混凝土结构耐久性研究

混凝土结构耐久性

1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性

钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，且一直被认为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范围非常广泛。

然而，从混凝土应用于建筑工程至今的150年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏，丧失了结构的耐久性能，已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。

国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。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。

因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。

正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要，近年来世界各国均越来越重视混凝土结构的耐久性问题，众多的研究者对混凝土结构耐久性展开了研究，取得了系列研究成果，而材料层面的成果尤为显著。迄今为止，已经形成了混凝土结构耐久性研究框架，如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。

图1-1 混凝土结构耐久性研究框架

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧耐久性评估耐久性设计结构层次构件承载力的变化粘结性能衰退模型混凝土锈胀开裂模型构件层次钢筋锈蚀碱－集料反应冻融破坏氯盐腐蚀混凝土碳化材料层次工业环境土壤环境海洋环境大气环境环境层次混凝土结构耐久性

1.2混凝土碳化

1.2.1混凝土碳化的定义

所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。

影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其PH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导致了混凝土的PH值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现PH<1这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。

由此可见，进行混凝土的碳化规律分析，研究由碳化引起的混凝土化学成分的变化以及混凝土内部碳化的进行状态，对于混凝土结构的耐久性研究具有重要的意义。

1.2.2混凝土碳化的机理

混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙(Ca(OH)2)，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水溶液是PH值为12.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。

然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其它物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，PH值下降到8.5左右。

混凝土碳化的主要化学反应式如下：

CO2+H2O→H2CO3 (1-1)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O (1-2)

1.2.3影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。研究表明，混凝土的碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。所以碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。对于服役结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的浓度、环境温度和湿度。

概况地说，混凝土碳化的影响因素为：

1.混凝土本身的密实度：混凝土密实度越大，碳化速度越慢；

2.二氧化碳的浓度：二氧化碳浓度越大碳化速度越快比；

3.环境温度：环境温度越高，碳化速度越快；

4.环境湿度：环境相对湿度在50～70％时，碳化速度最快。

1.2.4混凝土的碳化规律

1.混凝土的碳化规律

国内外学者对混凝土碳化进行了深入的研究，在分析碳化试验结果的基础上，国内外公认的碳化深度D与碳化时间t的关系式为：

(1-3)

式中，α为碳化速度系数；D 为混凝土碳化深度（mm ）；t 为测定D 的碳化时间（年）。

碳化速度系数体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关。

2. 碳化规律应用1——自然锈蚀和快速碳化之间的关系。

(1-4) 式中， D 1、D 2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；C 1、C 2为测定D 1和预测D 2时的碳化浓度；t 1、t 2为测定D 1和预测D 2时的碳化时间。

例1-1：某混凝土结构物在建造时，为了估计二氧化碳侵入混凝土结构的速度，预留了混凝土试块进行混凝土快速碳化试验。碳化箱浓度是结构物实际环境二氧化碳浓度的400倍，混凝土试块在放入碳化箱5天后测得其碳化深度为10mm 。 试问：实际结构使用30年后的碳化 深度。

解：已知 D1= 10 mm; t2 = 30×365 天；t1 = 5天； C2/C1 = 1/400 ；则： D2 = 10× [ 30×365 /（ 5× 400）]

=23.4（mm ）.

3. 碳化规律应用2——自根据实测碳化深度推测以后情况

(1-5)

式中， D 1、D 2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；t 1、t 2为测定D 1和预测D 2时的碳化时间。

例1-2：某结构物使用10年以后测其碳化深度为15mm ，试问:该结构物使用30年后的碳化深度。

解: 已知D1 =15mm; t1 = 10年; t2 =30年; 则:

D2=15(30/10) =26(mm). 1.2.5 碳化深度和混凝土强度之间的关系分析

混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。在对服役结构的抗力进行评价时，所关心的是结构在经过一个服役期后，混凝土强度是高于设计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些问题是服役结构抗力评价需要解决的问题。

一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。碳化降低混凝土的碱性，随着时间的推移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有一定的影响。为了了解碳化后混凝土本身强度的变化，须进行了混凝土的抗压和劈拉试验。

通过试验研究分析，有下列结论：随着碳化龄期的增长，混凝土的抗压强度也随之提高；同一龄期碳化试件的抗压强度均比未碳化试件的抗压强度高。从这一点来看，混凝土的碳化对抗压强度本身并没有破坏作用。

1.3 氯离子对混凝土结构的侵蚀

我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设都集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，已建的海港码头等工程多数

t D α=αD D t t 21

21

=221121t C t C D D =