論混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

論混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性摘要:混凝土一直被認(rèn)為是一種耐久性良好的材料，因為不少用其建造的結(jié)構(gòu)物在建成多年以后仍然在正常使用。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的作用，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，混凝土質(zhì)量及其保護層是內(nèi)在因素；環(huán)境與載荷作用則是外在因素，不同的原因會造成不同的后果。許多大型結(jié)構(gòu)物的興建，對使用壽命提出了較以往更高的要求，達到100年甚至更長?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)前困擾土建基礎(chǔ)設(shè)施工程的世界性問題。為了保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用過程，中應(yīng)該進行定期檢測和維護。首先討論了混凝土耐久性的概念，接著分析了混凝土凍融作用破壞機理分析﹑混凝土缺陷檢測﹑提高混凝土耐久性的措施，最后做了總結(jié)。[關(guān)鍵詞]混凝土混凝土耐久性混凝土凍融及鋼筋銹蝕混凝土缺陷檢測結(jié)構(gòu)耐久性一、混凝土耐久性的概念混凝土耐久性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在各種環(huán)境條件作用下，不需要額外的費用加固處理而保持其安全性、正常使用和可接受的外觀能力?，F(xiàn)行(gb50010-2002)，中明確規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計采用極限狀態(tài)設(shè)計方法。但現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范只劃分成兩個極限狀態(tài)，即承載能力極限狀態(tài)國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和正常使用極限狀態(tài)，而將耐久性能的要求列入正常使用極限狀態(tài)之中。且以構(gòu)造要求為主?；炷恋哪途眯耘c工程的使用壽命相聯(lián)系，是使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)保持正常功能的能力，這一正常功能不僅包括結(jié)構(gòu)的安全性，而且更多地體現(xiàn)在適用性上?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性基本內(nèi)容很廣泛，涉及結(jié)構(gòu)的總體布置、材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計、防腐措施設(shè)計、混凝土質(zhì)量控制以及現(xiàn)場混凝土的耐久性檢測與監(jiān)測等方面。大多數(shù)土建結(jié)構(gòu)由混凝土建造?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)前困擾土建基礎(chǔ)設(shè)施工程的世界性問題，并非我國所特有，長期以來，人們一直以為混凝土是非常耐久的材料。直到70年代末期，發(fā)達礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過早礎(chǔ)設(shè)施工程和港口工程建成后不到國家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基損壞。美國許多城市的混凝土基二、三十年甚至在更短的時期內(nèi)就出現(xiàn)劣化。據(jù)1998年美國土木工程學(xué)會的一份材料估計，他們需要有13億00美元來處理美國國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施工程存在的問題，僅修理與更換公路橋梁的混凝土橋面板一項就需80億美元，而現(xiàn)在聯(lián)邦政府每年為此的撥款只有50一60億美元。另有資料指出，美國因除冰鹽引起鋼筋銹蝕需限載通行的公路橋梁己占這一環(huán)境下橋梁的114。發(fā)達國家為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性投入了大量科研經(jīng)費并積極采取應(yīng)對措施。如加拿大安大略省的公路橋梁為對付除冰鹽侵蝕及凍融損害，鋼筋的混凝土保護層最小厚度從50年代的2.5cm逐漸增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm，而混凝土強度的最低等級也從50年代的c25增到后來的c40，橋面板混凝土從不要求外加引氣劑、不設(shè)防水層到必須引氣以及需要設(shè)置高級防水膠膜并引入環(huán)氧涂膜鋼筋。而我國遭受鹽凍侵蝕地區(qū)的公路橋梁在耐久性設(shè)計方面至今仍無明確要求，對混凝土保護層和強度的要求僅為2.5cm與c25，與上面提到的加拿大50年代水準(zhǔn)一致。國內(nèi)按這種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的一座橋梁僅使用十年，就由于鹽凍侵蝕，現(xiàn)已不得不部分拆除重建。我國建設(shè)部于80年代的一項調(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)環(huán)酷境下的建筑物使用壽命僅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對較好，一般可維持50年以上。但室外的陽臺、雨罩等露天構(gòu)件的使用壽命通常僅有30～40年。橋梁、港工等基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性問題更為嚴(yán)重。由于鋼筋的混凝土保護層過薄且密實性差，許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂。海港碼頭一般使用10年左右就因混凝土順筋開裂和剝落，需要大修。京津地區(qū)的城市立交橋由于冬天灑除冰鹽及冰凍作用，使用10幾年后就出現(xiàn)問題，有的不得不限載、大修或拆除。鹽凍也對混凝土路面造成傷害，東北地區(qū)一條高等級公路只經(jīng)過一個冬天就大面積剝蝕。由于混凝土的質(zhì)量檢驗習(xí)慣上以單一的強度指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致水泥工業(yè)對水泥強度的不適當(dāng)追求，使水泥細(xì)度增加，早強的礦物成份比例提高，這些都不利于混凝土的耐久性。我國對水泥質(zhì)量的檢驗在強度上只要求不低于規(guī)定的最低許可值，而國外則同時要求不高于規(guī)定的最高值，如果強度超過了也被認(rèn)為不合格，這種要求有利于水泥產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性。為了提高混凝土耐久性，在混凝土中合理使用粉煤灰、礦渣等礦物摻合料是重要的技術(shù)手段。另外，有的規(guī)范甚至規(guī)定在橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)中必須加入粉煤灰等摻合料；引氣劑也可以作為改善混凝土耐久性和工作性的常規(guī)手段；又如，希望加大水泥用量來保證混凝土強度，而盡可能低的水泥用量本應(yīng)是提高混凝土抗裂和耐久性的重要途徑。重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也是可持續(xù)發(fā)展的需要。生產(chǎn)混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗國土資源并破壞植被與河床，水泥生產(chǎn)排放的二氧化碳己占人類活動排放總量的1/5～1/6，而我國排放的二氧化碳量已居世界第二。我國現(xiàn)在每年生產(chǎn)5億多噸水泥，與之相伴的是年耗20多億方的砂石。延長結(jié)構(gòu)使用壽命意味著節(jié)約材料，而耐久的混凝土一般又應(yīng)是水泥用量較低和礦物摻合料(工業(yè)廢料)用量較高的混凝土，所以耐久的混凝土正適應(yīng)環(huán)境保護的需要。國際上對橋梁、隧道等土木工程的設(shè)計工作壽命多為100年，有的如英國為120年?？紤]到耐久性不足所造成的巨大經(jīng)濟損失和資源浪費，國際上近年來有要求將這些工程的最低工作壽命進一步延長的趨勢，如提出城市環(huán)境中的橋梁至少應(yīng)有150年。二、混凝土凍融作用破壞機理分析及鋼筋銹蝕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(biāo)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(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因受毛細(xì)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(dāng)毛細(xì)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(xì)孔隙中的水的冰點隨著孔徑的減小而降低。當(dāng)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分鹽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(dāng)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(dāng)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。鋼筋銹蝕部分的體積膨脹2～3倍，能使混凝土脹裂或剝落。近幾年來世界各地頻繁發(fā)生的鋼筋混凝土耐久性質(zhì)量事故，多半是鋼筋銹蝕造成的。一般來說，鋼筋銹蝕可分為四類：①碳化作用，使鋼筋鈍化膜失去了存在的條件；②電化學(xué)侵蝕，使混凝土喪失護筋性；③氯化物等的侵蝕，氯離子、硫酸根離子及硫離子等都是能破壞鋼筋鈍化膜的有害成分，其中，以氯離子的破壞最為劇烈。如臺灣省澎湖列島的預(yù)應(yīng)力混凝土大橋的混凝土嚴(yán)重劣化，主要是氯離子侵蝕；④應(yīng)力腐蝕斷裂，一般的應(yīng)力腐蝕斷裂是指在拉應(yīng)力和侵蝕介質(zhì)共同作用下，陽極反應(yīng)的脆性斷裂，另一種形式是由于陰極反應(yīng)，氫離子的還原反應(yīng)，發(fā)生高應(yīng)力的脆性斷裂。鋼筋銹蝕開始于擴展階段。只要混凝土保護層上無裂縫，那么鋼筋銹蝕過程就是：混凝土完全碳化以后，鋼筋失去鈍化膜的保護，隨著水分和氧的入侵，鋼筋表面逐漸銹蝕。如果保護層混凝土上出現(xiàn)裂縫，那么即使保護層混凝土尚未完全碳化，鋼筋也會銹蝕，同時裂縫的出現(xiàn)也會加速碳化，微裂縫處要比較寬的裂縫處的混凝土碳化慢些，但是氧在混凝土裂縫的擴散幾乎與裂縫的寬度無關(guān)，而氧是碳化的必備條件之一。因此粉煤灰改善混凝土的體積變化的性其意義與增強抗碳化能力，能，使混凝土避免出現(xiàn)裂縫和微裂縫，對護筋性同樣重要。三、混凝土缺陷檢測結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的概念，與使用階段的檢測、維護和修理不能分割，對處于露天和惡劣環(huán)境下的此為了保證結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用過程中，應(yīng)該進行定期檢測和維護。我國有結(jié)構(gòu)工程的基礎(chǔ)設(shè)施工程來說尤其如設(shè)計規(guī)范與施工規(guī)范，但沒有如何使用的規(guī)范。有些工程倒塌事故，例如四川宜賓的南門大橋發(fā)生橋面坍落事故，就是因為橋面結(jié)構(gòu)與主拱之間的吊桿在連接處發(fā)生銹蝕，如果有定期的檢測要求，這樣的事故很有可能避免。有些國家對于結(jié)構(gòu)的損壞可能導(dǎo)致公眾安全的建筑物與橋、隧等公共工程，強制規(guī)定必須定期檢測。即使是建筑物的玻璃幕墻和外墻面磚等建筑部件，因其墜落后容易傷及公眾，也有強制定期檢測的要求。我國由于施工管理水平和操作人員的素質(zhì)相對較差，質(zhì)量控制與質(zhì)量保證制度不夠健全，規(guī)范對結(jié)構(gòu)安全與耐久性的設(shè)置水準(zhǔn)又相對較低，己建的工程中往往存在較多隱患，所以更有必要從制法上確定土建工程的正常使用和定期檢測的要求。對于土建結(jié)構(gòu)工程的安全質(zhì)量，雖然政府己做出了設(shè)計與施工的責(zé)任單位和個人需對其“終身負(fù)責(zé)的規(guī)定，但是這種要求執(zhí)行起來缺乏可操作性.要將結(jié)構(gòu)安全質(zhì)量事故減少到最低程度，還應(yīng)以預(yù)防為主，通過例行檢測及時發(fā)現(xiàn)問題。從國家對公共工程建設(shè)的投資和對工程設(shè)計的要求來看，需要有工程整個使用期限，即全壽命費用支出的論證。只注意工程項目建設(shè)的一次投資支出，很少考慮工程建成后需要正常維護與修理的長期費用，不但可能損害工程使用壽命和正常使用功能，而且經(jīng)濟上算總賬也很不合算。在發(fā)達國家，由于新建工程少，用于維修的費用往往更為主要，英國1978年的土建維修費上升到1965年的3.7倍，1980年的維修費占當(dāng)年土建費用總支出的213。我國雖是發(fā)展中國家，現(xiàn)在正大興土木，可是過去建成的大量工程已經(jīng)或過早老化。國內(nèi)40%公路橋梁的橋齡已大于25年，加上進入200年以后家庭轎車時代的來臨，交通量猛增，超載嚴(yán)重，以往的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)又低，路、橋的維修問題十分突出。由于養(yǎng)護維修費用得不到保證，造成工程安全隱患并在以后需要支出更多的大修費用。（一）聲發(fā)射法。聲發(fā)射法是利用材料或結(jié)構(gòu)受力時發(fā)出瞬態(tài)振動現(xiàn)象的原理，在混凝土構(gòu)件表面的不同部位上放置聲傳感器，并將傳感器與信號放大器、信號調(diào)節(jié)器和磁帶記錄儀等組成測量系統(tǒng)。當(dāng)混凝土構(gòu)件受力產(chǎn)生的應(yīng)變超過其彈性極限點時就會產(chǎn)生小振幅彈性波，波向構(gòu)件表面?zhèn)鞑?，會被放置在?gòu)件表面上的傳感器探測到，根據(jù)不同探測位置上的應(yīng)力波到達時間差可以確定變形點的位置，即混凝土構(gòu)件由于受力而發(fā)生損傷的位置。用聲發(fā)射法可以檢測結(jié)構(gòu)遭受損傷的程度。但是，該方法只能在結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力增加時才能應(yīng)用，在靜荷載下不能單獨測量混凝土的損傷或破壞。（二）雷達法。雷達法是利用頻率為100～1200mhz的電磁波掃描混凝土構(gòu)件表面，當(dāng)混凝土構(gòu)件存在孔洞、裂縫、分層等缺陷時，雷達掃描波形圖會發(fā)生改變，土的缺陷。（三）紅外線熱譜法。紅外線熱譜法又根據(jù)雷達掃描波形圖，即可分析混凝稱紅外掃描，是通過測量和記錄混凝土結(jié)構(gòu)熱發(fā)射來分析判斷混凝土構(gòu)件缺陷的方法。當(dāng)混凝土中存在裂縫或不連續(xù)時，掃描儀上將顯示完好和有缺陷混凝土熱發(fā)射的差異。四、提高混凝土耐久性的措施(一）預(yù)防鋼筋的銹蝕。常用的方法有環(huán)氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環(huán)氧樹脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹脂防腐涂層，這種鋼筋保護層能長期保護鋼筋使其免遭腐蝕。此外，在混凝土表面涂層也是簡便有效的方法，但涂料應(yīng)是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。還可摻加高效減水劑，在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細(xì)孔隙率大幅度降低。還可研究新技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品，如耐銹鋼筋、阻銹鋼筋等。（二）避免或減輕堿集料應(yīng)反?；炷翂A集料應(yīng)反危害很大，一旦發(fā)生很難修復(fù)。當(dāng)混凝土使用有堿活性應(yīng)反的骨料時，必須從配合比出發(fā)，嚴(yán)格控制混凝土中的總堿含量以保證混凝土的耐久性。此外，外加劑特別是早強劑帶來高含量的堿，為預(yù)防堿集料反應(yīng)，在設(shè)計上應(yīng)對外摻劑的使用提出要求。（三）加強施工管理。嚴(yán)格控制施工配合比，攪拌必須均勻，振搗必須到位，要嚴(yán)格遵守養(yǎng)護制度，可以用表面養(yǎng)護劑來改善養(yǎng)護條件，提高保水性，加速表面硬化?；炷翗?gòu)件的侵蝕病害都是從表面開始的，在混凝土終凝前做好原漿抹面壓光，增強表面密實度，也可采用表面浸漬和表面涂覆的手段來降低混凝土表面滲透性。（四）防止混凝土的凍融破壞?；炷恋慕M成、配合比、養(yǎng)護條件和密實度決定了其在飽水狀態(tài)下抵抗凍融破壞的能力，目前只有加氣混凝土才能有效提高混凝土的抗凍性。引氣是提高混凝土抗凍性的主要參數(shù)。一般引氣量4％-8％，同時，應(yīng)避免采用吸水率較高的集料，加強排水以免混凝土結(jié)構(gòu)被水飽和。在混凝土中摻加優(yōu)質(zhì)引氣型高效減水劑，既能獲得大量均勻分布的微小氣泡，顯著提高抗凍性，又能大幅度減小w／c，從而保證混凝土強度不降低，甚至有所提高。（五）拌合及養(yǎng)護用水?；炷涟韬霞梆B(yǎng)護用水，應(yīng)考慮其對混凝土強度的影響。水灰比的大小很大程度影響混凝土強度值的大小。拌合水應(yīng)檢查其雜質(zhì)情況，防止影響砂漿及混凝土生成時雜質(zhì)影響其耐久性。海水中含有硫酸鹽、鎂鹽和氯化物，除了對水泥石有腐蝕作用外，對鋼筋的腐蝕也有影響，因此在腐蝕環(huán)境中的混凝土不宜采用海水拌制和養(yǎng)護。（六）針對不同的腐蝕環(huán)境應(yīng)設(shè)計不同的保護層厚度。如一類環(huán)境(室內(nèi)