論混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性
吳玉鳳 
摘 要 : 混凝土一直被認(rèn)為是一種耐久性良好的材料，因?yàn)椴簧儆闷浣ㄔ斓慕Y(jié)構(gòu)物在建成多年以后仍然在正常使用�；炷�土的耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)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(hù)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(huì)造成不同的后果。許多大型結(jié)構(gòu)物的興建，對(duì)使用壽命提出了較以往更高的要求，達(dá)到100年甚至更長(zhǎng)�；炷�土結(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(wèn)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(guò)程中，應(yīng)該進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)。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(jī)理分析﹑混凝土缺陷檢測(cè)﹑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(cè) 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(fèi)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)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)中，明確規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。但現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范只劃分成兩個(gè)極限狀態(tài)，即承載能力極限狀態(tài)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�土的耐久性與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。
混凝土結(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(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)、防腐措施設(shè)計(jì)、混凝土質(zhì)量控制以及現(xiàn)場(chǎng)混凝土的耐久性檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等方面。
大多數(shù)土建結(jié)構(gòu)由混凝土建造。混凝土結(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(wèn)題，并非我國(guó)所特有，長(zhǎng)期以來(lái)，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(dá)國(guó)家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過(guò)早損壞。美國(guó)許多城市的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的時(shí)期內(nèi)就出現(xiàn)劣化。據(jù)1998年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)的一份材料估計(jì)，他們需要有13 00億美元來(lái)處理美國(guó)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施工程存在的問(wèn)題，僅修理與更換公路橋梁的混凝土橋面板一項(xiàng)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(guó)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(dá)國(guó)家為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性投入了大量科研經(jīng)費(fèi)并積極采取應(yīng)對(duì)措施。如加拿大安大略省的公路橋梁為對(duì)付除冰鹽侵蝕及凍融損害，鋼筋的混凝土保護(hù)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(qiáng)度的最低等級(jí)也從50年代的C25增到后來(lái)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(jí)防水膠膜并引入環(huán)氧涂膜鋼筋。而我國(guó)遭受鹽凍侵蝕地區(qū)的公路橋梁在耐久性設(shè)計(jì)方面至今仍無(wú)明確要求，對(duì)混凝土保護(hù)層和強(qiáng)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(guó)內(nèi)按這種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(guó)建設(shè)部于80年代的一項(xiàng)調(diào)查表明，國(guó)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。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對(duì)較好，一般可維持50年以上。但室外的陽(yáng)臺(tái)、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(wèn)題更為嚴(yán)重。由于鋼筋的混凝土保護(hù)層過(guò)薄且密實(shí)性差，許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂。海港碼頭一般使用10年左右就因混凝土順筋開(kāi)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(wèn)題，有的不得不限載、大修或拆除。鹽凍也對(duì)混凝土路面造成傷害，東北地區(qū)一條高等級(jí)公路只經(jīng)過(guò)一個(gè)冬天就大面積剝蝕。
由于混凝土的質(zhì)量檢驗(yàn)習(xí)慣上以單一的強(qiáng)度指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致水泥工業(yè)對(duì)水泥強(qiáng)度的不適當(dāng)追求，使水泥細(xì)度增加，早強(qiáng)的礦物成份比例提高，這些都不利于混凝土的耐久性。我國(guó)對(duì)水泥質(zhì)量的檢驗(yàn)在強(qiáng)度上只要求不低于規(guī)定的最低許可值，而國(guó)外則同時(shí)要求不高于規(guī)定的最高值，如果強(qiáng)度超過(guò)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(lái)保證混凝土強(qiáng)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(guó)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(dòng)排放總量的1/5～1/6，而我國(guó)排放的二氧化碳量已居世界第二。我國(guó)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(zhǎng)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(hù)的需要。國(guó)際上對(duì)橋梁、隧道等土木工程的設(shè)計(jì)工作壽命多為100年，有的如英國(guó)為120年�？紤]到耐久性不足所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，國(guó)際上近年來(lái)有要求將這些工程的最低工作壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)的趨勢(shì)，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(jī)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。混凝土凍融作用破壞機(jī)理是混凝土在其凍融的過(guò)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(shí)，由凝膠孔中過(guò)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(diǎn)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(shí)，由冰與過(guò)冷水的飽和蒸汽壓差和過(guò)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(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大。發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(hù)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(tái)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(yáng)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(kāi)始于擴(kuò)展階段。只要混凝土保護(hù)層上無(wú)裂縫，那么鋼筋銹蝕過(guò)程就是：混凝土完全碳化以后，鋼筋失去鈍化膜的保護(hù)，隨著水分和氧的入侵，鋼筋表面逐漸銹蝕。如果保護(hù)層混凝土上出現(xiàn)裂縫，那么即使保護(hù)層混凝土尚未完全碳化，鋼筋也會(huì)銹蝕，同時(shí)裂縫的出現(xiàn)也會(huì)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(kuò)散幾乎與裂縫的寬度無(wú)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能，使混凝土避免出現(xiàn)裂縫和微裂縫，其意義與增強(qiáng)抗碳化能力，對(duì)護(hù)筋性同樣重要。

三、混凝土缺陷檢測(cè)
　　結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的概念，與使用階段的檢測(cè)、維護(hù)和修理不能分割，對(duì)處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程來(lái)說(shuō)尤其如此為了保證結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用過(guò)程中，應(yīng)該進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)。我國(guó)有結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)規(guī)范與施工規(guī)范，但沒(méi)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(mén)大橋發(fā)生橋面坍落事故，就是因?yàn)闃蛎娼Y(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(cè)要求，這樣的事故很有可能避免。有些國(guó)家對(duì)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(qiáng)制規(guī)定必須定期檢測(cè)。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(qiáng)制定期檢測(cè)的要求。我國(guó)由于施工管理水平和操作人員的素質(zhì)相對(duì)較差，質(zhì)量控制與質(zhì)量保證制度不夠健全，規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)安全與耐久性的設(shè)置水準(zhǔn)又相對(duì)較低，己建的工程中往往存在較多隱患，所以更有必要從法制上確定土建工程的正常使用和定期檢測(cè)的要求。對(duì)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(jì)與施工的責(zé)任單位和個(gè)人需對(duì)其“終身負(fù)責(zé)的規(guī)定，但是這種要求執(zhí)行起來(lái)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(guò)例行檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。
從國(guó)家對(duì)公共工程建設(shè)的投資和對(duì)工程設(shè)計(jì)的要求來(lái)看，需要有工程整個(gè)使用期限，即全壽命費(fèi)用支出的論證。只注意工程項(xiàng)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(hù)與修理的長(zhǎng)期費(fèi)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(jì)上算總賬也很不合算。在發(fā)達(dá)國(guó)家，由于新建工程少，用于維修的費(fèi)用往往更為主要，英國(guó)1978年的土建維修費(fèi)上升到1965年的3.7倍，1980年的維修費(fèi)占當(dāng)年土建費(fèi)用總支出的213。我國(guó)雖是發(fā)展中國(guó)家，現(xiàn)在正大興土木，可是過(guò)去建成的大量工程已經(jīng)或過(guò)早老化。國(guó)內(nèi)40%公路橋梁的橋齡已大于25年，加上進(jìn)入200年以后家庭轎車時(shí)代的來(lái)臨，交通量猛增，超載嚴(yán)重，以往的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)又低，路、橋的維修問(wèn)題十分突出。由于養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)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(fèi)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(shí)發(fā)出瞬態(tài)振動(dòng)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(hào)放大器、信號(hào)調(diào)節(jié)器和磁帶記錄儀等組成測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)混凝土構(gòu)件受力產(chǎn)生的應(yīng)變超過(guò)其彈性極限點(diǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生小振幅彈性波，波向構(gòu)件表面?zhèn)鞑ィ瑫?huì)被放置在構(gòu)件表面上的傳感器探測(cè)到，根據(jù)不同探測(cè)位置上的應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間差可以確定變形點(diǎn)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(cè)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(shí)才能應(yīng)用，在靜荷載下不能單獨(dú)測(cè)量混凝土的損傷或破壞。
　　（二）雷達(dá)法。雷達(dá)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(shí)，雷達(dá)掃描波形圖會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)雷達(dá)掃描波形圖，即可分析混凝土的缺陷。
　�。ㄈ�）紅外線熱譜法。紅外線熱譜法又稱紅外掃描，是通過(guò)測(cè)量和記錄混凝土結(jié)構(gòu)熱發(fā)射來(lái)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(shí)，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(shù)脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂層，這種鋼筋保護(hù)層能長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋使其免遭腐蝕。此外，在混凝土表面涂層也是簡(jiǎn)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(dòng)性的同時(shí)，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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，如耐銹鋼筋、阻銹鋼筋等。
（二）避免或減輕堿集料反應(yīng)�；炷�土堿集料反應(yīng)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反應(yīng)的骨料時(shí)，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(qiáng)劑帶來(lái)高含量的堿，為預(yù)防堿集料反應(yīng)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)外摻劑的使用提出要求。
　�。ㄈ�）加強(qiáng)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(hù)制度，可以用表面養(yǎng)護(hù)劑來(lái)改善養(yǎng)護(hù)條件，提高保水性，加速表面硬化。混凝土構(gòu)件的侵蝕病害都是從表面開(kāi)始的，在混凝土終凝前做好原漿抹面壓光，增強(qiáng)表面密實(shí)度，也可采用表面浸漬和表面涂覆的手段來(lái)降低混凝土表面滲透性。
　�。ㄋ模┓乐够炷�土的凍融破壞�；炷�土的組成、配合比、養(yǎng)護(hù)條件和密實(shí)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(shí)，應(yīng)避免采用吸水率較高的集料，加強(qiáng)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(qiáng)度不降低，甚至有所提高。
　　（五）拌合及養(yǎng)護(hù)用水�；炷�土拌合及養(yǎng)護(hù)用水，應(yīng)考慮其對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。水灰比的大小很大程度影響混凝土強(qiáng)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(shí)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(duì)水泥石有腐蝕作用外，對(duì)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(hù)。
　�。�六）針對(duì)不同的腐蝕環(huán)境應(yīng)設(shè)計(jì)不同的保護(hù)層厚度。如一類環(huán)境(室內(nèi)正常環(huán)境)，設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)符合下列規(guī)定：混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)按規(guī)范的規(guī)定增加40％；當(dāng)采取有效的表面防護(hù)措施時(shí)，混凝土保護(hù)層厚度可適當(dāng)減少。混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件宜整體澆筑，不宜留施工縫。當(dāng)必須有施工縫時(shí)，其位置及構(gòu)造不得有損于結(jié)構(gòu)的耐久性。
五、總結(jié)
　　混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)涉及環(huán)境、材料、設(shè)計(jì)、施工等多種因素的復(fù)雜問(wèn)題，要解決好這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)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(jì)、材料選擇以及嚴(yán)格的施工質(zhì)量來(lái)保證，同時(shí)應(yīng)注意對(duì)其在使用階段實(shí)行必要的管理和維護(hù)。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(guó)建筑事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
　　
 

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