合,形成硫酸鈣(石膏);另一種是硫酸鹽(包括石膏)與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鈣在水的參與下形成硫鋁酸鈣,即鈣礬石。這二種反應(yīng)均造成固體體積膨脹,而后者尤為明顯,導(dǎo)致砼破碎。在實際工程中,這個過程通常要進(jìn)行好多年。土中可溶硫酸鹽的濃度如大于0.1%(水中SO4-2150mg/L)就能危及砼,如大于0.5%(水中SO4-2200mg/L)將有嚴(yán)重?fù)p害。

1.4 磨損

對道路結(jié)構(gòu)物來講,砼的磨損主要取決于機(jī)械磨耗與空蝕。研究表明;路面砼的抗機(jī)械磨耗性能取決于它的強(qiáng)度和硬度,特別是面層砼的強(qiáng)度和硬度。路面受反復(fù)摩擦?xí)r,首先被磨損的是最表面的硬化水泥漿體薄層或者說是水泥砂漿面層,接著粗集料就成了抵抗磨損的主要部分。因為在道路砼施工中,由于砼的滲水和離析,水泥漿和細(xì)料顆粒浮在表面,形成一軟弱薄層,強(qiáng)度很低,對抗磨損特別不利。因此,粗集料的強(qiáng)度和硬度成為影響耐磨性的重要因素。

2 提高水泥砼耐久性的途徑

2.1 進(jìn)行耐久性設(shè)計

由于目前道路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基本上屬于結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計,耐久性設(shè)計僅規(guī)定了材料類型、水灰比、用水量、引氣量要求,這些做法不能從根本上解決公路結(jié)構(gòu)耐久性問題,因此,設(shè)計施工人員應(yīng)依據(jù)工程性質(zhì)、環(huán)境特征進(jìn)行下列耐久性設(shè)計:

結(jié)構(gòu)使用環(huán)境及其對結(jié)構(gòu)腐蝕作用的調(diào)查與說明。

結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用期限級別與設(shè)計耐久性等級,并列出結(jié)構(gòu)主要承重部件(如橋梁的基礎(chǔ)、礅臺、梁、橋面板)的使用期限明細(xì)表,標(biāo)明結(jié)構(gòu)使用期限內(nèi)需要更換或修理部件名稱及預(yù)期明細(xì)表。在設(shè)計文件中還宜一并列出其他部件(如橋梁中的橋面防水層、排水部件、伸縮縫、欄桿等)的使用年限明細(xì)表及其維護(hù)或更換期限。

耐久砼材料的設(shè)計考慮。提出砼原材料的選用和必須的組分以及最大水膠比、最小含氣量等要求;根據(jù)環(huán)境的特點和需要,規(guī)定砼抗凍等級、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等耐久性參數(shù)指標(biāo)。

從耐久性要求出發(fā),對結(jié)構(gòu)構(gòu)造和裂縫控制提出具體規(guī)定與要求。向工程的業(yè)主和運營管理單位提出使用過程中需要進(jìn)行的正常維修,以及部件更換的具體要求,對于特殊重要的結(jié)構(gòu)物或處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu),提出使用期內(nèi)的定期檢測要求。

鑒于水泥砼的耐久性會受到許多不確定因素的影響,設(shè)計時還應(yīng)預(yù)先考慮到如果使用階段的檢測結(jié)果不能滿足所要求的剩余使用期限時可能采取的補(bǔ)救措施,并為其預(yù)置必要的條件。

2.2 砼原材料選擇要求

原材料應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范中所列要求,從耐久性方面考慮,應(yīng)控制好下述材料。

2.2.1 水泥

配制耐久砼一般應(yīng)選用品質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥,水泥等級不宜低于32.5強(qiáng)度等級。對于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境作用(D、E、F級)下的砼,宜采用純硅酸鹽水泥或低熱微膨脹水泥,否則應(yīng)詳細(xì)了解或檢測水泥生產(chǎn)中加入的礦物摻和料的品種、摻量。

在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境作用(D、E、F級)下,水泥中的C3A含量不宜超過8%,水泥細(xì)度(比表面積)不宜超過350m2/kg,游離氧化鈣不宜超過1.5%。盡可能采用C2S含量較高的水泥,如低熱水泥。硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽水泥的抗腐能力一般要高于硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥,除氣溫較高的地區(qū)外,也可針對具體環(huán)境特點選用。

水泥的含堿量(等效Na20)一般不宜超過水泥重的0.6%,以改善砼的抗裂性。

2.2.2 摻和料

配制耐久砼所用的礦物摻和料包括粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰、沸石粉、石灰石粉、天然火山灰等。應(yīng)選用品質(zhì)穩(wěn)定、來料均勻、來源固定的摻和料;摻和料的摻量應(yīng)根據(jù)設(shè)計對砼各齡期強(qiáng)度、砼的工作性,和耐久性的要求,以及施工條件和特點(環(huán)境氣溫、砼拌和物溫度、構(gòu)件尺寸等)確定。

2.2.3 集料

所選集料應(yīng)級配良好、潔凈、堅實,另外需注意以下3點:氯鹽銹蝕環(huán)境嚴(yán)重作用(D、E、F級)下的砼,不宜采用抗?jié)B透性較差的巖質(zhì)(如花崗巖、砂巖等)作為粗、細(xì)集料。此外,粗集料的最大粒徑不宜超過25mm(大體積砼除外),且不得超過保護(hù)層厚度的2/3;配筋砼的細(xì)集料不宜使用海砂,一級使用期限要求的重要工程嚴(yán)禁使用海砂,預(yù)應(yīng)力砼不得使用海砂;處于潮濕環(huán)境中的砼,因條件限制不得不使用有潛在堿活性集料時,應(yīng)采取抑制堿集料反應(yīng)的措施。

2.2.4 外加劑

鑒于目前外加劑生產(chǎn)穩(wěn)定性差,應(yīng)選有嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品,同時應(yīng)控制外加劑的類型、副作用、摻量、存貯時間。

2.3 加強(qiáng)施工控制

2.3.1 拌和物的振搗

拌和物的振搗必須做到均勻密實。用插入式振搗變換插點時,應(yīng)向上緩慢拔出,不能沿和物表層平拖。振搗引氣砼時,應(yīng)使用振頻≤6000次/min的中低頻振搗棒,并注意掌握適宜振搗時間,既保證砼充分密實,又要防止過度振搗,避免含氣量過分損失。對于可能受化冰鹽作用的橋面板等構(gòu)件,必須防止過振、過度抹面和撒水幫助抹面等影響表層砼的抗凍性能,尤其是要防止抗鹽凍剝落性能的破壞性影響。對模板支撐的穩(wěn)定性和接縫的密合情況應(yīng)加強(qiáng)檢查,防止砼在振搗過程中漏漿。泵送砼的坍落度應(yīng)按下限控制,以免離析、滲水;澆注層的厚度較大時,尤其應(yīng)控制拌和物坍落度,使它盡量小。

2.3.2 濕度和溫度控制

結(jié)構(gòu)表層砼的耐久性質(zhì)量在很大程度上取決于施工養(yǎng)護(hù)過程中的濕度和溫度控制。暴露于大氣中的新澆砼表面應(yīng)盡早開始澆水或覆蓋濕麻袋、濕棉氈等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。重要工程或重要構(gòu)件,應(yīng)盡可能采用保濕養(yǎng)護(hù)膜、噴涂養(yǎng)護(hù)劑等先進(jìn)養(yǎng)護(hù)手段,以確保砼硬化早期及整個養(yǎng)護(hù)過程不至于失水干燥。

受凍融影響且環(huán)境潮濕部位的砼,在開始受凍前應(yīng)特別注意經(jīng)過充分而合理的養(yǎng)護(hù)。

2.3.3 大體積砼結(jié)構(gòu)溫度控制

對于最小斷面尺寸超出既有規(guī)范定義的大體積砼結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)實行溫度控制。參照砼抗裂性試驗或既有工程經(jīng)驗,確定砼澆筑、養(yǎng)護(hù)的方法與工序,提出施工過程中砼溫度參數(shù)的合理控制值,除上述措施以外,還應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量檢測和結(jié)構(gòu)維護(hù),只有綜合防護(hù),才能實現(xiàn)耐久。

結(jié)論:

水泥砼耐久性是一個復(fù)雜的問題,影響耐久性的因素很多,解決耐久性問題必須結(jié)合環(huán)境、設(shè)計、施工、選材、管理等綜合進(jìn)行。