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、施工及維護的各個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)修補和加固的費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)耐久性的認識不足，耐久性設(shè)計和施工的技術(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、施工及維護的各個環(huán)節(jié)。以往的乃至現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中，普遍存在著重強度設(shè)計而輕耐久性設(shè)計的現(xiàn)象。我國頒布的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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)驗算中控制對結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計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，同時也由于鋼筋的裸露、腐蝕而導(dǎo)致整個結(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，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?；炷林械匿摻钿P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，混凝土的堿性降低，或者混凝土保護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。

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　　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層向鋼筋表面滲透擴散的速度，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層、采用聚合物浸漬混凝土表層以及設(shè)置陰極保護設(shè)施等；

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

　　（1）保證必需的保護層厚度

　　增加混凝土保護層厚度可顯著地推遲腐蝕因子滲透到鋼筋表面的時間，也可提高對鋼筋銹蝕膨脹的抵抗力?；炷撂蓟_到鋼筋表面的時間與保護層厚度的平方成正比。所以增大保護層厚度能有效地推遲碳化時間。應(yīng)注意，加大保護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就不能任意加大保護層厚度。

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

　　（2）提高混凝土的密實性

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

　　為提高混凝土的密實性，施工時就要均勻振搗，嚴格控制振搗時間“防止偏振和漏振”還要認真加以養(yǎng)護。這樣才能保證保護層的密實，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，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，使鋼筋起保護作用的氫氧化鐵變?yōu)闊o保護作用的氯化鐵。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，則局部區(qū)域為陽極，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，保護層不易保證，混凝土不易振實。構(gòu)件外形也不宜復(fù)雜，棱角增多會使保護層厚度得不到保證，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重要問題。探討鋼筋混凝土的耐久性的機理和失效概率，找出有效的防護措施，提高結(jié)構(gòu)使用壽命，改進其維修辦法等已成為當(dāng)前鋼筋混凝土學(xué)科中的一個重大研究課題。

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，不但混凝土強度降低，而且混凝土的耐久性也同時降低。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性的同時，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，同時使水泥絮凝狀的絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來，因而達到減水的目的。許多研究表明，當(dāng)水灰比降低到0.38以下時，消除毛細管孔隙的目標便可以實現(xiàn)，而摻入高效減水劑，完全可以將水灰比降低到0.38以下。

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　　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)，生成強度更高，穩(wěn)定性更優(yōu)的低鹼性水化硅酸鈣，從而達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，對增進混凝土的耐久性及強度都有本質(zhì)性的貢獻。

　　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.保證混凝土的強度

　　盡管強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)，都與水灰比這個因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強度不斷提高，一此同時，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度的同時，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，隨著混凝土強度的提高，其抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力也越強。

　　綜上所述，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是一個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、檢測評價、施工、材料等諸多方面考慮。尤其是在設(shè)計上要改變長期以來重強度而輕耐久性的觀念，將耐久性和強度參數(shù)結(jié)合起來進行設(shè)計。

　　參考文獻

　　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)計院院長