建筑混凝土耐久性的预测与影响因素探讨

王 晖

混凝土在大坝、桥梁、公路、铁路、隧道、海港、码头、机场、地铁、工业及民用建筑等方面均获得日益广泛的应用。混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种环境因素作用,长期保持完整性和使用性的能力。长期以来,人们一直以为混凝土是一种耐久性优良的材料,但随着时间的推移,混凝土因耐久性不足而过早破坏的工程实例屡见不鲜。

我国正在进行空前规模的土木工程建设,混凝土用量连续多年来处于世界第一位。混凝土的耐久性是我国面临的重大而迫切的问题之一。同时,我国大量已有的钢筋混凝土结构,达不到设计寿命、过早破坏的问题也突显出来,这是需要我们认真对待的。

混凝土耐久性研究,涉及到广泛的技术、学术领域,其中,相关寿命预测的课题成为国内外研究的热点。寿命预测的必要性与重要性是不言而喻的。新建工程的设计阶段,就需要以寿命预测作基础,这种预测的准确度越高,该工程的寿命保障的可靠性就越大(反之也成立)。而对于已有工程,何时需要修复、修复后的耐久性如何等,也是需要预测的。在预测的同时,关于影响建筑混凝土耐久性的因素也是研究的重点。

1 腐蚀与混凝土耐久性的预测

目前,世界上公布的混凝土耐久性寿命预测“模型”已经有不少,更多的研究正在进行中。研究最多的“模型”是与腐蚀相关,特别是有关钢筋腐蚀与混凝土耐久性关系的“模型”的研究,是最普遍和深入的。目前,进入工程使用的“模型”,多以氯离子引起钢筋腐蚀为出发点。目前,“模型”研究虽然取得了长足进展,但从工程使用的角度看,仍然是“初步的”。各类“模型”的可靠性有很多差别,关键是大量基础数据的采集与积累。仅有少量试验室数据或靠“假设”所建立起来的“模型”是很少有使用价值的。

1.1 “模型”的发展过程及应用

国内外对以基础设施为主的混凝土结构,提出50年～100年的使用年限要求(如跨江、跨海大桥、重要场馆等),有些要求年限更长(如水电、核电站等)。在氯盐环境下(海洋环境、使用化冰盐),实践证明,达到所期望的使用年限并不是容易的。首先必须从设计者做起(设计阶段就考虑到耐久性问题与选择保障措施)。而寿命预测“模型”是设计者的帮手和依靠工具。“模型”的第一功能是帮助确立“寿命期”(或修复期);第二功能与任务是优选延长结构寿命的措施。第二点应该着重强调,因为它包含了实现长寿命的许多具体技术措施,如混凝土方面,包括水泥品种、水灰比、混凝土层厚,掺加硅粉、粉煤灰、阻锈剂等(高性能混凝土);钢筋方面包括普通钢筋、耐蚀钢筋、环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋、非金属钢筋等;还有混凝土外涂层、阴极保护等。有些技术可以达到100年以上的寿命,但还有经济可行性问题,能源、资源问题等。这就需要预测、优选,从而确认初始防护措施、最优修复时机与方法等,最终达到在结构使用寿命期内总花费最少的目的(保证寿命前提下技术、经济合理)。因此,寿命预测“模型”的最终任务是帮助实现“全寿命经济分析”。

1.2 主要的研究应用

寿命预测“模型”科学还处在初始阶段。许多年前主要靠经验,而后采用菲克第二定律,实验室测定扩散系数,发展到采用计算机技术,建立耐久性模型(DURIMODEL)作为腐蚀破坏的评估工具。美国、欧洲、日本等国家,已经有一些“模型”可供应用(多以氯盐和临水环境为主)。美国混凝土学会(ACI)与几个单位联合,于1990年发展了Life365的早期模型。后经多次修正、补充,现已经广泛推荐用于氯盐环境的混凝土寿命预测。然而,此方法仅限于单一的扩散机理。最近几年,欧洲也发展了寿命预测模型,但也多是对腐蚀方面的预测。近期,美国海军推出了新的模型(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。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(或者最低维护成本者)。复合型“模型”较之“单一型”有了突破性进展。

2 影响混凝土耐久性的主要因素及分析

2.1 耐久性的影响因素

混凝土是一种非均匀的多孔材料,在外界侵蚀性介质如二氧化碳、水、氯离子、硫酸盐等的侵蚀作用下,会加速破坏,耐久性下降,使用寿命大大缩短。导致混凝土耐久性下降的因素主要分为物理作用和化学作用两个方面。物理作用包括:冻融、干湿和高温作用。化学作用包括:硫酸盐侵蚀、酸碱侵蚀、金属腐蚀、溶解与析晶、碳化、收缩和碱集料反应。从工程实践上看,混凝土的耐久性破坏常常是物理和化学综合作用的结果,而且导致混凝土耐久性下降的物理和化学作用都与气体、水及其溶解的有害物质从混凝土表面进入混凝土内部的渗透过程相关。因此,混凝土内部结构中的裂缝和连通孔隙等缺陷是影响混凝土耐久性最关键的因素。因此要提高混凝土的耐久性,提高其抵抗外界环境的能力,必须从改善混凝土自身结构缺陷入手。要改善混凝土自身结构缺陷,则需减少混凝土凝结过程的泌水量;减少混凝土坍落度损失;增大混凝土密实度;增强水化产物的强度;降低混凝土弹性模量;削弱水泥水化放热峰的强度;推迟水泥水化放热最高峰出现的时间等。

2.2 外加剂对混凝土耐久性的影响

2.2.1 减水剂对混凝土耐久性的负面影响

熊大玉等认为掺加萘系减水剂和三聚氰胺系减水剂的新拌混凝土坍落度损失较大,混凝土发粘,易产生离析泌水,在混凝土内部结构中形成连通通道和孔隙结构。在大体积混凝土施工中,掺加萘系减水剂加速了水泥水化放热速率,导致水泥水化热短时间放出,大大增加混凝土温度梯度和收缩变形,内部拉应力增大导致混凝土结构出现裂缝,从而对混凝土抗渗性等耐久性能产生不利的影响。Mohammed TU对掺入松香系引气剂AEA、木素磺酸盐系减水剂WRA、萘系、三聚氰胺系、聚羧酸盐系、氨基磺酸盐系高效减水剂以及乙二醇醚系减缩剂的混凝土进行长达10年的抗海水侵蚀试验,试验结果表明掺入聚羧酸盐系高效减水剂的混凝土抗压强度发展及抗氯化物腐蚀性能较差。

2.2.2 减水剂对混凝土耐久性的正面影响

Kenntht研究表明,高效减水剂通过降低混凝土水灰比,减少硬化混凝土孔隙率,提高混凝土密实度,并可降低混凝土中界面区的结晶水化物取向度,改善界面区结构,提高混凝土耐久性。随着世界石油资源的逐渐枯竭,不少新型非萘系高效减水剂得到了广泛的研究并获得良好的性能和应用。具有分子网状结构的改性木素磺酸盐高效减水剂GCL1-3A不易随水化的进行而脱离颗粒表面,使水和水泥颗粒都暂时固定在一定的空间,保坍性能良好,有效降低新拌砂浆的游离水,保水性能优良。

综上所述,大部分研究认为高效减水剂通过减水分散作用减少混凝土拌和用水量,赋予混凝土优异的施工性能和高密实度,并通过改善水泥水化结晶产物的含量、结构、形貌等提高混凝土的耐久性能;使用减水剂不但是提高混凝土力学性能的最广泛使用的方法,也是提高混凝土耐久性便利可行的方法之一。

3 结语

混凝土耐久性是足以影响国家可持续发展的大问题,已经引起国内外的重视。腐蚀,特别是钢筋腐蚀是影响混凝土耐久性的第一位因素。在世界范围内,以氯盐腐蚀为主的混凝土耐久性寿命预测和“模型”的创建已经取得了长足进展。可用性“模型”的功能是巨大的,又是“全寿命经济分析”的基础与依据,国内外“模型热”是自然趋势。在对混凝土耐久性预测的同时,研究影响其耐久性的因素,针对影响因素采取合适的防范措施,建立合理的耐久性寿命预测和“模型”,是当代科技工作者的研究重点。

[1]张 誉,蒋利学,张伟平,等.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社,2003.

[2]刘志勇,孙 伟.基于氯离子渗透的混凝土寿命预测模型进展[J].工业建筑,2004(3):25-27.

[3]D.A.Whiting,M.A.Nagi.Electrical Resistivity of Concrete-Literature Review,R&D Serial No.2457,Portland Cement Association,2003.

[4]熊大玉.国内减水剂新品种的研究与发展[J].混凝土,2001(11):1-22.

[5]Mohammed TU,Hamada H.Durability of concrete made with different water-reducing chemical admixtures in tidal environment.ACI MATE-RIALS JOURNAL,2003,100(3):194-202.