钢筋混凝土耐久性的影响因素及对策研究

关键词：钢筋混凝土；耐久性；影响因素

　　长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年的发展中，其强度不断提高。但是，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。

　　人们一直以为混凝土是非常耐久的材料，直到20世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后20~30年，甚至在更短的时期内就出现劣化。

　　我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25~30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50 年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30~40年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。

　　当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达2万亿元人民币以上，约30~50 年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有“大修”20 年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。



1 影响钢筋混凝土耐久性的因素及其破坏机

1.1 混凝土耐久性的概念

　　混凝土耐久性是指混凝土在设计寿命周期内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需要进行维修加固，即指混凝土在抵抗周围环境中各种物理和化学作用下，仍能保持原有性能的能力。混凝土工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。混凝土耐久性主要包括以下几方面：一是抗渗性。即指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时控制混凝土受热或受冷时水的移动。二是抗冻性。混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次抵抗冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。三是抗侵蚀性。混凝土暴露在有化学物质的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏。一般的化学侵蚀有水泥浆体组分的浸出、硫酸盐侵蚀、氯化物侵蚀、碳化等。四是碱集料反应。某些含有活性组分的骨料与水泥水化析出的KOH和NaOH 相互作用，对混凝土产生破坏性膨胀，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。



1.2 影响混凝土耐久性的主要因素

　　一般混凝土工程的使用年限约为50~100年，但实际中有不少工程在使用10~20年，有的甚至在使用几年后即需要维修，这就是由于混凝土耐久性低（不足）造成的。影响混凝土耐久性的原因错综复杂，除去社会因素、人为因素外，技术方面的主要因素有以下几点。



1.2.2 混凝土的碳化

　　混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是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。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜8 钝化膜9 遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。所以说，混凝土的碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构可靠度的重要指标。



1.2.2 混凝土的冻融破坏

　　混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和用水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积，另外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结成冰后会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，这样使得胶凝孔中的水向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，胶凝孔向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中冰的体积进一步膨胀。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐减低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。



1.2.3 侵蚀性介质的腐蚀

　　在各种侵蚀性介质如酸、碱溶液等作用的环境下，侵蚀性介质对混凝土产生腐蚀，最终可能导致结构破坏。

　　在冬季，为保证公路交通的畅通，道路养护人员向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水，以化雪和放冰，这使得氯离子进入混凝土结构的内部。在混凝土结构使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件中，氯化物是最危险的侵蚀介质，应引起高度重视。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理，一是破坏钝化膜，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，使该处呈酸性，从而破坏了钢筋表面的钝化膜；二是形成腐蚀电池，腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑，且蚀坑发展十分迅速；三是去极化作用，氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用，即凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始地起到破坏作用，这也是氯离子危害的特点之一。



1.2.4 混凝土碱集料反应

　　混凝土碱集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，集料中活性材料主要是SiO2和硅酸盐、碳酸盐等。 

　　混凝土碱集料反应分为3种：碱—硅反应，碱—碳酸盐反应和碱—硅酸盐反应。其中碱—硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布，故裂缝首先在混凝土表面无序、大量产生，随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速降低。

　　引起碱集料反应的3个条件中有2个来自混凝土内部，一是混凝土中掺入了一定数量的碱性物质，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境；二是集料中有一定数量的碱活性骨料（如含SiO2的骨料） ；三是潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所需要的水分。在干燥条件下碱集料反应难以发生。 

　　混凝土发生碱集料反应破坏的特征：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物；而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱—集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，又会使裂缝扩大。若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这样就造成了混凝土工程的综合性破坏。



1.2.5 钢筋锈蚀

　　混凝土在一种或多种外界作用下，材料的耐久性能会发生衰退，逐渐降低了对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况时，钢筋失去了碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀也是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接的因素。

　　混凝土中的钢筋锈蚀一般是电化学锈蚀。电化反应的必要条件是钢筋表面呈活化状态且同时存在水和CL- 。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素，CL- 侵入也可使钢筋表面钝化膜迅速破坏。

　　根据钢筋锈蚀区的分布将钢筋锈蚀分为两类：其一，裂缝处锈蚀。构件混凝土表面可能由于荷载作用产生结构性裂缝，或因干缩、湿度应力、碳化、碱集料反应等产生非结构性裂缝。当环境中的水、氧、CL-沿裂缝侵入时，造成裂缝处的钢筋产生锈蚀。其二，普遍锈蚀。当混凝土碳化至钢筋表面时，一旦存在水、氧、CL- 等条件时，首先在裂缝处出现钢筋坑蚀，进而发展为钢筋横向的环状锈蚀，最终沿钢筋纵向扩展为片状锈蚀。成片的锈蚀因其体积膨胀导致混凝土沿钢筋布置方向发生混凝土保护层裂缝。



2 提高混凝土耐久性的措施

　　如前分析，不论是上述哪一种因素主导着混凝土的劣化过程，其共同点是混凝土内有充足的水分和其他有害物质的侵入。要提高混凝土耐久性，满足耐久性要求，必须降低混凝土的孔隙率，特别是降低毛细管孔隙率，即混凝土必须有足够的密实性并且不出现有害裂缝，从而能够抵抗水分和侵蚀性介质的渗入。

　　针对影响混凝土耐久性的因素，采取的措施多种多样，归纳起来主要有以下几点：

　　（1） 提高混凝土抗碳化能力。碳化对混凝土结构耐久性影响主要是使混凝土碱度降低，进而钢筋脱钝、锈蚀。为此必须减小、延缓混凝土的碳化。钢筋外留下足够的混凝土保护层厚度是简单有效的方法；混凝土配合比将影响碳化速度，足够的水泥用量、降低水灰比、采用减水剂都可减缓碳化速度。此外，提高混凝土密实性、增强抗渗性、对混凝土采用覆盖面层等措施可减缓或隔离CO2向混凝土内部渗透，大大提高混凝土抗碳化能力。

　　（2） 防止混凝土的冻融破坏。冻融破坏在我国北方寒冷地区大量出现。防止冻融破坏主要措施是降低水灰比、使用引气技术（加引气剂） 。但是，由于引入空气微泡会降低混凝土强度，加之市场上引气剂品种繁多，质量参差不齐，故在工程使用时应慎重选用。

　　（3） 预防侵蚀性介质的腐蚀。在我国侵蚀性介质对混凝土结构危害最严重的应是氯盐的影响。提高混凝土抗氯离子渗透能力的措施是限制水灰比，保证最低水泥用量以确保碱度，掺入适量优质掺和料（ 粉煤灰、磨细矿渣、硅灰）等。

　　（4） 减轻混凝土碱集料反应。混凝土碱集料反应危害很大，而且一旦发生很难修复。但在我国由于碱集料反应引起开裂的实例很少见。这是因为我国混凝土强度等级较国外低，水泥用量少，总碱量低。另外，我国水泥中普遍掺有15%以上碎矿渣、粉煤灰、沸石粉等混合料，有效抑制了可能发生的碱集料反应。但随着混凝土强度提高，水泥用量增加，同时水泥生产工艺的改变，混凝土含碱量已在明显提高。由于大量基建项目的兴建，骨料来源减少，劣质骨料可能被采用，施工队伍素质等问题也将提高碱集料反应几率，故应采取有效预防措施。当混凝土使用有碱活性反应的骨料时，配合比必须控制混凝土中的总碱含量以保证混凝土的耐久性；粉煤灰能抑制碱集料反应，但是如掺量小于10% ，有时反而会增加膨胀。外加剂特别是早强剂带来高含量的碱。我国目前仅外加剂提供的碱量有时竟高于国外限制混凝土总碱量，如复合早强剂（ 硫酸钠、氧化钠、氧化钙、亚硝酸钠为主要成分） 带入混凝土的碱为3．13kg/m3~6．80kg/m3，早强减水剂（硫酸钠、木质素为主要成分） 带入碱为1．31kg/m3~3．93kg/m3。目前，混凝土施工常因工期要求掺入早强剂等外加剂，为预防碱集料反应，在设计上应对外掺剂的使用提出要求。

　　（5） 钢筋锈蚀的预防。对钢筋锈蚀问题，可以采用的表面保护措施有：环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层，这种钢筋保护层即使氯离子、氧等大量侵入混凝土时也能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。另外，在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，涂料应是耐碱、耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料。此外，自20世纪60~70年代起，国内外都开始在混凝土拌和物中掺入亚硝酸钠作为预防恶劣条件下钢筋腐蚀的补充措施。

　　另外，还可掺加高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性（工作性）的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。掺入高效活性矿物掺料，如硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成，使水泥石结构更为致密，有效地阻断可能形成的渗透通道，提高混凝土强度，增强混凝土自身抵抗环境侵蚀破坏的能力等。



3 结语

　　目前，混凝土结构耐久性问题已十分严重，这应该引起每一名从业人员的高度重视。从设计方面，应进一步明确使用年限，针对影响混凝土结构耐久性的主要因素，结合工程具体情况，采取相应的措施。为保证混凝土结构耐久性，还应对施工提出详细要求。同时，应该大量使用新技术、新成果来改善、提高混凝土的耐久性，延长混凝土工程的使用寿命。另外，作为提供给用户的产品，明确正常使用方法、日常维护内容也是必需的。