混凝土研究现状

混凝土耐久性研究现状一、概述水泥混凝土以其原材料易得、易浇注成型、适应性强、性价比高、综合能耗低等优点而成为当今世界上应用最广泛、用量最大的建筑材料。尽管现代材料科学发展日新月异,但仍然没有科学家能预言可替代水泥混凝土的建筑材料新品种。从20世纪30—40年代开始,西方国家出于战后重建、工业化、城市化以及能源开发的需要，用混凝土修建了大量的基础设施,混凝土用量持续增长。之后，发展中国家经济的强劲增长进一步助推了混凝土用量的迅猛增长[1]然而从混凝土运用到实际工程的这100多年里，许多混凝土结构并无法达到设计师预估的服役年限，很多提前就已经失效了。这其中有些是由于设计抗力能力不足导致，有的是由于使用荷载连续不利变化造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足而造成的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋中盐类对混凝土的腐蚀，尤其是对钢筋的锈蚀而造成结构的提早损坏，从而丧失了耐久性。早期损坏的结构需要花费大量的人力物力进行维修加固，甚至会造成有关安全性的重大问题。据国内外记载的资料可知，因为混凝土耐久性不足而造成的经济损失是在混凝土所有破坏中占比最大的，远超过了人们对它的预估，国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，那么就意味着发现钢筋锈蚀时，采取措施将追加维修费5美元。混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元，严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。所以对于土木工程研究者来说，混凝土的耐久性研究应是重中之重。二、国内外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)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(pH≤4的环境水、污水);(4)碱骨料反应:碱硅酸反应,碱碳酸反应。[2]对此国内外的学者主要从混凝土的抗渗透性，抗腐蚀性和抗冻性三个方面着手进行混凝土的耐久性研究。如在抗冻方面1945年,Powers提出了混凝土冻融破坏的毛细孔水结冰静水压假说。静水压理论：冰首先在混凝土的表面上形成，把试件内部封闭起来由于结冰膨胀所造成的压力迫使水分向内进入饱和度较小的区域混凝土渗透性较大时,形成水压梯度,对孔壁产生压力,随着冷却速度的加快,水饱和度的提高和气孔间隔的增大以及渗透性和气孔尺寸的减小,水压将会增高，当水压超过了混凝土抗拉极限强度时，孔壁就会破裂，混凝土受到损害。结果在气温上升结冰融解之后又发生冻结。这种反复出现的冻融交替具有累积的作用,使混凝土的裂缝扩张,表面剥落直至完全瓦解[3],之后Powers又与Helmuth一起提出了渗透压假说：渗透压理论含有未冻水的孔与含冰和离子溶液的大孔之间的渗透压毛细孔与凝胶孔内溶液之间的浓度差会引起凝胶孔向毛细孔中的扩散,从而形成了渗透压趋于平衡使孔壁的压力增加。即使水中没有离子溶解,水分子从小孔到含冰孔扩散时也有类似渗透压作用。1975年,Fagerlund提出了混凝土抗冻性的临界水饱和度理论,很好地解释了混凝土的冻融破坏现象[4]Setzer的微冰晶透镜模型理论指出，冻融作用主要是一个饱和作用发生的过程，只有混凝土达到一定的饱和程度，内部破坏才有可能发生。[5]这些假说的提出对研究混凝土材料领域起着至关重要的作用,引领着后来的学者在混凝土抗冻领域进行深入研究。目前有关混凝土冻融的研究工作主要有混凝土冻融破坏机理的进一步深入探讨、提高混凝土抗冻性的措施和冻融耐久性劣化预测模型等方面。到目前为止,混凝土的受冻破坏机理还不是完全清楚,它可以是由于静水压或者是渗透压,或者是冻融过程中水分迁移的不连续性,混凝土内部的临界饱和度,或者微冰晶透镜的长大,或者上述一个或者几个作用机理的结。一些学者在前人的基础上提出了一些新的理论如热弹性应力理论低温腐蚀理论等。对改善混凝土抗冻性的研究主要是从冻融破坏的机理出发,针对混凝土内部结构组成和外部环境条件对抗冻性的影响,提出了一些提高混凝土抗冻性的措施如：在表面刷涂有机硅涂料[6]，降低混凝土水胶比提高强度和密实性,掺加引气剂适当引气，降低饱水程度、释放结冰水压力,选用低吸水率骨料成为提高和保证混凝土抗冻性。[7]在冻融耐久性劣化预测模型方面，试验室里，通常以试件的冻融循环次数或试件的动弹性模量或抗冻融耐久性指数为指标来评价混凝土的抗冻融性能。同济大学建立了以抗冻融耐久性指数为抗冻融指标,以含气量与水灰比为材料特征参数的混凝土抗冻性数学模型[8]，文献[8]还介绍了1996年科威特学者E.K.Attiogbe提出的一种评估已建混凝土抗冻性的新方法，即混凝土样芯坐标作图法。抗腐蚀性方面混凝土中钢筋的腐蚀是导致整个结构破坏的主要因素之一。钢筋表面生成铁锈，体积增大约2.5倍，混凝土中的钢筋锈蚀到一定程度，由于钢筋产生的体积胀力足以使保护层混凝土开裂，给侵蚀性物质的进入提供了有利的条件，造成钢筋锈蚀的进一步加剧。由上文可知钢筋腐蚀是由几个方面造成的，最主要的如氯盐腐蚀，硫酸盐腐蚀。碳化作用。硫酸盐腐蚀：1892年，米哈埃利斯在受侵蚀的混凝土中发现被称之为“水泥杆菌”的针粒状晶体（实质上就是钙矾石）,由此最早发现硫酸盐对混凝土的侵蚀作用[9]在此基础上，国外学者对硫酸盐侵蚀的问题进行了很多研究，如1923年的美国学者米勒从1923年开始在含硫酸盐土壤中进行混凝土的腐蚀试验。[10]1925年在密勒的领导下，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期试验。联邦德国钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物在自然条件下遭受沼泽水腐蚀进行了大量的试验。Cornet的研究实验表明由于SO42-的去钝化作用致使混凝土中的钢筋发生强烈腐蚀[11]我国关于混凝土耐久性的腐蚀试验开展比较晚，始于20世纪50年代。1958年，在国家科委领导下，在1959年至1964年期间，在全国各类土壤中建立了一批试验站，后在“七五”期间又在全国建立了18个新的土壤腐蚀试验站，通过定期对试验站内埋设的混凝土进行检测，从而建立了科学、可靠的实测数据。20世纪60年代南京水利科学研究院开始进行钢筋锈蚀的研究。铁道科学研究院防腐蚀组结合我国西部硫酸盐腐蚀的环境条件，开展了室内长期浸泡、室外埋设试件的研究。在后续的研究工作中，各学者均在国家规范的基础上，根据拟测试的目标制定了不同的试验方案以及相应的评定标准，并积累护层厚度以内的抗渗透能力。按标准方法确定的抗渗等级较高的混凝土，也不是在大多数情况下都具有比较好的抗渗性。随着混凝土内部孔径尺寸的减小，对混凝土耐久性影响最大的表层混凝土的渗透速度是一个由大变小，再由小变大，最后又重新变小的重复过程。[29]此文献还指出想要提高混凝土的抗渗性，既可以使混凝土形成以超微孔为主的孔隙体系，也可以使其形成以尽量细的非毛细孔为主的孔隙体系，这两种途径都可以大幅减小混凝土的毛细孔压力。此外，前者能同时提高混凝土的孔隙阻力，更适合水压力较高的环境；后者不能大幅度提高混凝土的孔隙阻力，不太适合水压力过高的环境，但对于临界渗透深度以内的混凝土表层或钢筋保护层，仍比毛细孔半径相对较细的混凝土具有较好的抗渗性。4.结语已有的损失和教训告诫我们，混凝土结构的耐久性直接关系着国民经济的顺利发展以及人民生命和财产的安全，所以世界各国均十分重视该方面的研究。以上是分别从混凝土的三个不同性质方向进行单独论述来评测混凝土的耐久性，然而由于混凝土结构本身的复杂性及影响因素的不确定性，仅仅只通过研究某一单一影响因素下材料的破坏性来解决混凝土结构耐久性问题是不全面的，应在单因素研究的基础上进行多因素混凝土结构耐久性的研究。参考文献:[1]覃维祖译自:P.-C.Aïtcin.Cementsofyesterdayandtoday:Concreteoftomorrow[J].CementandConcreteResearch,2000(9)[2]陈改新混凝土耐久性的研究、应用和发展[J]趋势中国水利水电科学研究院结构材料研究所,北京100038[3]PowersTC.A.WorkingHypothesisforFurtherStudiesofFrostResis-tanceofConcrete[J].Proceedings,AmericanConcreteInstitute,1945,41:245～2724.[4] PowerTC.,HelmuthRA.TheoryofVolumeChangeinHardenedPort-landCementPasteDuringFreezing[J].Proceedings,HighwayResearchBoard,1953,32:285～287[5]金伟良赵习羽混凝土结构耐久性科学出版社,2002[6]李中华巴恒静哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150006[J]除冰盐环境下混凝土有机硅涂层防护性能研究[7]卫军混凝土结构耐久性的研究现状和发展方向[J]华中科技大学土木工程与力学学院武汉430074[8]吴学礼,杨全兵,朱蓓蓉,等·混凝土抗冻性的评估[J]·混凝土,1999,(6):9-12[9]PaulBrown,R.D.Hooton,BoyClark.Microstructuralchangesinconcreteswithsulfateexposure[J].CementConcreteComposites2004,8(26):993-999.[10]林毓梅，冯琳.在海水中混凝土应力腐蚀试验研究[J].水利学报，1995（2）：40-45.[11]CornetIMateriaisProtection.1964.（3）.90[12]刘晓敏，宋光铃，林海潮，等．混凝土中钢筋腐蚀破坏的研究概况［J］．材料保护，1996，29（6）：16[13]马亚丽，张爱林基于规定可靠指标的混凝土结构氯离子侵蚀耐久寿命预测[J].土木工程学报,2006:39-2[14]金伟良，张苑竹.预估混凝土氯离子分布的新方法[J]浙江大学学报，2004：38-2[15]SousaCoutinho.ThecombinedbenefitsofCPFandRHAinimprovingthedurabilityofconcretestructures.CementandConcreteComposites,Volume25,Number1,January2003,pp.51-59(9).[16]宋玉普，宋立元等混凝土海洋平台抗氯离子侵蚀耐久寿命预测试验研究[J].大连理工大学学报，2005（9）：45-5[17]曹双寅混凝土，1990,2：32[18]邸小云，等.旧建筑物的检测加固与维修.地震出版社，1992[19]曹丹盈，王博.工业建筑，1997，27;6[20]张海燕，李光宇等混凝土碳化试验研究.[J]中国农村水利水电，2006年第8期[21]杨建森，王培铭盐碱溶液对混凝土碳化性能的影响[J]同济大学学报自然科学版2007年3月第55卷第3期[22]阿茹罕，阎培渝.不同粉煤灰掺量混凝土的碳化特性.[J]硅酸盐学报，2006年1月第39卷第一期[23]张鹏，赵铁军等.冻融前后混凝土碳化性能试验研究.[J]混凝土，2007年第5期：(6-8)[24]吴用贤.预应力混凝土构件碳化及氯离子侵蚀试验[D].上海：同济大学桥梁工程系，2009[25]田浩，李国平，刘杰，吴用贤受力状态下混凝土试件碳化试验研究[J]同济大学学报2010年2月[26]张粉芹，陈纪胜，王起才.恒定