混凝土结构耐久性

1、混凝土结构耐久性1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，且一直被认 为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范围非常广泛。然而，从混凝土应用于建筑工程至今的 150 年间，大量的钢筋混凝土 结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有 的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造 成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海与近海地区 的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀而造成 结构的早期损坏， 丧失了结构的耐久性能， 已成为实际工程中的重要问题。 早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的 巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最 主要原因。国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨 大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人 们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设 计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省 1 美元，那么就意味着：发 现钢筋锈蚀时采取措施将追加

2、维修费 5 美元； 混凝土表面顺筋开裂时采取 措施将追加维修费 25 美元；严重破坏时采取措施将追加维修费 125 美元。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以 解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有 的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的 处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的 内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服 务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意 义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论 价值。正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要，近年来世界各国均越来越 重视混凝土结构的耐久性问题，众多的研究者对混凝土结构耐久性展幵了环境层次大气环境 海洋环境 土壤环境 工业环境混凝土碳化氯盐腐蚀混凝土结构耐久性材料层次冻融破坏碱-集料反应钢筋锈蚀 混凝土锈胀开裂模型构件层次粘结性能衰退模型构件承载力的变化结构层次耐久性设计耐久性评估图1-1混凝土结构耐久性研究框架研究，取得了系列研究成果，而材料层面的成果尤为显著。迄

3、今为止，已 经形成了混凝土结构耐久性研究框架，如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。1.2混凝土碳化1.2.1混凝土碳化的定义所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作 用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理 化学过程。影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其PH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝 化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表 面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导 致了混凝土的PH值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现 PH1这种情 况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它 条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层 开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能 降低等一系列不良后果。由此可见，进行混凝土的碳化规律分析，研究由碳化引起的混凝土化 学成分的变化以与混凝土内部

4、碳化的进行状态，对于混凝土结构的耐久性 研究具有重要的意义。1.2.2 混凝土碳化的机理混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化 反应，生成的水化物自身具有强度 (称为水泥石 )，同时将散粒状的砂和石 子粘结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用 量的三分之一将生成氢氧化钙 (Ca(OH) 2)，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中 结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水 溶液是 PH 值为 12.6 的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝土中 的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其它物质，从而使水泥石原有的强 碱性降低， PH 值下降到 8.5 左右。混凝土碳化的主要化学反应式如下：CO2+H 2O?H 2CO3 (1-1)Ca(OH) 2+H 2CO3?CaCO 3+2H 2O (1-2)1.2.3 影响混凝土碳化的因素混凝土的碳化是伴随着 CO2 气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔 隙内的水，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。 研究表明，混凝土的碳化速

5、度取决于 CO2 气体的扩散速度与 CO2 与混凝 土成分的反应性。而 CO2 气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、 CO2 气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。所以碳化反应 受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素 可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。对于服 役结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如 CO2的浓度、环境温度和湿度概况地说，混凝土碳化的影响因素为：1. 混凝土本身的密实度：混凝土密实度越大，碳化速度越慢；2. 二氧化碳的浓度：二氧化碳浓度越大碳化速度越快比；3. 环境温度：环境温度越高，碳化速度越快；4. 环境湿度：环境相对湿度在 5070 %时，碳化速度最快。1.2.4混凝土的碳化规律1. 混凝土的碳化规律国内外学者对混凝土碳化进行了深入的研究，在分析碳化试验结果的 基础上，国内外公认的碳化深度 D与碳化时间t的关系式为：D (1-3)式中，a为碳化速度系数；D为混凝土碳化深度(mm ); t为测定D的碳 化时间(年)。碳化速度系数 体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅

6、与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度与二氧化碳浓度有关。2. 碳化规律应用1自然锈蚀和快速碳化之间的关系。(1-4)式中，D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；C1、C2为测定D1和预测D2时的碳化浓度；t1、t2为测定D1和预测D2时的碳化时间。例1-1 :某混凝土结构物在建造时，为了估计二氧化碳侵入混凝土结构的速度，预留了混凝土试块进行混凝土快速碳化试验。碳化箱浓度是结构物实际环境二氧化碳浓度的 400倍，混凝土试块在放入碳化箱 5天后测得其碳化深度为10mm o试问：实际结构使用30年后的碳化深度。解：已知 D仁 10 mm; t2 = 30 X365 天；t1 = 5 天；C2/C1 =1/400 ；则：D2 = 10 X 30 X365 / ( 5 X 400 )=23.4 ( mm ) .3. 碳化规律应用 2 自根据实测碳化深度推测以后情况(1-5)式中， D1、D2 分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度； t1、t2 为测定 D1 和预测 D2 时的碳化时间。例 1-2 ：某结构物使用 10 年以后测其

7、碳化深度为 15mm ，试问 :该结构物 使用 30 年后的碳化深度。解: 已知 D1 = 15mm; t1 = 10 年; t2 = 30 年; 则:D2= 15(30/10) =26(mm).1.2.5 碳化深度和混凝土强度之间的关系分析混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化 规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。一般来说，混凝土强度在初期 随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。在对服役结构 的抗力进行评价时，所关心的是结构在经过一个服役期后，混凝土强度是 高于设计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些问题是服役结构 抗力评价需要解决的问题。一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。碳化降低混凝土的碱 性，随着时间的推移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而 引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有 一定的影响。为了了解碳化后混凝土本身强度的变化，须进行了混凝土的 抗压和劈拉试验。通过试验研究分析，有下列结论：随着碳化龄期的增长，混凝土的抗 压强度也随之提高；同一龄期碳化试件的抗压强度均比未碳化试件的抗压 强度

8、高。从这一点来看，混凝土的碳化对抗压强度本身并没有破坏作用。1.3 氯离子对混凝土结构的侵蚀我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设都集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非 常严重，已建的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。在我国北 方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁与城市立交桥等撒除冰盐， 大量使用的氯化钠和氯化钙， 使得氯离子渗入混凝土， 引起钢筋锈蚀破坏。 我国还有广泛的盐碱地，腐蚀条件更为苛刻。在 1991 年召开的第二届国 际混凝土耐久性会议上， Mehta 教授在 混凝土耐久性五十年进展 主 旨报告中指出： “当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是： 钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。 ”而来自海洋环境和使用防冰盐中的氯 离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。1.3.1 氯离子对混凝土的作用机理1. 破坏钝化膜水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。以往 的研究认为该钝化膜是由铁的氧化物构成，最近研究表明，该钝化膜中含 有 Si-O 键，对钢筋有很强的保护能力。然而，此钝化膜只有在高碱性环 境中才是稳定

9、的， 当 PH11.5 时，钝化膜就开始不稳定； 当 PH9.88 时， 钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl 是极强的去钝化剂，Cl 进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，可使该处的 PH 值迅速降低，可使钢筋表面 PH 值降低到 4 以下，破坏了钢筋表面的钝化 膜。2. 形成腐蚀电池如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐 蚀可能使均匀腐蚀。但是，在不均质的混凝土中，常见的局部腐蚀。 Cl 对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完 好的钝化膜区域形成单位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区 域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极 对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。3. 去极化作用Cl -不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。Cl -与阳极反应产物 Fe2+ 结合生成 FeCl2 ，将阳极产物与时地搬运走，使阳极过 程顺利进行甚至加速进行。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而 加速阳极极化作用称作去极化作用，CI-正是发挥了阳极去极化作用。在氯离子存在的混凝土中，钢筋的锈蚀产物中是很难找到FeCl2 存在，这是由于 FeCl2 是可溶的，在向混凝土内扩散时，遇到 OH -就能生成 Fe(OH)2 沉淀，再进一步氧化成铁的氧化物，就是通常说的铁锈。由此可 见，CI-起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土 中的CI-，会周而复始的起到破坏作用，着也是氯离子危害的特点之一。4. 导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中CI -的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而 加速了电化学腐蚀过程。氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴 阳极之间的欧姆电阻。1.3.2 氯离子侵蚀模型1.

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