钢筋混凝土耐久性研究综述

1、钢筋混凝土耐久性研究综述摘 要钢筋混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性和碱集料反应。影响钢筋混凝土耐久性的因素主要包括：冻融破坏，碱集料反应，侵蚀性介质的侵蚀，钢筋锈蚀。本文通过对国内外文献以及研究状况的归纳总结，概述了破坏钢筋混凝土耐久性的原因，处理办法，以及将来的研究方向。关键词 钢筋混凝土；耐久性；冻融破坏；碱集料反应；钢筋锈蚀。引言我国混凝土结构耐久性问题不容忽视。我国人口众多，过去为及时解决居住需要和促进工业生产，建造过不少质量不高的民用房屋和工业厂房。结构设计虽然采用可靠度理论计算，实质上仅

2、能满足安全可靠指标的要求，而对耐久性要求考虑不足，且由于忽视维修保养，现有建筑物老化现象相当严重。截至2o世纪末，有近2341亿平方米的建筑物进入老龄期，处于提前退役的局面。2o世纪5o年代不少在混凝土中采用掺人抓化钙快速施工的建筑，损坏更为严重。近几年房屋开发中反映出的质量问题也很突出，不少新建好的商品房，未使用几年就需要修复，造成极大浪费1。钢筋混凝土是土建工程中用途最广、用量最大的建筑材料之一。混凝土进入维修期，所需的维修费或重建费用十分巨大。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土木工程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11 冻融破坏结构处于

3、冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混凝土的破坏。混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括：混凝土的饱和度，水灰比，混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等1。1.2 碱集料反应碱骨料反应指的是混凝土原材料中的碱(na o或k )与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，在浇筑成形若干年中骨料表面生成碱一硅凝胶。吸水后使混凝土膨胀开

4、裂导致混凝土结构失效2。反应通常有三种类型：碱一硅酸反应，碱一碳酸盐反应，慢膨胀型碱一硅酸盐反应，避免碱一集料反应的方法可采用：尽量避免采用活性集料；限制混凝土的碱含量；掺用混合材。1其中，碱-碳酸盐反应也称为混凝土碳化。1.3 侵蚀性介质的侵蚀在侵蚀性介质中，如酸、碱、硫酸盐、压力流动水等，可能使混凝土发生溶出性侵蚀、溶解性侵蚀和膨胀性侵蚀，导致混凝土遭到破坏2。 1.4 钢筋锈蚀通常在混凝土使用初期，硬化的混凝土空隙充满了饱和ca(oh) 溶液，此碱性介质使钢筋表面产生一层难溶的钝化薄膜，能有效的防治钢筋的锈蚀。但是由于混凝土结构的t作环境容易受大气、土壤、地下水等因素的影响一些侵蚀介质的

5、入侵降低混凝土中的碱性，破坏钝化膜引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀主要是氯离子侵入引起的，氯离子沿混凝土孔隙到达钢筋表面，聚集浓度达到一定的临界值时，就会与混凝土孔隙电解质中游离出的铁离子(fe )发生化学反应生成铁锈。钢筋由于锈蚀而造成受力面积减小强度量 耋也随之下降，而且氧化物附着在钢筋表面降低了钢筋与混篱凝土之间的胶结作用。锈蚀产物对周围包裹的混凝土产生径向锈胀力当锈胀力增大到一定程度时就会引起混凝土发生顺筋裂缝使混凝土与钢筋间的相互作用减弱，裂缝进一步展开导致保护脱落，严重降低了结构的承载能力，继而造成混凝土结构的破坏2。2. 提高混凝土耐久性的措施2.1 原材料的选择水泥水泥类材料的强度和工程

6、性能，是通过水泥砂浆的凝结，硬化形的，水泥石一旦受损，混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性，抗水性，抗腐蚀性，抗冻性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。水泥强度并非是决定混凝土强和性能的唯一标准，如用较低标号水泥同样可以配制高标号混凝土。因此，工程选择水泥强度的同时，需考虑其工程性能，有时其工程性能比强度更重要1。在我国的现行生产工艺条件下提高水泥的强度（尤其是早期强度）的主要措施就是增加c3a和c3s的含量，这将导致混凝土的收缩增大，混凝土的微结构不良，耐久性下降,故不宜采用。对于普通混凝土，其动弹性模量，随着冻融循环次数的

7、增加而减少，且基本上呈线性变化而质量损失率则随着水灰比的变化，呈不同趋势，当水灰比低于o5o时，开始是质量增加，随着冻融循环次数的增加，混凝土试块的质量才逐渐减少；水灰比高于05o时混凝土质量呈减少趋势降低混凝土水灰比可以在一定程度上改善混凝土的抗冻融性能3。对此，可采用高强度混凝土,加入减水剂等方法来减小水灰比。集料与掺合料集料的选择应考虑其碱活性，防止碱集料反应造成的危害，集料的耐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密实度；大量研究表明了掺粉煤灰，矿渣，硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能，改善混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度，高掺量混凝土还能抑制碱

8、集料反应，因而掺混合材混凝土，是提高混凝土耐久性的有效措施，即近年来发展的高性能混凝土1。2.2 混凝土设计时应考虑耐久性要求混凝土配比的设计配合比设计在满足混凝土强度，工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少收缩裂缝，提高密实度，采用合理的减水剂和引气剂，改善混凝土内部结构，掺入足量的混合料，提高混凝土耐久性能。结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度，预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度1。 现行设计对于裂缝的控制主要是针对混凝土的适用性为设计依据的，控制钢筋混凝土构件的最

9、大裂缝宽度而另一个严格控制裂缝宽度的主要原因就是防止钢筋锈蚀保证结构的耐久性。保证构件截面具有足够的配筋牢，并合理选择凝土保护层厚度和钢筋直径，若截面含钢量相同时，选择直径较小的钢筋，增加钢筋根数筋，合理布置钢筋可提高构件的抗裂度。加强混凝土的养护，控制水灰比，规定钢筋混凝土结构伸缩缝最大问距，加强梁、办、墙间的构造配筋可减小收缩裂缝2。2.3 提高混凝土密实性混凝土的内部缺陷(不密实)，使混凝土在使用过程中易受各种不利因素的侵袭，主要有如下几种形式：1 渗透当混凝土不密实，空气和水容易渗入，水中有害物质就易对混凝土产生化学侵蚀，影响混凝土的耐久性。2 碳化混凝土中因水泥石含有氢氧化钙而呈碱性

10、，在钢筋表面形成碱性薄膜而保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。但当混凝土密实度低，空气中水和二氧化碳渗入，形成碳酸，尽管其酸性很弱，也能中和氢氧化钙使钢筋锈蚀，这一过程成称混凝土的“碳化”。3 冻融破坏混凝土不密实，体内渗入的水量大，低温时水结冰体积膨胀产生压力，从内部破坏混凝土的微观结构，经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。混凝土的密实度是影响其耐久性的重要因素，提高耐久性必须提高混凝土的密实度。提高密实度的改进方法如下：拌和中限制用水量减小水灰比。适宜的和易性为振捣密实提供条件。掺入引气剂或减水剂能减少用水量并改善毛孔内部结构。 必须按工艺操作规程严格施

11、工。注重结构表面的密闭，可采用浸渍和涂刷法。如用沥青及其它涂料涂抹表面，使侵蚀液体不能接触等。及时养护，以提高保水性、避免早期脱水4。2.4 掺入高效活性矿物掺料混凝土不能超耐久的另一主要因素是水泥石中水化物不稳定。掺合料具有良好的细度和活性，其细微的颗粒可以填充混凝土中有机的大孔，在混凝土中掺入活性矿物掺料可以改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料中含有大量活性sio：及al20，它们能和波特兰水泥水化产物发生二次反应，从而达到改善水化胶凝物质组成、降低混凝土的孔隙率和改善孔结构目的，使水泥石结构更为致密，并能改善集料与水泥石的界面结构和界面区的性能，提高混凝土强度，改善耐久性5。

12、2.5 保证一定的强度强度与耐久性密切相关，在排除内部破坏因素的条件下，随着混凝土强度的提高，其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。当混凝土能充分密实时，混凝土的孔隙率随着水灰比的降低而降低，混凝土的强度不断提高，同时也提高了抗渗性，因此各种耐久性指标也随之提高。高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比，优质原材料，低水泥用量，减少混凝土内部孔隙率。高性能混凝土中除掺入高效减水剂外，还掺入了活性矿物掺料，在增加了混凝土致密性的同时，也降低了游离氧化钙的含量，从而大幅度提高了混凝土的强度和耐久性5。2.6 防止钢筋锈蚀钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件(包括预应力混凝土构件)的耐久性受影响很大，在进行混凝土结构设计

13、时，要充分考虑构件钢筋锈蚀对结构的影响，在工程实际中，根据现场条件、工程实际等因素综合考虑，有针对性地制定相应的措施防止构件钢筋腐蚀，确保混凝土耐久性6。防止钢筋锈蚀的根本途径不是控制外荷载引起的横向裂缝宽度，而是减慢二氧化碳、氧、水等腐蚀因子通过混凝土保护层向钢筋表面渗透扩散的速度，以及防止氯离子在钢筋表面和积聚。方法有两类：第一类是采用防护材料和外部措施，如采用喷塑(对脂)钢筋、钢筋表面镀锌、混凝土中掺各缓凝剂、混凝土表面涂刷防护面层、用用聚和物侵蚀混凝土表层以及设置阴极保护措施等等；第二类比较方便和经济的方法是利用和加强混凝土保护层自身的保护功能。实践证明后一种方法也是有效的6。2.7

14、加强施工管理严格控制施工配合比，搅拌必须均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。混凝土构件的侵蚀病害都是从表面开始的，在混凝土终凝前做好原浆抹面压光，增强表面密实度，也可采用表面浸渍和表面涂覆的手段来降低混凝土表面渗透性。混凝土的耐久性问题是一个综合性问题，涉及环境、材料、设计和施工等诸多因素，只有正确地进行结构设计，合理地选择材料，严格地控制施工质量以及在其使用阶段实行必要的管理和维护，才能保证混凝土结构的耐久性7。3. 混凝土耐久性研究现状混凝土的耐久性贯穿混凝土结构设计、材料选择、施工和运行管理的全过程。研究混凝土的耐久性不能脱离

15、结构型式、应力状态、环境条件(包括大环境和局部环境)。根据研究对象可分为材料层次、构件层次和结构层次。材料层次的研究重点是劣化机理、防劣化技术措施、评定标准和劣化状态识别等；结构(构件)层次的研究更注重劣化对结构(构件)层次承载力和安全性的影响评价(健康诊断)、极限状态判断、使用寿命预测、修复补救措施等。根据造成混凝土劣化的主导因素和机理，混凝土耐久性问题研究主要集中在以下4个方面：(1)钢筋锈蚀：氯盐腐蚀(海洋及近海环境、除冰盐环境、盐湖环境、海砂及外加剂)，保护层中性化(碳化、大气污染及酸雨、酸性介质)，杂散电流腐蚀；(2)冻融作用：淡水冻融，盐水冻融(海水、盐湖等)，盐冻(除冰盐)；(3

16、)环境水和盐类侵蚀：硫酸盐(镁盐)侵蚀，溶出性侵蚀(渗透溶蚀、碳酸侵蚀)，土壤腐蚀(中碱性土、酸性土、内陆盐土、海滨盐土)，盐卤腐蚀(海洋及近海、盐湖)，泛酸性侵蚀(ph4的环境水、污水)；(4)碱骨料反应：碱硅酸反应，碱碳酸反应。回顾混凝土耐久性的研究历史可以发现，劣化形式的研究都遵循着相同的轨迹，即劣化机理研究、提高材料耐久性的措施研究、耐久性测试方法和评定标准，劣化状态对材料性能的影响，然后过渡到结构承载力和安全性的影响评价、极限状态判断、使用寿命预测、修复补救措施。世界范围内的大量文献资料表明，在材料层次上对各种破坏形式的劣化机理和对策、耐久性测试和评定标准、劣化状态识别等方面取得了丰

17、富成熟的定性分析成果，但在劣化状态对材料性能的影响方面的研究不足，将劣化机理和性能衰变规律由定性分析转变成定量分析存在很大困难；大多数基于材料层次研究成果提出的材料耐久性测试方法和评定标准不适合用作混凝土结构工程的使用寿命预测和安全性评价，造成了当前混凝土耐久性研究在材料层次和结构层次的脱节8。4. 混凝土耐久性研究的发展趋势随着技术的发展，人们对混凝土耐久性的研究越来越有针对性。针对传统混凝土结构及构件钢筋保护层混凝土寿命较低，耐久性不良的现状，通过对普通混凝土细观层次上(50100 m)的浆一骨界面过渡区进行优化或改善，以耐久性设计为主要目标，设计制备出内部细观界面大幅度优化的高致密保护层

18、混凝土(highdense concrete cover，简称hdc)，并针对其抗渗性、抗钢筋锈蚀、抗酸性气体腐蚀以及抗冻性等耐久性能展开系统的试验研究。结果表明，所制备的hdc抗渗性优良，评价结果为渗透性“非常低”；hdc抗钢筋锈蚀性能相比普通混凝土保护层得到大幅度增强；在co2 、so2加速侵蚀条件下，hdc 90 d中性化深度不足1mm；而hdc冻融后外观形貌、质量损失以及相对动弹性模量等表征抗冻性能的关键指标均明显优于普通混凝土。同时sem微观试验结果表明，hdc浆一骨界面过渡区尺寸得到有效降低，增加了混凝土微结构密实度。说明hdc特殊的制备技术及其材料本征特性能有效提升了材料的综合性

19、能，从而延长结构的服役寿命9。针对提高钢筋混凝土的抗冻性和抗渗性，加入引气剂。在保证混凝土具有一定强度的前提下，引气可显著改善混凝土综合耐久性能在同强度下，引气可改善混凝土的抗渗性能，对提高抗c|_离子侵入、硫酸盐化学侵蚀、碳化等化学侵蚀引起的破坏有利；引气还可显著改善混凝土因受冻、碱集料反应和盐结晶等引起的破坏10。 此外，“混凝土耐久性的整体论模型”和“混凝土结构寿命周期评定”称得上是对混凝土耐久性问题的全新认识和理解，将会对混凝土耐久性研究的方向和混凝土工程的建设管理产生重要影响，而且这种影响已经发生。 (1)美国著名混凝土材料科学家pmehta综合导致混凝土劣化破坏的因素和过程，提出了

20、“混凝土耐久性的整体论模型” 。混凝土制备、浇注、养护完成后，形成了一个相对不透水，但存在非连续微裂缝且多孔的混凝土结构；在服役期的第一个阶段，受荷载和大气环境作用(干湿和冷热循环)促使微裂缝扩展直到连通，使混凝土渗透性显著增大；从第二阶段开始，水、氧气、二氧化碳和酸性离子能容易地渗入混凝土，这些介质的存在又促使各种物理、化学反应易于进行，结果是一方面孔隙水压增大，另一方面混凝土强度和刚度部分丧失。在这两个同步发生过程的影响下，材料逐渐开裂、剥落和体积减小，这反过来又引起渗透性显著增大，加速了混凝土破坏。该模型明确提出，不透水性是防止混凝土发生任何物理一化学破坏过程的第一道防线，在混凝土材料制

21、备、浇注、养护期必须充分重视，否则由于施工过程中的变异(离析、含气量损失、泌水、温度收缩、自生收缩、干缩)导致混凝土发育不良而从一开始就失去耐久性屏障，这就是为什么试验室混凝土性能与现场实体混凝土性能有巨大差异的根本原因所在。模型还告诉人们，在进行混凝土耐久性研究中必须考虑多因素的联合作用，在高应力作用下混凝土的抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性能会显著降低，冻融和收缩引发的钢筋混凝土保护层细微裂缝会使室内测定的混凝土的氯离子扩散系数失去意义。在混凝土结构服役过程中，干湿循环、冷热循环、冻融循环和加载、卸载循环都会对混凝土的微结构产生影响，进而影响混凝土的劣化破坏进程。模型的第三方面的启示是：基于数学模型

22、的寿命预测在选择关键参数方面更应注意现场数据采集和分析，避免重走用试验室数据代替现场数据做简单假设、精确复杂计算的老路8。 (2)“混凝土结构寿命周期评价”(lifecycle assessment of concrete，缩写lca)是在世界人口膨胀、能源供应紧张、环境污染、温室效应导致的气候变暖和生态恶化的大背景下提出的。lca考虑了混凝土使用周期的全过程，包括原材料开采、混凝土制备、施工、寿命周期内的维护、破坏、处置和再循环利用等 。lca包含寿命周期环境影响评价(lifecycle impact assessment，缩写lcia)和寿命周期成本分析(whole life costin

23、g，缩写wlc)两方面内容。使用lca对混凝土材料方案或单元结构设计方案进行寿命周期内的环境影响评价和成本分析，能达到在全寿命周期内优选采用对环境影响小且经济合理的最优目标方案的目的。lca构建了一种科学系统的分析评价模式，在欧盟国家很受推崇，多个组织纷纷提出了各自的方法，但还没有一种方法得到公认。lca是一个相当复杂的体系，涉及使用寿命、使用寿命设计和预测(耐久性预测)、寿命终止等概念，要达到用lca定量地进行寿命周期成本分析，还要做大量的研究工作8。目前，已建成的混凝土结构的质量和耐久性在很多情况下是不满足的。在南非，耐久性指数（di）的方法也已经被开发出来，并解决了这些问题。耐久性指数是

24、可以量化的参数，它的确定基于混凝土的质量，并且对材料类别，加工状况，环境因素非常敏感。该方法的提出是基于实验室研究和实际现浇混凝土施工，从而反映材料的性能和施工质量。合理耐久性设计和耐久性专业规范正在制定并在一些实际工程得到应用。本文介绍了运用耐久性指数（di）来完善耐久性专业规范的方法，从使用寿命的角度反映di的实用价值。接下来，本文介绍了在给定结构测定di的值的方法，并建议将di作为混凝土质量控制的一个指标。这是一种综合的方法，需要考虑不断改进和变化的参数，数据11。5. 小结随着技术的发展，人们对钢筋混凝土耐久性的研究越来越深入，但目前一般钢筋混凝土的耐久性还远不能满足人们的需要。对此，我们要从钢筋混凝土破坏的原因着手，有针对性的改善混凝土的配比，制备方法，做好养护措施以改善其耐久性。同时，要从实际出发，不单纯以实验室数据为准，多参考实际工程案例。在国外，耐久性模型，耐久性指数（di）的概