混凝土結(jié)構(gòu)耐久性探析
摘要:本文從工程角度分析了混凝土耐久性問題,并總結(jié)了提高混凝土耐久性的幾點(diǎn)措施
關(guān)鍵詞:耐久性 堿-集料反應(yīng) 腐蝕 高性能砼
1 混凝土工程中的耐久性問題
強(qiáng)度和耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要指標(biāo),因以往工程中習(xí)慣上只重視混凝土的強(qiáng)度,或片面追求高強(qiáng)度而忽視混凝土的耐久性?;炷恋哪途眯允鞘褂闷趦?nèi)結(jié)構(gòu)保證正常功能的能力,關(guān)系結(jié)構(gòu)物的使用壽命,隨著結(jié)構(gòu)物老化和環(huán)境污染的加重,混凝土耐久性問題已引起了各主管部門和廣大設(shè)計(jì),施工部門的重視。
曾有調(diào)查表明,國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑在使用25-30年后即需大修,處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物的使用壽命僅15-20年,橋梁,港口等基礎(chǔ)設(shè)施工程尤其嚴(yán)重。許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕,混凝土開裂。有專家指出,我國大干基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的高潮還需延續(xù),而由于忽視耐久性問題,迎接我們的還會有大修的高潮,其耗費(fèi)將倍增于工程建設(shè)時(shí)的投資。而其原因卻往往是由于混凝土耐久性不足引起的。
2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的分析
混凝土耐久性問題,是指結(jié)構(gòu)在所使用的環(huán)境下,由于內(nèi)部原因或外部原因引起結(jié)構(gòu)的長期演變,最終使混凝土喪失使用能力。即所為的耐久性失效,耐久性失效的原因很多,有抗凍失效,堿-集料反應(yīng)失效,化學(xué)腐蝕失效,鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)破壞等。下面作具體分析。
2.1 混凝土的凍融破壞
當(dāng)結(jié)構(gòu)處于冰點(diǎn)以下環(huán)境時(shí),部分混凝土內(nèi)孔隙中的水將結(jié)冰,產(chǎn)生體積膨脹,過冷的水發(fā)生遷移,形成各種壓力,當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí),導(dǎo)致混凝土的破壞?;炷涟l(fā)生凍融破壞的最顯著的特征是表面剝落,嚴(yán)重時(shí)可以露出石子。
混凝土的抗凍性能與混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)和氣泡含量多少密切相關(guān)??自缴僭叫。茐淖饔迷叫?,封閉氣泡越多,抗凍性越好。
影響混凝土抗凍性的因素,除了孔結(jié)構(gòu)和含氣量外,還包括:混凝土的飽和度,水灰比,混凝土的齡期,集料的孔隙率及其間的含水率等。
2.2 混凝土的堿-集料反應(yīng)
混凝土的堿-集料反應(yīng),是指混凝土中的堿與集料中活性組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),引起混凝土的膨脹,開裂,甚至破壞。因反應(yīng)的因素在混凝土內(nèi)部,其危害作用往往是不能根冶的,是混凝土工程中的一大隱患。許多國家因堿-集料反應(yīng)不得不拆除大壩,橋梁,海堤和學(xué)校,造成巨大損失,國內(nèi)工程中也有堿-集料反應(yīng)損害的類似報(bào)道,一些立交橋,鐵道軌枕等發(fā)生不同程度的膨脹破壞.
混凝土堿-集料反應(yīng)需具備三個(gè)條件,即有相當(dāng)數(shù)量的堿,相應(yīng)的活性集料,水份。反應(yīng)通常有三種類型:堿-硅酸反應(yīng),堿-碳酸鹽反應(yīng),慢膨脹型堿-硅酸鹽反應(yīng),避免堿-集料反應(yīng)的方法可采用:一,盡量避免采用活性集料;二,限制混凝土的堿含量;三,摻用混合材。
2.3 化學(xué)侵蝕
當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處在有侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境時(shí),會引起水泥石發(fā)生一系列化學(xué),物理與物化變化,而逐步受到侵蝕,嚴(yán)重的使水泥石強(qiáng)度降低,以至破壞。常見的化學(xué)侵蝕可分為淡水腐蝕,一般酸性水腐蝕,碳酸腐蝕,硫酸鹽腐蝕,鎂鹽腐蝕五類。淡水的沖刷,會溶解水泥石中的組分,使水泥石孔隙增加,密實(shí)度降低,從而進(jìn)一步造成對水泥石的破壞;研究表明,當(dāng)水泥石中的氧化鈣溶出5%時(shí),強(qiáng)度下降7%,當(dāng)溶出24%時(shí),強(qiáng)度下降29%,因此,淡水沖刷會對水工建筑有一定影響;而當(dāng)水中溶有一些酸類時(shí),水泥石就受到溶淅和化學(xué)溶解雙重作用,腐蝕明顯加速,這類侵蝕常發(fā)生在化工廠;碳酸對混凝土的影響主要為:在溶淅水泥石的同時(shí),破壞混凝土內(nèi)的堿環(huán)境,降低水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性,影響水泥石的致密度,造成對混凝土的侵蝕;硫酸鹽的腐蝕則表現(xiàn)為SO42-離子深入混凝土內(nèi)與水泥組分反應(yīng),生成物體積膨脹開裂造成損壞;海水中由于存在多種離子,侵蝕形式較為復(fù)雜,但主要是由于鎂鹽使硬化水泥石的結(jié)構(gòu)組分分解,同時(shí)硫酸鹽作用會造成對水泥石的損壞,而氧化鎂沉淀會堵塞混凝土孔隙,會使海水侵蝕有所緩和。
2.4 鋼筋的銹蝕
鋼筋的銹蝕,其一表現(xiàn)為鋼筋在外部介質(zhì)作用下發(fā)生電化反應(yīng),逐步生成氫氧化鐵等即鐵銹,其體積比原金屬增大2-4倍,造成混凝土順筋裂縫,從而成為腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋的通道,加快結(jié)構(gòu)的損壞。氫氧化鐵在強(qiáng)堿溶液中會形成穩(wěn)定的保護(hù)層,阻止鋼筋的銹蝕,但堿環(huán)境被破壞或減弱,則會造成鋼筋的銹蝕,如混凝土的碳化或中性化。造成混凝土碳化和中性化的原因,主要是混凝土的密實(shí)度即抗?jié)B性不足,酸性氣體(如CO2,SO2,H2S,HCL,NO2)滲入混凝土內(nèi)與氫氧化鈣作用;其二,氯離子對鋼筋表面鈍化膜有特殊的破壞作用,當(dāng)混凝土中氯含量超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí),鋼筋會銹蝕,而水和氧的存在是鋼筋被腐蝕的必要條件,因此,若混凝土開裂,造成水和氧的通道,則鋼筋銹蝕加速,促成混凝土裂縫進(jìn)一步開展,混凝土保護(hù)層剝落,最終使構(gòu)件失去承載力;其三,鋼筋在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下形成的脆性斷裂,這種破壞可在較低拉應(yīng)力和微弱介質(zhì)作用下產(chǎn)生破壞;其四,鋼筋的氫脆現(xiàn)象,即預(yù)應(yīng)力筋在酸性與微堿性的介質(zhì)中發(fā)生脆性斷裂,鋼筋在腐蝕過程中會產(chǎn)生少量氫氣,當(dāng)鋼筋內(nèi)部存在缺陷,氫以原子形式滲入鋼筋內(nèi)部并生成氫分子時(shí),會產(chǎn)生很大壓力,出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象,使鋼筋脆化。
提高混凝土耐久性的措施
從上述分析可知,混凝土的外部環(huán)境,內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),原料,密實(shí)度和抗?jié)B性是混凝土耐久性能的重要因素.因此,工程中應(yīng)根據(jù)具體情況,有針對性地采取相應(yīng)措施,提高混凝土的耐久性。
3.1 原材料的選擇
(1)水泥 水泥類材料的強(qiáng)度和工程性能,是通過水泥砂漿的凝結(jié),硬化形成的,水泥石一旦受損,混凝土的耐久性就被破壞,因此水泥的選擇需注意水泥品種的具體性能,選擇堿含量小,水化熱低,干縮性小,耐熱性,抗水性,抗腐蝕性,抗凍性能好的水泥,并結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇。水泥強(qiáng)度并非是決定混凝土強(qiáng)度和性能的唯一標(biāo)準(zhǔn),如用較低標(biāo)號水泥同樣可以配制高標(biāo)號混凝土。因此,工程中選擇水泥強(qiáng)度的同時(shí),需考慮其工程性能,有時(shí),其工程性能比強(qiáng)度更重要。
(2)集料與摻合料 集料的選擇應(yīng)考慮其堿活性,防止堿集料反應(yīng)造成的危害,集料的耐蝕性和吸水性,同時(shí)選擇合理的級配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密實(shí)度;大量研究表明了摻粉煤灰,礦渣,硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能,改善混凝土內(nèi)孔結(jié)構(gòu),填充內(nèi)部空隙,提高密實(shí)度,高摻量混凝土還能抑制堿集料反應(yīng),因而摻混合材混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施。即近年來發(fā)展的高性能混凝土。
3.2 混凝土的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮耐久的要求
混凝土配比的設(shè)計(jì) 配合比設(shè)計(jì)在滿足混凝土強(qiáng)度,工作性的同時(shí)應(yīng)考慮盡量減少水泥用量和用水量,降低水化熱,減少收縮裂縫,提高密實(shí)度,采用合理的減水劑和引氣劑,改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),摻入足量的混合料,提高混凝土耐久性能。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按其使用環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度,預(yù)防外界介質(zhì)滲入內(nèi)部腐蝕鋼筋。
結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮構(gòu)件受局部損壞后的整體耐久能力。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚應(yīng)控制混凝土的裂縫的開裂寬度。
3.3 混凝土工程施工應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)耐久性
混凝土的拌制盡量采用二次攪拌法,裹砂法,裹砂石法等工藝,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土強(qiáng)度,減少用水量;大體積混凝土的澆筑振搗應(yīng)控制混凝土的溫度裂縫,收縮裂縫,施工裂縫,建立混凝土的澆筑振搗制度,提高混凝土密實(shí)度和抗?jié)B性,重視混凝土振搗后的表面工序,并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),以減少混凝土裂縫?;炷恋氖┕み^程對控制構(gòu)件外觀裂縫,施工裂縫至關(guān)重要,應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量管理,特殊季節(jié)施工的混凝土結(jié)構(gòu),尚應(yīng)采取特殊措施。
3.4 結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)
結(jié)構(gòu)在使用階段,應(yīng)注意檢測,維護(hù)和修理,對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程更應(yīng)如此,建立檢測和評估體系,及時(shí)發(fā)現(xiàn),及時(shí)修理,確?;炷两Y(jié)構(gòu)的正常使用。
參考文獻(xiàn)
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3,《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性》---金偉良 趙羽習(xí)著 科學(xué)出版社 北京 2002年9 月第一版 ISBN7-03-010748-9
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5,《大氣環(huán)境條件下混凝土中鋼筋的銹蝕》----徐善華著《建筑技術(shù)》雜志2003年第四期 2003 VOL.34 NO.4
6,《建筑混凝土》----張承志主編 化學(xué)工業(yè)出版社 材料科學(xué)與工程出版中心2003年5月第一版 ISBN7-5025-3157-2/TU.5
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