淺析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性改善措施

　　  摘要：隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范要求越來越高，目前鋼筋混凝土耐久性問題已引起廣泛重視，影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素是多方面的，因此應(yīng)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)的各個(gè)階段采取有效可行的措施來提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土耐久性改善措施

一、前言

　　工程安全性與耐久性對我國當(dāng)前土建工程建設(shè)具有重要探討意義，建設(shè)部近年所作的一項(xiàng)調(diào)查表明，國內(nèi)大多數(shù)鋼筋混凝土建筑物在使用25~30年后即需大修，處于嚴(yán)酷環(huán)境下的鋼筋混凝土建筑物使用壽命僅15~20年。有一部分工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂。因混凝土順筋開裂和剝落，需要大修的屢見不鮮。從可持續(xù)發(fā)展的要求出發(fā)，這種現(xiàn)狀會導(dǎo)致資源、能源不合理的消耗，并因大量失效或毀壞的結(jié)構(gòu)物拆除而形成大量的垃圾。西方先行的國家在此方面的經(jīng)歷證明，混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)和加固的費(fèi)用比新建的還要大得多。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，一方面，處于嚴(yán)酷環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)工程數(shù)量增多，另一方面水泥和混凝土材料的性能有了很大的變化，而現(xiàn)有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的規(guī)范很少考慮這種情況。知識和觀念陳舊，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的認(rèn)識不足，耐久性設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)不成熟，增加了當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)工程的隱患。

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

　　所謂混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指該種結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，保持其自身工作能力的性能?；炷两Y(jié)構(gòu)根據(jù)所處環(huán)境的不同可以劃分為一般大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、土壤環(huán)境及工業(yè)環(huán)境等。混凝土結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部因素的作用指的是材料的物理和化學(xué)作用，如混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。由鋼筋混凝土耐久性引起的結(jié)構(gòu)工作性能的改變包括混凝土結(jié)構(gòu)件的承載能力降低，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性，其中建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較為普通。

　　因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。以往的乃至現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，普遍存在著重強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕耐久性設(shè)計(jì)的現(xiàn)象。我國頒布的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，除了一些保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性構(gòu)造措施之外，只是在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中控制對結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)并不起決定性的耐久性，常見的施工問題如混凝土質(zhì)量不合格、鋼筋保護(hù)層厚度不足都有可能導(dǎo)致鋼筋提前銹蝕。另外，在結(jié)構(gòu)的使用過程中，由于沒有合理的維護(hù)而造成的結(jié)構(gòu)耐久性降低也是不容忽視的，如對結(jié)構(gòu)的碰撞、磨損以及使用環(huán)境的劣化，這都會使混凝土結(jié)構(gòu)無法達(dá)到預(yù)定的使用年限。

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是混凝土與鋼筋的復(fù)合體，它的腐蝕形態(tài)可分為兩種：一是由混凝土的耐久性不足，其本身被破壞，同時(shí)也由于鋼筋的裸露、腐蝕而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞；二是混凝土本身并未腐蝕，但由于外部介質(zhì)的作用，導(dǎo)致混凝土本身化學(xué)性質(zhì)的改變或引入了能激發(fā)鋼筋腐蝕的離子，從而使鋼筋表面的鈍化作用喪失，引起鋼筋的銹蝕。因此，應(yīng)著重從改善混凝土本身性能及防止鋼筋銹蝕這兩方面出發(fā)提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

三、鋼筋混凝土銹蝕破壞及防止措施

　　1.鋼筋混凝土銹蝕破壞

　　鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的最主要和最直接因素，目前對影響鋼筋銹蝕的因素、銹蝕鋼筋材料性能的變化、鋼筋銹蝕的防護(hù)和檢測等各方面均有較多的研究。

　　混凝土中鋼筋的銹蝕破壞過程可分為三個(gè)階段：階段Ⅰ，從結(jié)構(gòu)建成到鋼筋表面鈍化膜破壞；階段Ⅱ，鋼筋開始銹蝕，直到混凝土保護(hù)層出現(xiàn)順筋開裂；階段Ⅲ，鋼筋加速銹蝕直到構(gòu)件喪失承載能力。

　　混凝土在一種或多種外界作用下，材料的耐久性能會發(fā)生衰退，而逐漸失去了對其內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用。當(dāng)鋼筋外面的混凝土中性化或出現(xiàn)開裂等情況，鋼筋失去了堿性混凝土的保護(hù)，鈍化膜破壞并開始銹蝕。銹蝕的鋼筋不但戴面積有所損失，材料的各項(xiàng)性能也會發(fā)生衰退，從而影響混凝土構(gòu)件的承載能力和使用性能。混凝土中的鋼筋銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕。當(dāng)二氧化碳、氯離子等腐蝕介質(zhì)侵入時(shí)，混凝土的堿性降低，或者混凝土保護(hù)層受拉開裂等都將造成全部或局部鋼筋表面的鈍化狀態(tài)破壞，同時(shí)鋼筋表面的不同部位還會出現(xiàn)較大的電位差，形成陽極和陰極，在一定的環(huán)境條件下（如氧和水的存在），鋼筋就開始銹蝕。銹蝕的形式一般為斑狀銹蝕，即銹蝕分面在較廣的表面面積上。

[Page]

　　2.防止鋼筋銹蝕的主要措施

　　防止鋼筋銹蝕的根本途徑不是控制外荷載引起的橫向裂縫寬度，而是減慢二氧化碳、氧、水等腐蝕因子通過混凝土保護(hù)層向鋼筋表面滲透擴(kuò)散的速度，以及防止氯離子在鋼筋表面的積聚。

　　辦法有兩類：

　　第一類是采用防護(hù)材料或外部措施，如采用噴塑（樹脂）鋼筋、鋼筋表面涂鋅、混凝土中摻加緩蝕劑、混凝土表面涂刷防護(hù)層、采用聚合物浸漬混凝土表層以及設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)施等；

　　第二類比較方便和經(jīng)濟(jì)的辦法則是利用和加強(qiáng)混凝土保護(hù)層自身的保護(hù)功能，其措施主要有以下幾點(diǎn)：

　　（1）保證必需的保護(hù)層厚度

　　增加混凝土保護(hù)層厚度可顯著地推遲腐蝕因子滲透到鋼筋表面的時(shí)間，也可提高對鋼筋銹蝕膨脹的抵抗力?；炷撂蓟_(dá)到鋼筋表面的時(shí)間與保護(hù)層厚度的平方成正比。所以增大保護(hù)層厚度能有效地推遲碳化時(shí)間。應(yīng)注意，加大保護(hù)層厚度對耐久性有好處，但表面橫向裂縫寬度增大，如建筑物有外觀要求時(shí)就不能任意加大保護(hù)層厚度。

　　在施工時(shí)為保證鋼筋的位置正確以及混凝土保護(hù)層必須滿足設(shè)計(jì)要求等。鋼筋的墊塊，應(yīng)采用細(xì)石混凝土或水泥砂漿制作，有條件時(shí)最好采用定型的塑料墊塊，不得采用石子作墊塊，嚴(yán)禁使用短鋼筋作為墊塊。

　　（2）提高混凝土的密實(shí)性

　　提高混凝土的密實(shí)性，減少內(nèi)部微細(xì)孔函隙和毛細(xì)管通首是加強(qiáng)鋼筋防腐蝕能力的最根本途徑。它首先要嚴(yán)格控制水灰比。

　　為提高混凝土的密實(shí)性，施工時(shí)就要均勻振搗，嚴(yán)格控制振搗時(shí)間“防止偏振和漏振”還要認(rèn)真加以養(yǎng)護(hù)。這樣才能保證保護(hù)層的密實(shí)，并使水泥漿完全覆蓋住鋼筋以形成一層有效的隔離層。

　　同時(shí)還要注意合理的混凝土級配。粗骨料的直徑也不宜過大。在同樣水灰比下，骨料粒徑增大會大大降低混凝土的抗?jié)B性。

　　（3）控制混凝土拌和物中的氯鹽含量

　　某些鹵離子（如C1－、I－、Br－）對鈍化膜有特殊的破壞作用。它們在鋼筋保護(hù)層不被碳化或中性化的情況下也可以破壞鋼筋鈍化膜，使腐蝕過程得以進(jìn)行。氯離子是這一類離子中最常遇到的。氯離子半徑很小，穿透力強(qiáng)，很容易吸附在鋼筋陽極區(qū)的鈍化膜上，取代鈍化膜中氧離子，使鋼筋起保護(hù)作用的氫氧化鐵變?yōu)闊o保護(hù)作用的氯化鐵。氯化鐵的深解度比氫氧化鐵比氫氧化鐵的溶解度大得多。由于氯離子到達(dá)鋼筋表面的不均勻性，特別是氯離子作用在鋼筋局部區(qū)域時(shí)，則局部區(qū)域?yàn)殛枠O，形成了大陰極小陽極的腐蝕。這種坑蝕或局部腐蝕對結(jié)構(gòu)的危害較大。

　　因此必須嚴(yán)格控制氯離子的總量，即應(yīng)對混凝土拌和物中的氯鹽含量加以控制。同時(shí)海砂使用不慎也是引起鋼筋銹蝕的原因之一，應(yīng)盡量避免使用。

　　（4）合理的構(gòu)件形式和配筋方式

　　構(gòu)件尺寸不宜太小，尺寸過小，保護(hù)層不易保證，混凝土不易振實(shí)。構(gòu)件外形也不宜復(fù)雜，棱角增多會使保護(hù)層厚度得不到保證，而且增加腐蝕因子的滲透面。一般說，梁要比板容易銹蝕破壞。

　　總的來說，鋼筋混凝土的銹蝕破壞是一個(gè)重要問題。探討鋼筋混凝土的耐久性的機(jī)理和失效概率，找出有效的防護(hù)措施，提高結(jié)構(gòu)使用壽命，改進(jìn)其維修辦法等已成為當(dāng)前鋼筋混凝土學(xué)科中的一個(gè)重大研究課題。

四、提高混凝土的耐久性

　　要提高混凝土的耐久性，必須降低混凝土的孔隙率，特別是毛細(xì)管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但是如果純粹的降低用水量，混凝土的工作性將隨之降低，又會導(dǎo)致?lián)v實(shí)成型工作困難，同樣造成混凝土結(jié)構(gòu)不致密，甚至出現(xiàn)蜂窩等宏觀缺陷，不但混凝土強(qiáng)度降低，而且混凝土的耐久性也同時(shí)降低。目前減少孔隙率的途徑往往是摻入高效減水劑。

　　1.摻入高效減水劑

　　在保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。

　　水泥在加水?dāng)嚢韬?，會產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)。在這些絮凝裝結(jié)構(gòu)中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時(shí)相應(yīng)地增加用水量，這樣就會促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙。當(dāng)加入減水劑后，減水劑的定向排列，使水泥質(zhì)點(diǎn)表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時(shí)使水泥絮凝狀的絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來，因而達(dá)到減水的目的。許多研究表明，當(dāng)水灰比降低到0.38以下時(shí)，消除毛細(xì)管孔隙的目標(biāo)便可以實(shí)現(xiàn)，而摻入高效減水劑，完全可以將水灰比降低到0.38以下。

[Page]

　　2.摻入高效活性礦物摻料

　　普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)定性的不足，是混凝土不能耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的目的，在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成?；钚缘V物摻料（硅灰、礦渣、粉煤灰等）中含有大量活性SiO2及活性Al2O3，它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高鹼性水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更優(yōu)的低鹼性水化硅酸鈣，從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離石灰的目的。有些超細(xì)礦物摻料，其平均粒徑小于水泥粒子的平均粒徑，能填充于水泥粒子之間的空隙中，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的涌透路。此外，還能改善集料與水泥石的界而結(jié)構(gòu)和界面區(qū)性能。這些重要的作用，對增進(jìn)混凝土的耐久性及強(qiáng)度都有本質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

　　3.消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素

　　除了環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞以外外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過大引起的開裂，水化熱過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿集料反應(yīng)等。因皮，要提高混凝土的耐久性，就必須減小或消除這些結(jié)構(gòu)破壞因素，限制或消除從原材料引入的堿、SO3、C1－等可以引起破壞和鋼筋腐蝕物質(zhì)的含量，加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避名收縮及溫度裂縫產(chǎn)生，提高混凝土的耐久性。

　　4.保證混凝土的強(qiáng)度

　　盡管強(qiáng)度與耐久性是不同概念，但又密切相關(guān)它們之間的本持聯(lián)系是基本于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，都與水灰比這個(gè)因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實(shí)條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強(qiáng)度不斷提高，一此同時(shí)，隨著孔隙率降低，混凝土的抗?jié)B性提高，因而各種耐久性指標(biāo)也隨之提高。在現(xiàn)代的高性能混凝土中，除摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料，它們不但增加了混凝土的致密性，而且降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除內(nèi)部破壞因素的條件下，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力也越強(qiáng)。

　　綜上所述，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是一個(gè)重要也是迫切需要加以解決的問題。提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性，需要從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、檢測評價(jià)、施工、材料等諸多方面考慮。尤其是在設(shè)計(jì)上要改變長期以來重強(qiáng)度而輕耐久性的觀念，將耐久性和強(qiáng)度參數(shù)結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　參考文獻(xiàn)

　　趙國滿、金偉良《結(jié)構(gòu)可靠性理論》中國建筑工業(yè)出版社2000

　　作者簡介

　　李景成，廣東省四會市水利水電勘測設(shè)計(jì)院院長