吳嘉君，朱銀國，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)的安全運行。國家建設(shè)部的一項調(diào)查表明，國內(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、混凝土開裂的現(xiàn)象。我國正處在現(xiàn)代化建設(shè)初級階段，基礎(chǔ)設(shè)施工程浩大，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，許多重大工程已經(jīng)開始在我國西部地區(qū)開展，如西氣東輸、青藏鐵路、跨國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題，這些工程必將迎來大規(guī)模的維修期，耗資巨大。因此，提高混凝土耐久性，延長建筑物使用壽命，避免大修大補(bǔ)是實施可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

混凝土耐久性的研究由來已久。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意義和經(jīng)濟(jì)意義。氯鹽侵蝕是混凝土耐久性的一項重要內(nèi)容。我國幅員遼闊，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)計使用期內(nèi)一個不容避免的問題。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重要指標(biāo)，同時也是一項綜合性能指標(biāo)。水工混凝土的設(shè)計指標(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，在我國長江以北、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，我國對路橋混凝土結(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有采取抗凍融技術(shù)措施，路面設(shè)計基準(zhǔn)期為30年，而大部分實際使用不到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)場道面損傷研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，所有被調(diào)查機(jī)場均發(fā)現(xiàn)不同程度和范圍的凍融損傷，某機(jī)場開通不足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)場建成使用不到2年，機(jī)場跑道道肩及停機(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，是中朝兩國合建的工程，在建成后運行不到10年已出現(xiàn)嚴(yán)重的凍融破壞現(xiàn)象[6]。葠窩水庫位于東北地區(qū)遼寧省東部，大壩運行約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炷两ㄖ锢匣『Φ闹饕獑栴}之一，嚴(yán)重影響了建筑物的長期和安全運行。為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用，有關(guān)部門每年都耗費了巨額的維修費用，根據(jù)以往經(jīng)驗，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)使用期的維修費用為建設(shè)費用的1～3倍[7]。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍耐久性問題對于我國混凝土建筑是一個非常普遍和重要的問題。

所有混凝土耐久性問題幾乎都與環(huán)境作用相關(guān)。而對于全球面積廣闊的寒冷地區(qū)而言，凍融作用無疑是導(dǎo)致這些區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)性能損傷的主要因素?；炷羶鋈谄茐囊岩饑鴥?nèi)外混凝土科學(xué)家和工程技術(shù)人員的高度重視并開展了大量研究工作。20世紀(jì)40年代以來，美國、原蘇聯(lián)、歐洲、日本等均著手開展了關(guān)于混凝土凍融破壞機(jī)理的研究，提出的破壞機(jī)理假說就有5～6種。但大部分假說是從純物理模型出發(fā)，經(jīng)假設(shè)和推導(dǎo)得出的，沒有實測的數(shù)據(jù)證明。且由于混凝土結(jié)構(gòu)凍融問題的復(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酥潦澜缇哂兄卮蟮纳鐣徒?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程比較復(fù)雜，是一個物理變化過程。一般認(rèn)為，混凝土的凍融破壞機(jī)理是在某一冰點溫度下，混凝土內(nèi)存在結(jié)冰的水和過冷的水。結(jié)冰的水體積增加10%，使混凝土內(nèi)部發(fā)生膨脹；過冷的水發(fā)生遷移，從而引起各種壓力，當(dāng)壓力超過混凝土承受能力時，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，凍融反復(fù)循環(huán)會產(chǎn)生累積效果，當(dāng)混凝土不能抵抗凍融產(chǎn)生的壓力時，結(jié)構(gòu)破壞。對于多孔材料而言，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[11]。該假說認(rèn)為，在冰凍過程中，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。孔溶液在可以滲透的水泥漿體結(jié)構(gòu)中移動，必須克服粘滯阻力，因而產(chǎn)生靜水壓力[12]。靜水壓假說成功地解釋了混凝土凍融過程中的很多現(xiàn)象，如引氣劑的作用、結(jié)冰速度對抗凍性的影響等。

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

大量工程實踐表明，沿海及近海地區(qū)由于氯離子對鋼筋混凝土結(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)銹蝕破壞的時間有的僅5～10年。隨后有關(guān)單位對華東地區(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)量存在一定問題外，另一主要原因是當(dāng)時對氯離子侵入引發(fā)鋼筋銹蝕的嚴(yán)重性認(rèn)識不足。

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，鈍化膜開始不穩(wěn)定，當(dāng)PH＜9.9時，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標(biāo)準(zhǔn)時，鈍化膜破壞，鋼筋會銹蝕，而水和氧的存在是鋼筋被腐蝕的必要條件，因此，若混凝土開裂，形成水和氧的通道，則會加速鋼筋銹蝕，促成混凝土進(jìn)一步開裂，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，可以使該處的PH值迅速降低到4.0以下，從而在短時間內(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始時間呈線性關(guān)系。在嚴(yán)酷條件下，氯離子主要來自水泥及外部環(huán)境（海洋）。水泥取決于國家標(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。通過對混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的延長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，更有利于降低混凝土的氯離子滲透性能。

3 結(jié)語

對于在北方寒冷地區(qū)海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)凍融循環(huán)作用的同時還會受到氯離子侵蝕，結(jié)果加速混凝土劣化進(jìn)程，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土開裂，混凝土結(jié)構(gòu)無法達(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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