淺析我國西北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素及防治措施

1、 土木工程材料論文淺析我國西北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素及防治措施淺析我國西北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素及防治措施摘要:混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。影響結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，在西北地區(qū)，高寒、大溫差、強輻射、干燥、大風(fēng)沙、鹽堿腐蝕等惡劣氣候環(huán)境使得混凝土結(jié)構(gòu)處于干濕變化、溫度變化、凍融循環(huán)、鹽堿腐蝕、風(fēng)蝕等多種自然因素的作用下，日積月累，在混凝土結(jié)構(gòu)中極易產(chǎn)生剝蝕、裂縫等，對混凝土的耐久性造成了很大的不利。本文將就以上影響該地區(qū)混凝土耐久性等因素，著重分析各種因素的破壞機理，并進行可行與可靠的檢測與預(yù)見最后有針對地提出提高混

2、凝土耐久性的措施。從而提高原材料利用率、減少維修費用和人力，盡快走上資源節(jié)約型、經(jīng)濟型社會。中文關(guān)鍵詞: 耐久性 鹽漬 凍融循環(huán) 腐蝕 破壞 防治英文關(guān)鍵詞:durability saline freeze-thaw cycle corrosion damage prevention正文:一、混凝土結(jié)構(gòu)背景要想了解外界環(huán)境對混凝土耐久性的影響，就必須首先要了解混凝土自身結(jié)構(gòu)和特性，組成成分和內(nèi)部構(gòu)造等方面著手進行，同時這些問題的闡明為明確各種因素對混凝土的破壞作用和防護措施提供了可靠的理論和實踐依據(jù)?；炷粒喎Q為“混凝土（tóng）”：是指由膠凝材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的

3、統(tǒng)稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作集料；與水（或加入外加劑和摻合料）按一定比例配合，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應(yīng)用于土木工程。而以混凝土為主要材料建造的，包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等稱為混凝土結(jié)構(gòu)。素混凝土材料具有較高的抗壓強度，而抗拉強度卻很低，故一般在以受壓為主的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中采用，如柱墩、基礎(chǔ)墻等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理地利用了鋼筋和混凝土兩者性能特點，可形成強度較高，剛度較大的結(jié)構(gòu)，其耐久性和防火性能好，可模性好，結(jié)構(gòu)造型靈活，以及整體性、延性好，適用于抗震結(jié)構(gòu)等特點，因而在建筑結(jié)構(gòu)及其他土木工程中得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力

4、混凝土由于合理有效地利用高強度鋼材，從而節(jié)約鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重。由于抗裂性高，可建造水工、儲水和其它不滲漏結(jié)構(gòu)。二、西北地區(qū)耐久性影響因素破壞機理分析由于西部地區(qū)自身發(fā)展需要及國家西部大開發(fā)、西氣東輸?shù)日叩膶?dǎo)引，一些大型混凝土建筑正在逐步興起。西部地區(qū)寒冷干燥、溫差較大、鹽積層廣泛給橋梁混凝土的施工養(yǎng)護和后期材料性質(zhì)帶來不利影響。下面就凍融循環(huán)、鹽的侵蝕、碳化作用對混凝土結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響進行原理上的分析。1、凍融循環(huán)在引起混凝土耐久性破壞的因素中，凍融循環(huán)作用是最重要的因素之一，尤其在北方大部分地存在較為普遍，并對已建成的水利水電工程造成巨大破壞，有關(guān)的調(diào)查結(jié)果顯示，凍融破壞是引起北方地區(qū)混

5、凝土結(jié)構(gòu)耐久性的喪失主要原因。記錄表明一些大型的混凝土工程一般運行30年左右，有的甚至不到20年就發(fā)生了受凍破壞。如云峰重力壩，運行19年后下游面受凍破損顯著，表面剝蝕露出骨料，總面積約8500平方米。凍融破壞形式:混凝土凍融破壞有兩種基本形式凍脹開裂和凍融剝蝕。凍脹開裂的特征是混凝土產(chǎn)生裂縫，裂縫在表面連結(jié)的同時向內(nèi)部擴展延伸；鹽凍剝蝕破壞是典型的凍融剝蝕破壞形式。凍融循環(huán)破壞機理： 混凝土的抗凍性是混凝土受到物理作用(干濕變化、溫度變化、凍融變化等)后反映混凝土耐久性的重要指標之一?；炷羶鋈谧饔闷茐臋C理是混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在

6、某負溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力；其二是當毛細孔水結(jié)成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中的水的冰點隨著孔徑的減小而降低。當膠凝孔水形成冰核的溫度在-78 以下時，由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。另外膠凝不斷增大，形成更大膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，當經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大。發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。 2、氯離子

7、銹蝕和鋼筋的碳化鋼筋是 混凝土結(jié)構(gòu)中重要的受力部件。鋼筋主要受拉 混凝土主要受壓。鋼筋可分為受力筋和構(gòu)造筋，受力筋又分主筋和腹筋，腹筋又分箍筋和彎起筋。受力筋就是承受拉壓應(yīng)力的鋼筋， 構(gòu)造筋包括支撐鋼筋網(wǎng)架等等構(gòu)造作用。因此研究外界因素對鋼筋的破壞對了解混凝土耐久性影響因素具有重要的作用。西北地區(qū)混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是鹽漬土中氯離子侵蝕，二是大氣中的二氧化碳使混凝土產(chǎn)生中性化。(1)氯離子銹蝕氯離子進入混凝土中通常有兩種途徑：一是“混入”，如施工時摻用含氯離子成分的外加劑、施工用水含氯離子、在含鹽環(huán)境中拌制和澆筑混凝土等；其二是“滲入”，環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷

8、滲入到混凝土中，并通過長期滲透到達鋼筋表面。“混入”現(xiàn)象大都是施工管理的問題i而“滲入”現(xiàn)象則是混凝土表面裂縫等技術(shù)問題，與混凝土材料的多孔性、密實性、工程質(zhì)量以及鋼筋表面混凝土保護層厚度，使用現(xiàn)場環(huán)境等多種因素相關(guān)。氯離子銹蝕破壞機制:1)、破壞鋼筋表面鈍化膜 水泥水化的高堿性使混凝土內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的，當pH<l15時，膜層就開始不穩(wěn)定；當pH<9，88時該鈍化膜生成困難，或?qū)⒁呀?jīng)生存的鈍化膜逐漸破壞。氯是極強的去鈍化劑，它進入混凝土到達鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋

9、表面逐漸產(chǎn)生腐蝕。2）、在鋼筋表面逐漸形成腐蝕電池，如果在大面積的鋼筋表面上形成高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻性腐蝕，但是在不均質(zhì)的混凝土中，常見的是局部坑狀腐蝕。腐蝕電池作用的結(jié)果是，在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑，由于大陰極對應(yīng)于小陰極，蝕坑發(fā)展迅速很快。3）、加速了去極化作用 氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用?；炷林新入x子的存在強化了離子通道，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程，使鋼筋承載力大幅度下降。(2)、鋼筋碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著服役時間的延長,受設(shè)計、施工和周圍大氣環(huán)境作用的影響,逐漸出現(xiàn)了老化現(xiàn)象,其中,大氣環(huán)

10、境下保護層混凝土碳化是造成結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要原因之一。嚴重時,保護層混凝土因碳化而出現(xiàn)銹脹開裂,不得不提前維修甚至大修。西北地區(qū)降雨較少,蒸發(fā)量大,給混凝土結(jié)構(gòu)的施工養(yǎng)護和后期材料性質(zhì)帶來不利影響。碳化機制: 大氣環(huán)境下,混凝土碳化是一個緩慢的破壞過程,混凝土的碳化速度與結(jié)構(gòu)混凝土保護層的質(zhì)量和大氣環(huán)境密切相關(guān)?？諝庵械亩趸?通過保護層混凝土孔隙,由外向內(nèi)進行擴散,在一定的濕度條件下,與混凝土中的Ca (OH) 2 反應(yīng)生成CaCO3。由于碳化后的混凝土堿度降低,將造成鋼筋表面鈍化膜破壞,保護層混凝土失去對鋼筋的保護作用。野外暴露環(huán)境中的水、氧氣會通過保護層擴散到鋼筋和混凝土界面,使鋼筋

11、發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。由于鋼筋銹蝕后體積較原體積增大24倍,銹蝕層會導(dǎo)致保護層脹裂。開裂后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會以更快的銹蝕速度劣化,最后導(dǎo)致耐久性失效、結(jié)構(gòu)承載能力下降甚至誘發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。在干旱地區(qū)施工的混凝土橋梁,由于表層混凝土干燥快、水化不充分等原因,在高原環(huán)境強烈的溫差變化和風(fēng)效應(yīng)影響下,混凝土的收縮和脆性的增加,造成混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋,使酸性氣體在普通混凝土中擴散速度較快,這對野外暴露環(huán)境下橋梁混凝土的抗碳化性能是不利的。3、硫酸鹽的腐蝕破壞作用硫酸鹽的腐蝕破壞作用，有別于氯鹽，其主要破壞對象是混凝土本身。雖然硫酸鹽也對鋼筋有腐蝕作用，但同等量的危害能力僅相當于氯鹽的14。硫酸鹽與混凝土

12、中的水泥水化物起化學(xué)反應(yīng)，從而引起混凝土的微觀或宏觀破壞。硫酸鹽破壞機制: 硫酸鹽對混凝土的破壞，硫酸鹽對硬化水泥的腐蝕屬于膨脹性腐蝕，在侵蝕過程的初始階段，由于硫酸鹽在混凝土空隙中逐漸形成積聚，從而使混凝土的相對密度和強度有所增加，當混凝土中的孔隙和毛細孔中的結(jié)晶體繼續(xù)增長而明顯膨脹的時候，如芒硝與混凝土中Ca(OH)2反應(yīng)生成石膏，可使體積膨脹約2倍。石膏進一步與混凝土中鋁酸三鈣反應(yīng)，生成硫鋁酸鈣，其體積又可膨脹2倍。由此產(chǎn)生的巨大應(yīng)力，足以引起混凝土微觀結(jié)構(gòu)甚至宏觀破壞。此外，硫酸鹽滲入混凝土中，在干濕交替的條件下，發(fā)生結(jié)晶也能引起體積膨脹，稱作結(jié)晶侵蝕。當溫度變化時，硫酸鹽發(fā)生晶變，伴

13、之以體積膨脹。三、針對以上問題提出幾點防治措施和預(yù)見手段針對混凝土耐久性的問題，從根源直接解決存在一定的困難，因為改變環(huán)境的可能性不大，所以只能針對機理，采取間接防護的措施來阻斷或減弱破壞反應(yīng)的發(fā)生。同時為了避免不必要的損失，要定期對混凝土耐久性進行評估，這也就需要一定的標準，所以先進的預(yù)見手段和模型的出現(xiàn)是不可或缺的。1、防凍融措施:(1) 、設(shè)計上的構(gòu)造措施混凝土構(gòu)筑物的構(gòu)造措施應(yīng)充分考慮構(gòu)筑物各部分的形狀、裂縫的防止措施、保溫措施、外裝材料的選用、防水方法等，以防止凍害的發(fā)生。由于混凝土產(chǎn)生凍害的最根本原因是水分的存在和環(huán)境溫度的變化，因此應(yīng)采取措施防止混凝土吸收水分，并避免構(gòu)件的反復(fù)凍

14、融。（2）、 原材料以及混凝土配合比優(yōu)先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，選擇合理的骨料，減少孔隙。降低其吸水率。加入引氣劑或引氣減水劑是防止混凝土凍害的攝有效措菔。引氣劑使混凝土拌合物泌水量降低3O 4O，因此泌水通道的毛細管也相應(yīng)減少。同時大量封閉的微小氣泡的存在，堵塞或隔斷了混凝土毛細管滲水通道，改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土抗?jié)B性提高，降低了含水量。另外，氣泡有較大的彈性變形能力，對由于結(jié)冰所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力有一定的緩沖作用，因而混凝土的抗凍性得到提高，耐久性也隨之提高。加入減水劑也能夠提高混凝土的抗凍融性能。這是因為某些水灰比很小的混凝土雖未加入引氣劑，但因為混凝土結(jié)構(gòu)致密，混凝土中的水

15、分不結(jié)冰或很少結(jié)冰，從而提高抗凍融性。但減水劑和引氣劑同時使用時應(yīng)注意它們的相容性。（3）施工措施1)混凝土生產(chǎn)過程中應(yīng)控制好骨料的吸水率、混凝土的坍落度、水灰比與含氣量等。2)混凝土拌合料在運輸過程中應(yīng)控制好含氣量，其變化率不應(yīng)大于1。3)混凝土拌合料的澆注與振搗應(yīng)避免產(chǎn)生施工縫、蜂窩、麻面、塑性裂縫等影響混凝土抗凍性的缺陷。4)混凝土表層如果過早地失去水分，會使表層水化不充分，并產(chǎn)生多孔的疏松層，降低其抗凍性。因此剛澆注的混凝土應(yīng)充分濕潤養(yǎng)護，避免過早失去水分。2、抗氯離子及碳化措施 （1）結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土。側(cè)重于高性能、抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性、強度等。同時，充分的濕養(yǎng)護是使其獲得高強度、

16、低孔隙率和高抗氯離子擴散能力所必不可少的。（2）協(xié)同保護:采用高性能混凝土來控制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，再用鋼筋阻銹劑抑制腐蝕，最后用具有一定彈性的涂層封閉涂裝，以起到協(xié)同保護作用。這樣鋼筋阻銹劑起到。拾遺補缺”的作用，有效地阻止鋼筋腐蝕發(fā)生，從而延長鋼筋混凝土的使用耐久壽命。(3)涂料涂刷結(jié)構(gòu)表面層保護:鋼筋混凝土中實施涂料涂裝保護是一種經(jīng)濟實用的防腐蝕技術(shù)措施。但涂裝質(zhì)量的控制十分關(guān)鍵，因此，實施涂料涂裝的鋼筋混凝土構(gòu)件，首先必須進行控裂設(shè)計，至少達到構(gòu)件在不同工況條件下受拉彎區(qū)裂縫的縫寬基本不變，以確保涂層保護的效果。完好的混凝土保護涂層具有阻擋腐蝕性介質(zhì)與混凝土表面的接觸特點，從而延長混凝土

17、和鋼筋混凝土的使用壽命。(4)增加混凝土保護層厚度:這是提高劣質(zhì)土鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡單而且經(jīng)濟有效的方法。不僅可以防止氯離子的腐蝕還可以防止鋼筋的碳化。但是保護層厚度并不能無限制地增加。當保護層厚度過厚時，混凝土材料本身的脆性和收縮會導(dǎo)致混凝土保護層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用，在正常情況下接觸鹽漬土結(jié)構(gòu)件保護層厚度不小于40mm為宜。3、抗硫酸鹽侵蝕措施(1)降低水泥熟料中的C3A與C3S含量:我國水泥工業(yè)生產(chǎn)的水泥主要是硅酸類水泥, 水泥石結(jié)構(gòu)中的氫氧化鈣和水化鋁酸的多少, 主要取決于硅酸鹽水泥熟料中的硅酸三鈣C3S與鋁酸三鈣C3A兩種礦物成分的多少和水泥中熟料的數(shù)量。

18、為了提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性, 減少或控制水泥熟料中的C3A和C3S的含量是最為有效的措施之一。(2)摻優(yōu)質(zhì)礦物摻合料:在混凝土中摻入適量的火山灰質(zhì)礦物摻合料、粉煤灰、礦渣微粉、硅粉等取代部分水泥, 可有效地改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。摻合料取代部分水泥, 將沖淡水泥中的C3S與C3A含量, 相當于混凝土所用的材料是低C3A和C3S水泥,它是抗硫酸鹽侵蝕的有效措施之一。其次摻合料與水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca( OH) 2 起化學(xué)反應(yīng)生成CSH 凝膠, 除了能消除一部分Ca( OH) 2 外, 還能提高混凝土的強度。Ca( OH) 2 的消除會減輕其膨脹危害, 強度的提高能限制其膨脹破壞。4、混

19、凝土耐久性預(yù)測 近幾年, 不僅預(yù)測氯離子腐蝕, 而且相關(guān)硫酸鹽腐蝕、凍融、堿集料反應(yīng)等的“模型”也在發(fā)展中。目標是建立“復(fù)合型”預(yù)測模型, 考慮的復(fù)合因素包括:傳質(zhì)機理:離子擴散、離子移動、電偶極、微觀裂紋、宏觀裂紋;化學(xué)作用: 化學(xué)反應(yīng)、內(nèi)部環(huán)境;腐蝕科學(xué): 腐蝕開始、腐蝕發(fā)展、破壞曲線;暴露條件: 微觀與宏觀、可變性與循環(huán)、區(qū)域范圍;破壞機理: 氯離子腐蝕、碳化、硫酸鹽腐蝕、堿集料反應(yīng)、滯后鈣礬石形成、凍融;模型功能: 保護與修復(fù)策略、可靠度、全壽命經(jīng)濟分析、新結(jié)構(gòu)與老結(jié)構(gòu)模型。新的模型( SUMMA) , 可適用于新、老結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測。所有防護技術(shù)都包括在模型內(nèi), 還包括修復(fù)、防護技術(shù)。

20、但使用者必須正確選擇可變化因素, 如混凝土配比、混凝土層厚、阻銹劑、各類鋼筋、外涂層等。通過優(yōu)選對比, 得到給定壽命前提下的不同經(jīng)濟成本的比較, 從中確定最低成本。復(fù)合型“模型”, 較之“單一型”有了突破性進展, 但給“模型”使用者仍然留下很大空間, 而且“模型”更著重于防腐蝕策略的選擇和技術(shù)經(jīng)濟的優(yōu)化, 這需要使用者有選擇、判斷和正確決策的能力。結(jié)論:混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個涉及環(huán)境、材料、設(shè)計、施工等多種因素的復(fù)雜問題，要解決好這個問題需要進行多方面的工作。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性應(yīng)由正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇以及嚴格的施工質(zhì)量來保證，同時應(yīng)注意對其在使用階段實行必要的管理和維護。只有這樣，才能保證和提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，才能保證我國建筑事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.影響結(jié)