浅析我国西北地区混凝土结构耐久性影响因素及防治措施

1、 土木工程材料论文浅析我国西北地区混凝土结构耐久性影响因素及防治措施浅析我国西北地区混凝土结构耐久性影响因素及防治措施摘要: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作用，长期保持强度和外观完整性的能力。影响结构耐久性的因素很多，在西北地区，高寒、大温差、强辐射、干燥、大风沙、盐碱腐蚀等恶劣气候环境使得混凝土结构处于干湿变化、温度变化、冻融循环、盐碱腐蚀、风蚀等多种自然因素的作用下，日积月累，在混凝土结构中极易产生剥蚀、裂缝等，对混凝土的耐久性造成了很大的不利。本文将就以上影响该地区混凝土耐久性等因素，着重分析各种因素的破坏机理，并进行可行与可靠的检测与预见最后有针对地提出提高混

2、凝土耐久性的措施。从而提高原材料利用率、减少维修费用和人力，尽快走上资源节约型、经济型社会。中文关键词: 耐久性 盐渍 冻融循环 腐蚀 破坏 防治英文关键词:durability saline freeze-thaw cycle corrosion damage prevention正文:一、混凝土结构背景要想了解外界环境对混凝土耐久性的影响，就必须首先要了解混凝土自身结构和特性，组成成分和内部构造等方面着手进行，同时这些问题的阐明为明确各种因素对混凝土的破坏作用和防护措施提供了可靠的理论和实践依据。混凝土，简称为“混凝土（tóng）”：是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的

3、统称。通常讲的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水（或加入外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程。而以混凝土为主要材料建造的，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等称为混凝土结构。素混凝土材料具有较高的抗压强度，而抗拉强度却很低，故一般在以受压为主的结构构件中采用，如柱墩、基础墙等。钢筋混凝土结构合理地利用了钢筋和混凝土两者性能特点，可形成强度较高，刚度较大的结构，其耐久性和防火性能好，可模性好，结构造型灵活，以及整体性、延性好，适用于抗震结构等特点，因而在建筑结构及其他土木工程中得到广泛应用。预应力

4、混凝土由于合理有效地利用高强度钢材，从而节约钢材，减轻结构自重。由于抗裂性高，可建造水工、储水和其它不渗漏结构。二、西北地区耐久性影响因素破坏机理分析由于西部地区自身发展需要及国家西部大开发、西气东输等政策的导引，一些大型混凝土建筑正在逐步兴起。西部地区寒冷干燥、温差较大、盐积层广泛给桥梁混凝土的施工养护和后期材料性质带来不利影响。下面就冻融循环、盐的侵蚀、碳化作用对混凝土结构和性质的影响进行原理上的分析。1、冻融循环在引起混凝土耐久性破坏的因素中，冻融循环作用是最重要的因素之一，尤其在北方大部分地存在较为普遍，并对已建成的水利水电工程造成巨大破坏，有关的调查结果显示，冻融破坏是引起北方地区混

5、凝土结构耐久性的丧失主要原因。记录表明一些大型的混凝土工程一般运行30年左右，有的甚至不到20年就发生了受冻破坏。如云峰重力坝，运行19年后下游面受冻破损显著，表面剥蚀露出骨料，总面积约8500平方米。冻融破坏形式:混凝土冻融破坏有两种基本形式冻胀开裂和冻融剥蚀。冻胀开裂的特征是混凝土产生裂缝，裂缝在表面连结的同时向内部扩展延伸；盐冻剥蚀破坏是典型的冻融剥蚀破坏形式。冻融循环破坏机理： 混凝土的抗冻性是混凝土受到物理作用(干湿变化、温度变化、冻融变化等)后反映混凝土耐久性的重要指标之一。混凝土冻融作用破坏机理是混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在

6、某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中的水的冰点随着孔径的减小而降低。当胶凝孔水形成冰核的温度在-78 以下时，由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外胶凝不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大。发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。 2、氯离子

7、锈蚀和钢筋的碳化钢筋是 混凝土结构中重要的受力部件。钢筋主要受拉 混凝土主要受压。钢筋可分为受力筋和构造筋，受力筋又分主筋和腹筋，腹筋又分箍筋和弯起筋。受力筋就是承受拉压应力的钢筋， 构造筋包括支撑钢筋网架等等构造作用。因此研究外界因素对钢筋的破坏对了解混凝土耐久性影响因素具有重要的作用。西北地区混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是盐渍土中氯离子侵蚀，二是大气中的二氧化碳使混凝土产生中性化。(1)氯离子锈蚀氯离子进入混凝土中通常有两种途径：一是“混入”，如施工时掺用含氯离子成分的外加剂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制和浇筑混凝土等；其二是“渗入”，环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷

8、渗入到混凝土中，并通过长期渗透到达钢筋表面。“混入”现象大都是施工管理的问题i而“渗入”现象则是混凝土表面裂缝等技术问题，与混凝土材料的多孔性、密实性、工程质量以及钢筋表面混凝土保护层厚度，使用现场环境等多种因素相关。氯离子锈蚀破坏机制:1)、破坏钢筋表面钝化膜 水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当pH<l15时，膜层就开始不稳定；当pH<9，88时该钝化膜生成困难，或将已经生存的钝化膜逐渐破坏。氯是极强的去钝化剂，它进入混凝土到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，可使钢筋表面pH值降低到4以下，从而破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋

9、表面逐渐产生腐蚀。2）、在钢筋表面逐渐形成腐蚀电池，如果在大面积的钢筋表面上形成高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀性腐蚀，但是在不均质的混凝土中，常见的是局部坑状腐蚀。腐蚀电池作用的结果是，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阴极，蚀坑发展迅速很快。3）、加速了去极化作用 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。混凝土中氯离子的存在强化了离子通道，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程，使钢筋承载力大幅度下降。(2)、钢筋碳化钢筋混凝土结构随着服役时间的延长,受设计、施工和周围大气环境作用的影响,逐渐出现了老化现象,其中,大气环

10、境下保护层混凝土碳化是造成结构耐久性降低的主要原因之一。严重时,保护层混凝土因碳化而出现锈胀开裂,不得不提前维修甚至大修。西北地区降雨较少,蒸发量大,给混凝土结构的施工养护和后期材料性质带来不利影响。碳化机制: 大气环境下,混凝土碳化是一个缓慢的破坏过程,混凝土的碳化速度与结构混凝土保护层的质量和大气环境密切相关。空气中的二氧化碳 通过保护层混凝土孔隙,由外向内进行扩散,在一定的湿度条件下,与混凝土中的Ca (OH) 2 反应生成CaCO3。由于碳化后的混凝土碱度降低,将造成钢筋表面钝化膜破坏,保护层混凝土失去对钢筋的保护作用。野外暴露环境中的水、氧气会通过保护层扩散到钢筋和混凝土界面,使钢筋

11、发生电化学腐蚀反应。由于钢筋锈蚀后体积较原体积增大24倍,锈蚀层会导致保护层胀裂。开裂后的钢筋混凝土结构会以更快的锈蚀速度劣化,最后导致耐久性失效、结构承载能力下降甚至诱发结构破坏。在干旱地区施工的混凝土桥梁,由于表层混凝土干燥快、水化不充分等原因,在高原环境强烈的温差变化和风效应影响下,混凝土的收缩和脆性的增加,造成混凝土表面出现网状裂纹,使酸性气体在普通混凝土中扩散速度较快,这对野外暴露环境下桥梁混凝土的抗碳化性能是不利的。3、硫酸盐的腐蚀破坏作用硫酸盐的腐蚀破坏作用，有别于氯盐，其主要破坏对象是混凝土本身。虽然硫酸盐也对钢筋有腐蚀作用，但同等量的危害能力仅相当于氯盐的14。硫酸盐与混凝土

12、中的水泥水化物起化学反应，从而引起混凝土的微观或宏观破坏。硫酸盐破坏机制: 硫酸盐对混凝土的破坏，硫酸盐对硬化水泥的腐蚀属于膨胀性腐蚀，在侵蚀过程的初始阶段，由于硫酸盐在混凝土空隙中逐渐形成积聚，从而使混凝土的相对密度和强度有所增加，当混凝土中的孔隙和毛细孔中的结晶体继续增长而明显膨胀的时候，如芒硝与混凝土中Ca(OH)2反应生成石膏，可使体积膨胀约2倍。石膏进一步与混凝土中铝酸三钙反应，生成硫铝酸钙，其体积又可膨胀2倍。由此产生的巨大应力，足以引起混凝土微观结构甚至宏观破坏。此外，硫酸盐渗入混凝土中，在干湿交替的条件下，发生结晶也能引起体积膨胀，称作结晶侵蚀。当温度变化时，硫酸盐发生晶变，伴

13、之以体积膨胀。三、针对以上问题提出几点防治措施和预见手段针对混凝土耐久性的问题，从根源直接解决存在一定的困难，因为改变环境的可能性不大，所以只能针对机理，采取间接防护的措施来阻断或减弱破坏反应的发生。同时为了避免不必要的损失，要定期对混凝土耐久性进行评估，这也就需要一定的标准，所以先进的预见手段和模型的出现是不可或缺的。1、防冻融措施:(1) 、设计上的构造措施混凝土构筑物的构造措施应充分考虑构筑物各部分的形状、裂缝的防止措施、保温措施、外装材料的选用、防水方法等，以防止冻害的发生。由于混凝土产生冻害的最根本原因是水分的存在和环境温度的变化，因此应采取措施防止混凝土吸收水分，并避免构件的反复冻

14、融。（2）、 原材料以及混凝土配合比优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，选择合理的骨料，减少孔隙。降低其吸水率。加入引气剂或引气减水剂是防止混凝土冻害的摄有效措菔。引气剂使混凝土拌合物泌水量降低3O 4O，因此泌水通道的毛细管也相应减少。同时大量封闭的微小气泡的存在，堵塞或隔断了混凝土毛细管渗水通道，改变了混凝土的孔结构，使混凝土抗渗性提高，降低了含水量。另外，气泡有较大的弹性变形能力，对由于结冰所产生的膨胀应力有一定的缓冲作用，因而混凝土的抗冻性得到提高，耐久性也随之提高。加入减水剂也能够提高混凝土的抗冻融性能。这是因为某些水灰比很小的混凝土虽未加入引气剂，但因为混凝土结构致密，混凝土中的水

15、分不结冰或很少结冰，从而提高抗冻融性。但减水剂和引气剂同时使用时应注意它们的相容性。（3）施工措施1)混凝土生产过程中应控制好骨料的吸水率、混凝土的坍落度、水灰比与含气量等。2)混凝土拌合料在运输过程中应控制好含气量，其变化率不应大于1。3)混凝土拌合料的浇注与振捣应避免产生施工缝、蜂窝、麻面、塑性裂缝等影响混凝土抗冻性的缺陷。4)混凝土表层如果过早地失去水分，会使表层水化不充分，并产生多孔的疏松层，降低其抗冻性。因此刚浇注的混凝土应充分湿润养护，避免过早失去水分。2、抗氯离子及碳化措施 （1）结构采用高性能混凝土。侧重于高性能、抗渗性、体积稳定性、强度等。同时，充分的湿养护是使其获得高强度、

16、低孔隙率和高抗氯离子扩散能力所必不可少的。（2）协同保护:采用高性能混凝土来控制裂缝的产生与发展，再用钢筋阻锈剂抑制腐蚀，最后用具有一定弹性的涂层封闭涂装，以起到协同保护作用。这样钢筋阻锈剂起到。拾遗补缺”的作用，有效地阻止钢筋腐蚀发生，从而延长钢筋混凝土的使用耐久寿命。(3)涂料涂刷结构表面层保护:钢筋混凝土中实施涂料涂装保护是一种经济实用的防腐蚀技术措施。但涂装质量的控制十分关键，因此，实施涂料涂装的钢筋混凝土构件，首先必须进行控裂设计，至少达到构件在不同工况条件下受拉弯区裂缝的缝宽基本不变，以确保涂层保护的效果。完好的混凝土保护涂层具有阻挡腐蚀性介质与混凝土表面的接触特点，从而延长混凝土

17、和钢筋混凝土的使用寿命。(4)增加混凝土保护层厚度:这是提高劣质土钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。不仅可以防止氯离子的腐蚀还可以防止钢筋的碳化。但是保护层厚度并不能无限制地增加。当保护层厚度过厚时，混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用，在正常情况下接触盐渍土结构件保护层厚度不小于40mm为宜。3、抗硫酸盐侵蚀措施(1)降低水泥熟料中的C3A与C3S含量:我国水泥工业生产的水泥主要是硅酸类水泥, 水泥石结构中的氢氧化钙和水化铝酸的多少, 主要取决于硅酸盐水泥熟料中的硅酸三钙C3S与铝酸三钙C3A两种矿物成分的多少和水泥中熟料的数量。

18、为了提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性, 减少或控制水泥熟料中的C3A和C3S的含量是最为有效的措施之一。(2)掺优质矿物掺合料:在混凝土中掺入适量的火山灰质矿物掺合料、粉煤灰、矿渣微粉、硅粉等取代部分水泥, 可有效地改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。掺合料取代部分水泥, 将冲淡水泥中的C3S与C3A含量, 相当于混凝土所用的材料是低C3A和C3S水泥,它是抗硫酸盐侵蚀的有效措施之一。其次掺合料与水泥水化过程中产生的Ca( OH) 2 起化学反应生成CSH 凝胶, 除了能消除一部分Ca( OH) 2 外, 还能提高混凝土的强度。Ca( OH) 2 的消除会减轻其膨胀危害, 强度的提高能限制其膨胀破坏。4、混

19、凝土耐久性预测 近几年, 不仅预测氯离子腐蚀, 而且相关硫酸盐腐蚀、冻融、碱集料反应等的“模型”也在发展中。目标是建立“复合型”预测模型, 考虑的复合因素包括:传质机理:离子扩散、离子移动、电偶极、微观裂纹、宏观裂纹;化学作用: 化学反应、内部环境;腐蚀科学: 腐蚀开始、腐蚀发展、破坏曲线;暴露条件: 微观与宏观、可变性与循环、区域范围;破坏机理: 氯离子腐蚀、碳化、硫酸盐腐蚀、碱集料反应、滞后钙矾石形成、冻融;模型功能: 保护与修复策略、可靠度、全寿命经济分析、新结构与老结构模型。新的模型( SUMMA) , 可适用于新、老结构的寿命预测。所有防护技术都包括在模型内, 还包括修复、防护技术。

20、但使用者必须正确选择可变化因素, 如混凝土配比、混凝土层厚、阻锈剂、各类钢筋、外涂层等。通过优选对比, 得到给定寿命前提下的不同经济成本的比较, 从中确定最低成本。复合型“模型”, 较之“单一型”有了突破性进展, 但给“模型”使用者仍然留下很大空间, 而且“模型”更着重于防腐蚀策略的选择和技术经济的优化, 这需要使用者有选择、判断和正确决策的能力。结论:混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题，要解决好这个问题需要进行多方面的工作。钢筋混凝土结构耐久性应由正确的结构设计、材料选择以及严格的施工质量来保证，同时应注意对其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样，才能保证和提高混凝土结构的耐久性，才能保证我国建筑事业的可持续发展.影响结