钢筋混凝土结构耐久性研究

张亚峰 王延安 鲍 林

钢筋混凝土结构随着服役时间的增加,其结构中将会出现各种各样的病害。如果混凝土结构的施工质量不佳或结构物设计有缺陷等,都会加速病害的进一步发展。在过分追求经济效益的现在,这种问题更值得关注。我国混凝土结构量大面广,随着环境的变迁和功能要求的提高,耐久性问题越来越突出,是迫切需要加以解决的问题。

1 影响混凝土结构耐久性的因素

在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上,Metha教授指出:“当今世界混凝土破坏原因按重要性递减顺序排列是:钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。”其中侵蚀环境下的物理化学作用包括淡水及酸性水侵蚀、混凝土的碳化等。

1.1 钢筋的锈蚀

钢筋锈蚀不仅与混凝土外保护层厚度、密实度有关,而且与混凝土的组成、pH值、有害离子含量、混凝土含水量等诸多因素密切相关。当空气中的二氧化碳、水汽和氯离子等有害物质从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时,会和混凝土材料中的碱性物质发生中和反应,使混凝土中的pH值降低,钢筋的钝化膜就会破坏,在氧气、水等的共同作用下,钢筋就会发生锈蚀。生成的铁锈体积比原金属增大2倍～4倍,产生膨胀压力,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道,使钢筋的锈蚀加剧,加快结构的损坏。

1.2 混凝土的冻融

当结构处于冰点以下环境时,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,当压力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土即产生开裂破坏。

1.3 化学侵蚀

当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学、物理与物化变化,而逐步受到侵蚀。

1)混凝土的碳化。混凝土在空气中的碳化是最常见的一种形式。大气中的二氧化碳时刻在向混凝土的内部扩散,与混凝土中的氢氧化钙等发生反应,生成碳酸盐或者其他物质,从而使水泥石原有的强碱性降低,这种现象就称为混凝土的碳化。同时,混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩,这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏,对混凝土的耐久性产生严重影响。

2)淡水及酸性水侵蚀。淡水的冲刷会溶解水泥石中的组分,形成一些没有粘结能力的SiO·2nH2O及Al(OH)3,使水泥石孔隙增加,密实度降低,混凝土强度降低,从而进一步造成对水泥石的破坏。当水中溶有一些酸类时,水泥石就受到浸析和化学溶解双重作用,使混凝土的侵蚀明显加速。酸溶液与水泥石中的氢氧化钙作用生成水和可溶性钙盐,同时能直接与硅酸盐、铝酸盐作用使之分解,使混凝土结构遭到严重的破坏。

3)硫酸盐的侵蚀。硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应生成石膏和硫铝酸钙,产生体积膨胀,使混凝土瓦解。

4)氯盐的腐蚀。混凝土中的氯离子主要来源有原材料、海洋环境、道路除冰盐、盐湖和盐碱地、工业环境等。混凝土在使用寿命期间,氯化物是一种最危险的侵蚀介质,它的危害是多方面的,它可以使钢筋锈蚀、混凝土剥落、碱度降低等。

2 提高混凝土结构耐久性的主要措施

2.1 提高钢筋混凝土结构抗锈性能的方法

1)机械除锈法。首先通过人工或高压水喷射,去除因钢筋锈胀产生的混凝土表面松散层,然后进行修补或替换已锈蚀的钢筋,在钢筋表面涂刷阻锈层,再用密实水泥砂浆或细石混凝土覆盖抹平。即使修补质量较好,修补处的砂浆或混凝土与周围混凝土含盐量不同,密实性差,也有可能构成新的宏观腐蚀电池,使邻近这个界面的混凝土中钢筋形成新的阳极区,加速钢筋锈蚀。另外,这种方法施工比较麻烦,工期较长,施工质量不易控制。

2)环氧涂层钢筋法。该方法是在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末,形成一层具有一定厚度的坚韧不渗透连续的绝缘层,可以隔离钢筋与腐蚀介质的接触。使用这种钢筋会使钢筋与混凝土之间的粘合力降低35%,并且需要严格注意不得破坏涂层。

3)阴极保护法。阴极保护法有牺牲阳极和外加电流两种方式:牺牲阳极的阴极保护法是采用电化学上比钢更活泼,即电位更负的金属作为阳极,与被保护的钢筋相连接,以其本身的锈蚀提供自由电子来对钢筋实施保护。该方法不需外部直接电流,施工简便不必经常护理。但由于提供的电流有限,此法不适用于暴露于大气中的混凝土结构中的保护。外加电流阴极保护法是采用外加电流使被保护钢筋上所有阳极区均变成阴极区来对钢筋进行保护的方法。一般做法是在混凝土表面涂一层导电涂料或埋设导电材料与直流电流正极相连,形成新的电位差,使原钢筋骨架转化为阴极。

4)阻锈剂法。钢筋阻锈剂是指加入混凝土中或涂刷在硬化混凝土表面,能阻止或减缓钢筋腐蚀的化学物质。一些能改善混凝土对钢筋防护性能的添加剂或外涂保护剂(如硅灰、硅烷浸渍剂等)不属于钢筋阻锈剂范畴,钢筋阻锈剂必须能直接阻止或延缓钢筋锈蚀的电化学过程。钢筋阻锈剂使用比较方便,无需专门维护,且费用比较低廉,为世界各国广泛推广采用。

2.2 提高钢筋混凝土结构抗冻性的方法

长期的工程实践与室内研究资料表明:提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂。

2.3 提高钢筋混凝土结构抗化学侵蚀性的方法

一般硅粉减少渗透性的效果要大于强度的增加,特别在硅粉以小掺量掺入低强混凝土时更是如此。对于掺入一定量的硅粉的高性能混凝土,水胶比通常小于0.4,且有超细微粒填充,因此,掺入硅粉的高性能混凝土具有非常好的抗渗能力。因为加入硅粉可以明显地降低混凝土渗透性及减少游离的Ca(OH)2,从而提高了混凝土抗化学侵蚀能力。在混凝土中掺入硅粉,能减少Ca(OH)2含量,增加混凝土密实性,有效提高弱酸腐蚀能力,但在强酸或高深度的弱酸中不行,因混凝土中的C—S—H在酸中分解,另外,它还能抗盐类腐蚀,尤其是对氯盐及硫酸盐类。

3 结语

影响混凝土结构耐久性是多方面的,因此,工程中应根据具体情况,有针对性地采取相应措施,提高混凝土的耐久性。只有这样,混凝土结构才会真正经久耐用,才能够更好地适应我国现代化建设的需求。

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