混凝土耐久性能研究綜述

黃興亮  江洲  任婷婷

陜西省建筑科學研究院  長安大學公路學院

    混凝土是世界上應用最為廣泛的人造產品。然而，混凝土材料在微觀結構、施工建造過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曰益關注的焦點。  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，是結構在規定的使用年限內，在各種環境條件作用下，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。簡單地說，混凝土材料的耐久性指標一般包括：抗滲性、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）、堿骨料反應等。實踐經驗表明：引起混凝土結構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、堿一硅反應和硫酸鹽腐蝕。

一、鋼筋防銹蝕研究現狀

    由碳化和氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕導致的混凝土結構破壞名列混凝土耐久性問題首位[1-2]，而粉煤灰作為來源最廣泛、數量最大、使用最簡便和最經濟的礦物摻合料，如果能提高其在此類腐蝕環境中的應用水平將具有明顯的社會、經濟意義。由于形態效應、微集料效應、火山灰效應及高硅鋁相含量，粉煤灰在改善混凝土的工作性能、熱學性能、體積穩定性以及氯鹽侵蝕等方面表現出很大優勢。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境下的抗侵蝕性能演變規律復雜，國內外試驗結果普遍表現很大差異：粉煤灰混凝土抗碳化效率系數（粉煤灰混凝土碳化速度與基準混凝土碳化速度之比）有的高達2.13，有的只有0.62，多數介于1.1-2.0 之間[4]，使得粉煤灰在富CO2 環境下混凝土構筑物中的應用存在許多爭議。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，以及粉煤灰對混凝土抗侵蝕性能的影響機制等問題的復雜性。因此，對于粉煤灰的推廣應用仍需投入大量深入細致的理論和試驗研究工作，以獲取足夠的實驗室和現場數據的積累與驗證。已見報道的研究多數圍繞固定水膠比展開，不能形成水膠比這一影響混凝土諸項性能的最重要因素的完整系列，因而所得結果在一定程度上不乏局限性。馮慶革等通過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象，通過對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境中的抗侵蝕性能變化，分析粉煤灰對氯鹽和碳化環境下混凝土耐久性的影響機制，認為氯鹽破壞情形，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，火山灰效應的發揮逐漸趕超水膠比的影響成為混凝土抗氯鹽性能的主導因素。粉煤灰混凝土的抗碳化性能發展始終受水膠比影響顯著，相對參比普通混凝土，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兩極分化趨勢，水膠比表現為粉煤灰混凝土碳化性能的決定因素。為結構混凝土的優化設計及粉煤灰的有效利用提供了一定的理論依據。

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下經歷多次凍融循環，保持其原有性質或不顯著降低原有性質的能力。我國地域遼闊，有相當大的部分處于嚴寒地帶，致使不少水工建筑物發生了凍融破壞現象。根據全國水工建筑物耐久性調查資料，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題，大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區。尤其在東北嚴寒地區，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。除三北地區普遍發現混凝土的凍融破壞現象外，地處較為溫和的華東地區的混凝土建筑物也發現有凍融現象。因此，混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一，嚴重影響了建筑物的長期使用和安全運行。

    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進行改善。長期的工程實踐與室內研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個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，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，使混凝土內部產生大量的微小穩定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細管通路能使混凝土結冰時產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部毛細管與外界的通路，使外界水份不易浸入，減少了混凝土的滲透性。同時大量的氣泡還能起到潤滑作用，改善混凝土和易性。因此，摻用引氣劑，使混凝土內部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內部的孔結構，大大提高混凝土的抗凍耐久性。國內外的大量研究成果與工程實踐均表明引氣后混凝土的抗凍性可成倍提高。

    美國是最早開始研究引氣劑的國家，自1934年在美國堪薩斯州與紐約州道路工程施工中發現引氣混凝土，至今已有半個多世紀。挪威1974年首次在大壩中使用引氣劑，經過20年運行后，摻引氣劑的混凝土表面完好無損，而未摻引氣劑的混凝土則已遭受較嚴重的凍融破壞。我國這方面的工作始于50年代。我國混凝土學科創始人吳中偉教授，在50年代初期就強調了混凝土抗凍的重要性，并創先研制了松香熱聚物引氣劑，應用于治淮水利混凝土工程，開創了我國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度和抗凍耐久性，得出與上述同樣結論：摻用引氣劑，使混凝土達到足夠的含氣量要求，可改善混凝土的孔結構性質，并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。

    朱蓓蓉，吳學禮，黃土元(1999)認為：合理的氣泡結構是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關鍵，然而，氣泡體系形成、穩定與氣泡結構的建立密不可分，因此高度重視氣泡體系穩定性的問題就顯得更加重要。他們根據國外的研究成果和部分實驗結果得出結論:影響混凝土中氣泡體系形成與穩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，如環境溫度、攪拌、運輸和澆灌技術等。針對不同環境條件、不同工程要求的混凝土，必須進行適應性試驗，才能使得硬化混凝土具有設計所要求的含氣量和合理的氣泡結構，增進了混凝土工程界對引氣劑應用技術的認識。

    由以上眾多學者的研究表明：混凝土孔結構性質是影響混凝土抗凍耐久性及其它性質的根本所在。摻引氣劑可以改善混凝土孔結構性質，因此，測試硬化混凝土孔結構性質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會引起混凝土其它性能降低，如強度、耐磨蝕能力等。

    在摻加礦物摻合料來提高混凝土抗凍性的研究上，由于粉煤灰具有絕對的價格優勢，通過摻加粉煤灰來改善混凝土抗凍性的研究最多。國內外粉煤灰應用已有幾十年的歷史。最早研究粉煤灰在混凝土中應用的是美國加洲理工學院的R.E.Davis，1993年他首次發表了關于粉煤灰用于混凝土的研究報告。到本世紀五、六十年代，粉煤灰作為一種工業廢料，其活性性能被進一步研究和推廣，不僅僅是為了節約水泥，更主要是為了改善和提高混凝土的性能。美國加洲大學Mehta教授指出，應用大摻量粉煤灰(或磨細礦渣)，是今后混凝土技術進展最有效、也是最經濟的途徑。

    隨著粉煤灰混凝土技術的深入研究和發展，引氣粉煤灰混凝土的抗凍耐久性研究已越來越多地引起人們的關注。LinhuaJiang等學者通過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構，并且隨著摻量和水灰比的增加而孔隙率增加，但隨時間的延長，孔隙率會下降。這是因為粉煤灰的摻入改善了混凝土的孔尺寸，但最大摻量不得超過70%。摻入大量的粉煤灰后，混凝土的抗滲性能有了明顯的改善，且在摻量為60％時，抗滲性能最好，對于有抗滲要求的混凝土工程大量的摻用粉煤灰提高抗滲能力和降低工程造價，有重要實際意義。粉煤灰混凝土的強度隨粉煤灰摻量的增加，早期強度降低幅度較大，后期強度有較大的增幅，且60 d齡期強度均達到或趨近于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，粉煤灰摻量為60％時，粉煤灰混凝土的質量損失率較小及相對動彈模量在90％以上，抗凍性能最佳且隨著齡期的增長，抗凍性能得到提高。

三、混凝土抗硫酸鹽腐蝕的研究

    1874年，列曼首次發現并研究了鈣礬石。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，國內外學者對混凝土硫酸鹽侵蝕進行了大量的研究。1925年在密勒領導下，美國開始在硫酸鹽含量極高的土壤內進行長期試驗。聯邦德國鋼筋混凝土協會利用混凝土構筑物在自然條件下遭受沼澤水腐蝕進行了大量的試驗。我國關于混凝土耐久性的腐蝕試驗開展比較晚，始于20世紀50年代。1958年，在國家科委領導下，在1959年至1964年期間，在全國各類土壤中建立了一批試驗站，后在“七五”期間又在全國建立了18個新的土壤腐蝕試驗站，通過定期對試驗站內埋設的混凝土進行檢測，從而建立了科學、可靠實測數據。鐵道科學研究院防腐蝕組結合我國西部硫酸鹽腐蝕的環境條件，開展了室內長期浸泡、室外埋設試件的研究。在后續的研究工作中，各學者均在國家規范的基礎上，根據擬測試的目標制定了不同的試驗方案以及相應的評定標準，并積累了豐富的文獻資料。

    一般認為，混凝土遭受硫酸鹽腐蝕主要是侵蝕介質和混凝土化學組成物質發生化學反應產生的侵蝕過程。根據反應產物以及產生破壞現象的不同可以將混凝土硫酸鹽腐蝕分為以下幾類：硫酸鹽結晶型、鈣礬石結晶型、石膏結晶型、硫酸鎂溶蝕一結晶型、碳硫硅鈣石結晶型。

    Biczok認為環境介質中S042-濃度的影響。隨著侵蝕溶液濃度的改變，反應機理也發生變化。如在Na2S04溶液中，當S042-濃度<1000 mg/L時，反應的主要產物是石膏，當1000mg/L S042-濃度<8000mg/L時，產物中鈣礬石和石膏則會同時出現。在MgS04侵蝕環境中，當S042-濃度<4000 mg/L時，反應的主要產物是鈣礬石，而當4000mg/L≤S042-濃度<7500mg/L時，產物中鈣礬石和石膏則會同時出現，而S042-當濃度I>7500mg/L時，鎂離子腐蝕則占主導地位。

    目前，關于溶液中陽離子對硫酸鹽腐蝕產生影響研究較多的是Na+和M礦。硫酸鈉侵蝕主要是Na2SO4。和水泥水化產物Ca(OH)2：反應，生成的石膏(CaS04·2H20)再與單硫型鋁酸鈣和含鋁的膠體反應生成次生的鈣礬石，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生成沒有膠結力的化硅酸鎂，破壞的特點是混凝土面層軟化以及石膏和氫氧化鎂的不斷生成(化學反應過程見前述機理分析)。大量資料表明，溶液中陽離子不同對硫酸鹽溶液的影響主要在于陽離子與水泥漿體中Ca(OH)2：的發生離子交換反應，如生成的產物可溶解，在動水情況下，生成物被濾析帶走，導致水泥漿體中的Ca(OH)2：不斷析出，最終使得水化硅酸鈣膠體等水化產物分解；如果產物不溶解，則會導致溶液堿度下降，水泥漿體破壞機理同上。

    工程實際環境下研究成果。眾多學者已發現，試驗研究所賦予的模擬環境、養護條件、試件尺寸等均與實際工程條件出入很大，研究的結果無法對真實條件下混凝土構件的劣化進行可靠評價。為此，對實際構件或在外界自然條件下埋設的試驗樁體進行檢測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、可靠的數據。其中，中國建筑科學研究院的馬孝軒等人經過對全國各地埋設的混凝土樁體檢測研究表明：硫酸鹽對混凝土的腐蝕規律在初期增加混凝土的密實性，提高了混凝土的強度，在后期破壞混凝土的結構，降低混凝土的強度。普通水泥和礦渣水泥中預埋的鋼筋，經35年土壤腐蝕后，一般銹蝕都不太嚴重，面積銹蝕率小，而硅酸鹽混凝土中的預埋鋼筋，經相同時間的土壤腐蝕后，銹蝕比較嚴重，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件的實測抗彎等承載力，范穎芳等人通過“替換構件“的方法，獲得了歷經10余年腐蝕鋼筋混凝土構件的承載力。試驗表明，在較短時間腐蝕環境下構件的開裂荷載以及破壞荷載均有不同程度的提高，構件的破壞模式與腐蝕前相同。

四、結語

    影響混凝土結構耐久性的因素繁多而復雜，并且不同的環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、配比設計、施工養護和結構的維護等多方因素綜合考慮，工程中應根據具體情況，有針對性地采取相應措施，提高混凝土的耐久性。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網絡：尹維維 編輯  文徑 審核)