混凝土耐久性能研究綜述

黃興亮  江洲  任婷婷

陜西省建筑科學(xué)研究院  長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院

    混凝土是世界上應(yīng)用最為廣泛的人造產(chǎn)品。然而，混凝土材料在微觀結(jié)構(gòu)、施工建造過(guò)程以及外界條件等因素作用影響下，其耐久性失效已成為人們?cè)灰骊P(guān)注的焦點(diǎn)。  混凝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，是結(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。簡(jiǎn)單地說(shuō)，混凝土材料的耐久性指標(biāo)一般包括：抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性（抗氯鹽腐蝕、抗硫酸鹽腐蝕）、混凝土的碳化（中性化）、堿骨料反應(yīng)等。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主因按重要性由高到低依次為鋼筋銹蝕、暴露于凍一融循環(huán)、堿一硅反應(yīng)和硫酸鹽腐蝕。

一、鋼筋防銹蝕研究現(xiàn)狀

    由碳化和氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)破壞名列混凝土耐久性問(wèn)題首位[1-2]，而粉煤灰作為來(lái)源最廣泛、數(shù)量最大、使用最簡(jiǎn)便和最經(jīng)濟(jì)的礦物摻合料，如果能提高其在此類腐蝕環(huán)境中的應(yīng)用水平將具有明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義。由于形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)及高硅鋁相含量，粉煤灰在改善混凝土的工作性能、熱學(xué)性能、體積穩(wěn)定性以及氯鹽侵蝕等方面表現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì)。然而由于其早期活性差及貧鈣的特性[3]，使粉煤灰混凝土在碳化破壞環(huán)境下的抗侵蝕性能演變規(guī)律復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果普遍表現(xiàn)很大差異：粉煤灰混凝土抗碳化效率系數(shù)（粉煤灰混凝土碳化速度與基準(zhǔn)混凝土碳化速度之比）有的高達(dá)2.13，有的只有0.62，多數(shù)介于1.1-2.0 之間[4]，使得粉煤灰在富CO2 環(huán)境下混凝土構(gòu)筑物中的應(yīng)用存在許多爭(zhēng)議。諸多分歧的存在恰恰反映出混凝土在氯鹽、碳化作用下的耐久性，以及粉煤灰對(duì)混凝土抗侵蝕性能的影響機(jī)制等問(wèn)題的復(fù)雜性。因此，對(duì)于粉煤灰的推廣應(yīng)用仍需投入大量深入細(xì)致的理論和試驗(yàn)研究工作，以獲取足夠的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的積累與驗(yàn)證。已見(jiàn)報(bào)道的研究多數(shù)圍繞固定水膠比展開(kāi)，不能形成水膠比這一影響混凝土諸項(xiàng)性能的最重要因素的完整系列，因而所得結(jié)果在一定程度上不乏局限性。馮慶革等通過(guò)選取水膠比水平分布在0.50 以上及0.35 以下的兩系列混凝土為對(duì)象，通過(guò)對(duì)比不同水膠比和不同粉煤灰摻量的混凝土在氯鹽和碳化這兩種不同腐蝕環(huán)境中的抗侵蝕性能變化，分析粉煤灰對(duì)氯鹽和碳化環(huán)境下混凝土耐久性的影響機(jī)制，認(rèn)為氯鹽破壞情形，不論水膠比水平在0.5 以上或0.35 以下，粉煤灰的摻入對(duì)于改善混凝土抗氯離子侵蝕性能皆有明顯效果；且水化中后期，火山灰效應(yīng)的發(fā)揮逐漸趕超水膠比的影響成為混凝土抗氯鹽性能的主導(dǎo)因素。粉煤灰混凝土的抗碳化性能發(fā)展始終受水膠比影響顯著，相對(duì)參比普通混凝土，相同粉煤灰摻量混凝土的抗碳化性能因水膠比高低水平不同而呈現(xiàn)兩極分化趨勢(shì)，水膠比表現(xiàn)為粉煤灰混凝土碳化性能的決定因素。為結(jié)構(gòu)混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)及粉煤灰的有效利用提供了一定的理論依據(jù)。

二、混凝土的抗凍性能研究

    混凝土的抗凍性是指混凝土在吸水飽和的狀態(tài)下經(jīng)歷多次凍融循環(huán)，保持其原有性質(zhì)或不顯著降低原有性質(zhì)的能力。我國(guó)地域遼闊，有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒地帶，致使不少水工建筑物發(fā)生了凍融破壞現(xiàn)象。根據(jù)全國(guó)水工建筑物耐久性調(diào)查資料，在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問(wèn)題，大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區(qū)。尤其在東北嚴(yán)寒地區(qū)，興建的水工混凝土建筑物，幾乎100%工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞。除三北地區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)混凝土的凍融破壞現(xiàn)象外，地處較為溫和的華東地區(qū)的混凝土建筑物也發(fā)現(xiàn)有凍融現(xiàn)象。因此，混凝土的凍融破壞是我國(guó)建筑物老化病害的主要問(wèn)題之一，嚴(yán)重影響了建筑物的長(zhǎng)期使用和安全運(yùn)行。

    在提高混凝土抗凍性研究上，最多的是考慮加入引氣劑和摻加礦物摻合料來(lái)進(jìn)行改善。長(zhǎng)期的工程實(shí)踐與室內(nèi)研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個(gè)十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質(zhì)，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細(xì)管通路能使混凝土結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓的作用。這些氣泡可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界的通路，使外界水份不易浸入，減少了混凝土的滲透性。同時(shí)大量的氣泡還能起到潤(rùn)滑作用，改善混凝土和易性。因此，摻用引氣劑，使混凝土內(nèi)部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，大大提高混凝土的抗凍耐久性。國(guó)內(nèi)外的大量研究成果與工程實(shí)踐均表明引氣后混凝土的抗凍性可成倍提高。

    美國(guó)是最早開(kāi)始研究引氣劑的國(guó)家，自1934年在美國(guó)堪薩斯州與紐約州道路工程施工中發(fā)現(xiàn)引氣混凝土，至今已有半個(gè)多世紀(jì)。挪威1974年首次在大壩中使用引氣劑，經(jīng)過(guò)20年運(yùn)行后，摻引氣劑的混凝土表面完好無(wú)損，而未摻引氣劑的混凝土則已遭受較嚴(yán)重的凍融破壞。我國(guó)這方面的工作始于50年代。我國(guó)混凝土學(xué)科創(chuàng)始人吳中偉教授，在50年代初期就強(qiáng)調(diào)了混凝土抗凍的重要性，并創(chuàng)先研制了松香熱聚物引氣劑，應(yīng)用于治淮水利混凝土工程，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)采用引氣劑而提高混凝土抗凍耐久性的先河。范沈撫分析了摻引氣劑混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍耐久性，得出與上述同樣結(jié)論：摻用引氣劑，使混凝土達(dá)到足夠的含氣量要求，可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。

    朱蓓蓉，吳學(xué)禮，黃土元(1999)認(rèn)為：合理的氣泡結(jié)構(gòu)是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關(guān)鍵，然而，氣泡體系形成、穩(wěn)定與氣泡結(jié)構(gòu)的建立密不可分，因此高度重視氣泡體系穩(wěn)定性的問(wèn)題就顯得更加重要。他們根據(jù)國(guó)外的研究成果和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:影響混凝土中氣泡體系形成與穩(wěn)定性的因素有混凝土各組成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界條件，如環(huán)境溫度、攪拌、運(yùn)輸和澆灌技術(shù)等。針對(duì)不同環(huán)境條件、不同工程要求的混凝土，必須進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，才能使得硬化混凝土具有設(shè)計(jì)所要求的含氣量和合理的氣泡結(jié)構(gòu)，增進(jìn)了混凝土工程界對(duì)引氣劑應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

    由以上眾多學(xué)者的研究表明：混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性及其它性質(zhì)的根本所在。摻引氣劑可以改善混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)，因此，測(cè)試硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是研究混凝土抗凍耐久性能的有效途徑和方法之一。引氣劑的摻入雖然是提高混凝土抗凍耐久性最有效的手段，但引氣劑的摻入同時(shí)會(huì)引起混凝土其它性能降低，如強(qiáng)度、耐磨蝕能力等。

    在摻加礦物摻合料來(lái)提高混凝土抗凍性的研究上，由于粉煤灰具有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，通過(guò)摻加粉煤灰來(lái)改善混凝土抗凍性的研究最多。國(guó)內(nèi)外粉煤灰應(yīng)用已有幾十年的歷史。最早研究粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的是美國(guó)加洲理工學(xué)院的R.E.Davis，1993年他首次發(fā)表了關(guān)于粉煤灰用于混凝土的研究報(bào)告。到本世紀(jì)五、六十年代，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，其活性性能被進(jìn)一步研究和推廣，不僅僅是為了節(jié)約水泥，更主要是為了改善和提高混凝土的性能。美國(guó)加洲大學(xué)Mehta教授指出，應(yīng)用大摻量粉煤灰(或磨細(xì)礦渣)，是今后混凝土技術(shù)進(jìn)展最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。

    隨著粉煤灰混凝土技術(shù)的深入研究和發(fā)展，引氣粉煤灰混凝土的抗凍耐久性研究已越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。LinhuaJiang等學(xué)者通過(guò)研究高摻量粉煤灰混凝土水化作用得出:粉煤灰的摻量和水灰比影響了高摻量粉煤灰混凝土的孔結(jié)構(gòu)，并且隨著摻量和水灰比的增加而孔隙率增加，但隨時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙率會(huì)下降。這是因?yàn)榉勖夯业膿饺敫纳屏嘶炷�土的孔尺寸，但最大摻量不得超過(guò)70%。摻入大量的粉煤灰后，混凝土的抗?jié)B性能有了明顯的改善，且在摻量為60％時(shí)，抗?jié)B性能最好，對(duì)于有抗?jié)B要求的混凝土工程大量的摻用粉煤灰提高抗?jié)B能力和降低工程造價(jià)，有重要實(shí)際意義。粉煤灰混凝土的強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加，早期強(qiáng)度降低幅度較大，后期強(qiáng)度有較大的增幅，且60 d齡期強(qiáng)度均達(dá)到或趨近于C30混凝土。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗凍性能呈下降趨勢(shì)，粉煤灰摻量為60％時(shí)，粉煤灰混凝土的質(zhì)量損失率較小及相對(duì)動(dòng)彈模量在90％以上，抗凍性能最佳且隨著齡期的增長(zhǎng)，抗凍性能得到提高。

三、混凝土抗硫酸鹽腐蝕的研究

    1874年，列曼首次發(fā)現(xiàn)并研究了鈣礬石。米哈艾利斯于1892年聲稱是他第一次人工合成了鈣礬石。在隨后的100多年里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了大量的研究。1925年在密勒領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)開(kāi)始在硫酸鹽含量極高的土壤內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)。聯(lián)邦德國(guó)鋼筋混凝土協(xié)會(huì)利用混凝土構(gòu)筑物在自然條件下遭受沼澤水腐蝕進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。我國(guó)關(guān)于混凝土耐久性的腐蝕試驗(yàn)開(kāi)展比較晚，始于20世紀(jì)50年代。1958年，在國(guó)家科委領(lǐng)導(dǎo)下，在1959年至1964年期間，在全國(guó)各類土壤中建立了一批試驗(yàn)站，后在“七五”期間又在全國(guó)建立了18個(gè)新的土壤腐蝕試驗(yàn)站，通過(guò)定期對(duì)試驗(yàn)站內(nèi)埋設(shè)的混凝土進(jìn)行檢測(cè)，從而建立了科學(xué)、可靠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。鐵道科學(xué)研究院防腐蝕組結(jié)合我國(guó)西部硫酸鹽腐蝕的環(huán)境條件，開(kāi)展了室內(nèi)長(zhǎng)期浸泡、室外埋設(shè)試件的研究。在后續(xù)的研究工作中，各學(xué)者均在國(guó)家規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)擬測(cè)試的目標(biāo)制定了不同的試驗(yàn)方案以及相應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并積累了豐富的文獻(xiàn)資料。

    一般認(rèn)為，混凝土遭受硫酸鹽腐蝕主要是侵蝕介質(zhì)和混凝土化學(xué)組成物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的侵蝕過(guò)程。根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物以及產(chǎn)生破壞現(xiàn)象的不同可以將混凝土硫酸鹽腐蝕分為以下幾類：硫酸鹽結(jié)晶型、鈣礬石結(jié)晶型、石膏結(jié)晶型、硫酸鎂溶蝕一結(jié)晶型、碳硫硅鈣石結(jié)晶型。

    Biczok認(rèn)為環(huán)境介質(zhì)中S042-濃度的影響。隨著侵蝕溶液濃度的改變，反應(yīng)機(jī)理也發(fā)生變化。如在Na2S04溶液中，當(dāng)S042-濃度<1000 mg/L時(shí)，反應(yīng)的主要產(chǎn)物是石膏，當(dāng)1000mg/L S042-濃度<8000mg/L時(shí)，產(chǎn)物中鈣礬石和石膏則會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。在MgS04侵蝕環(huán)境中，當(dāng)S042-濃度<4000 mg/L時(shí)，反應(yīng)的主要產(chǎn)物是鈣礬石，而當(dāng)4000mg/L≤S042-濃度<7500mg/L時(shí)，產(chǎn)物中鈣礬石和石膏則會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，而S042-當(dāng)濃度I>7500mg/L時(shí)，鎂離子腐蝕則占主導(dǎo)地位。

    目前，關(guān)于溶液中陽(yáng)離子對(duì)硫酸鹽腐蝕產(chǎn)生影響研究較多的是Na+和M礦。硫酸鈉侵蝕主要是Na2SO4。和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2：反應(yīng)，生成的石膏(CaS04·2H20)再與單硫型鋁酸鈣和含鋁的膠體反應(yīng)生成次生的鈣礬石，由于鈣礬石具有膨脹性，混凝土破壞的主要特征是膨脹和開(kāi)裂。硫酸鎂侵蝕主要是MgS04與混凝土中的水化硅酸鈣膠體反應(yīng)生成沒(méi)有膠結(jié)力的化硅酸鎂，破壞的特點(diǎn)是混凝土面層軟化以及石膏和氫氧化鎂的不斷生成(化學(xué)反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)前述機(jī)理分析)。大量資料表明，溶液中陽(yáng)離子不同對(duì)硫酸鹽溶液的影響主要在于陽(yáng)離子與水泥漿體中Ca(OH)2：的發(fā)生離子交換反應(yīng)，如生成的產(chǎn)物可溶解，在動(dòng)水情況下，生成物被濾析帶走，導(dǎo)致水泥漿體中的Ca(OH)2：不斷析出，最終使得水化硅酸鈣膠體等水化產(chǎn)物分解；如果產(chǎn)物不溶解，則會(huì)導(dǎo)致溶液堿度下降，水泥漿體破壞機(jī)理同上。

    工程實(shí)際環(huán)境下研究成果。眾多學(xué)者已發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)研究所賦予的模擬環(huán)境、養(yǎng)護(hù)條件、試件尺寸等均與實(shí)際工程條件出入很大，研究的結(jié)果無(wú)法對(duì)真實(shí)條件下混凝土構(gòu)件的劣化進(jìn)行可靠評(píng)價(jià)。為此，對(duì)實(shí)際構(gòu)件或在外界自然條件下埋設(shè)的試驗(yàn)樁體進(jìn)行檢測(cè)可為混凝土抗硫酸鹽及其在各種外界綜合條件下劣化提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)。其中，中國(guó)建筑科學(xué)研究院的馬孝軒等人經(jīng)過(guò)對(duì)全國(guó)各地埋設(shè)的混凝土樁體檢測(cè)研究表明：硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕規(guī)律在初期增加混凝土的密實(shí)性，提高了混凝土的強(qiáng)度，在后期破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，降低混凝土的強(qiáng)度。普通水泥和礦渣水泥中預(yù)埋的鋼筋，經(jīng)35年土壤腐蝕后，一般銹蝕都不太嚴(yán)重，面積銹蝕率小，而硅酸鹽混凝土中的預(yù)埋鋼筋，經(jīng)相同時(shí)間的土壤腐蝕后，銹蝕比較嚴(yán)重，銹蝕率是普通混凝土中鋼筋銹蝕率的2-3倍。此外，為了獲得既有混凝土構(gòu)件的實(shí)測(cè)抗彎等承載力，范穎芳等人通過(guò)“替換構(gòu)件“的方法，獲得了歷經(jīng)10余年腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力。試驗(yàn)表明，在較短時(shí)間腐蝕環(huán)境下構(gòu)件的開(kāi)裂荷載以及破壞荷載均有不同程度的提高，構(gòu)件的破壞模式與腐蝕前相同。

四、結(jié)語(yǔ)

    影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素繁多而復(fù)雜，并且不同的環(huán)境其耐久性的差異也很大，其一般均是由多種因素的綜合作用造成的，因此，從混凝土的原材料、配比設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)和結(jié)構(gòu)的維護(hù)等多方因素綜合考慮，工程中應(yīng)根據(jù)具體情況，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，提高混凝土的耐久性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳改新.混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009。

[2] 蒲心誠(chéng)，王勇威.高效活性礦物摻料與混凝土的高性能化（續(xù)。混凝土，2002。

[3] 蔡躍波.摻活性摻合料混凝土研究與應(yīng)用中的幾個(gè)疑難問(wèn)題。硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000。

[4]馮慶革等，不同水膠比下粉煤灰混凝土抗氯鹽及碳化腐蝕性能研究、.混凝土，2011。

[5]王鵬等，大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B抗凍耐久性研究，混凝土，2011。

[6]MEHTA P K混凝土微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料，覃維組，王棟民，丁建彤，譯一京：中國(guó)電力出版社，2008。

[7]柯偉．中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2003。

[8]3馬孝軒．我國(guó)主要類型土壤對(duì)混凝土材料腐蝕性規(guī)律的研究：建筑科學(xué)，2003。

[9]馮乃謙，混凝土與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009。

[10]金雁南，混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機(jī)理陰，華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006。

[11]TIXIER R．Modeling of damage in cenlent-based materials subjected to external sulphate attack．II：comparision with experiment．Journal of aterials in Civil Engineering，2003．

[12]王復(fù)生，察爾汗鹽湖條件下水泥混凝土耐久性調(diào)查研究．硅酸鹽通報(bào)，200。

[13]馬孝軒，鋼筋混凝土樁在沿海地區(qū)腐蝕規(guī)律試驗(yàn)研究，混凝土與水泥制品．2002。

[14]冷發(fā)光．混凝土應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀及問(wèn)題，混凝土，2000。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)    文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯  文徑 審核)