土木工程材料论文

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混凝土耐久性

长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近二百年的发展中，其强度不断提高。目前，发达国家已使用50MPa 甚至100MPa 的高强度混凝土。但是，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。直到20 世纪70 年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。我国大多数建筑物在使用25~30 年后即需大修。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。

近年来, 随着人们对混凝土耐久性认识的日益提高,在各种设计规程中, 均把耐久性列为混凝土的一项重要指标, 尤其在一些大中型建筑物中, 更加重视混凝土的耐久性问题。对建筑业来说, 建筑物必须经久耐用, 而且能满足其在服务期内的各项性能要求。混凝土是大宗的建筑材料, 提高混凝土耐久性具有非常重要的理论意义和经济价值。所谓混凝土结构的耐久性, 是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下, 在设计要求的目标使用期内, 不需要花费大量资金加固处理而能保持其安全、使用功能和外观要求的能力。

一、影响混凝土耐久性的主要因素和作用机理

1.影响混凝土耐久性的内部机理

一般混凝土工程的使用年限约为50—100 年，但实际中有不少工程在使用10—20 年，有的甚至在使用几年后即需要维修，这就是由于混凝土耐久性低（不足）造成的。影响混凝土耐久性的原因错综复杂，造成混凝土耐久性不佳的原因多种多样,主要可分为:

(1)由温度变化引起的收缩膨胀裂缝,如冻融循环、除冰盐分对混凝土的剥蚀等物理变化:

(2)由混凝土内部材料引起的碱集料反应以及外部侵蚀性离子引起的诸如钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀以及碳化等化学变化;

(3)机械破坏:冲击、磨损、流动淡水溶蚀作用、流动气体的磨蚀、冲蚀等机械破坏。从以下四个方面来分析影响混凝土耐久性的因素。

1.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是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。

混凝土的碳化机理指的是大气中的CO2或某些酸性气体与暴露在空气中的混凝土表面接触并且不断地向混凝土内部扩散, 与混凝土

中的碱性水化物起反应的复杂的物理化学过程。碳化作用使混凝土内部碱性降低, 使钢筋处于中性化环境(当pH 值小于115时), 从而使钢筋表面钝化膜遭到破坏而生锈, 导致混凝土保护层开裂和混凝土的粘结作用降低, 致使构件破坏。其化学反应式如下:

Ca( OH ) 2----------- Ca2+ ( aq) + 2OH - ( a q)

Ca2+ ( a q) + 2OH - ( aq) + CO2 --------------CaCO3 + H 2O

3CaO· 2S iO2 ·3H 2O+ 3CO2------------3CaCO3·2SiO2·3H2O 3Ca O·SiO2 + 3CO2 + nH2O--------------- S iO2· nH 2O+ 3CaCO3 2CaO· Si O2 + 2CO2 + nH2O--------------- S iO2·nH 2O+ 2CaCO3

1.2 混凝土的冻融破坏

混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和用水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积，另外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结成冰后会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐减低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。

1.3侵蚀性介质的腐蚀

在各种侵蚀性介质如酸、碱溶液等作用的环境下，侵蚀性介质对混凝土产生腐蚀，最终可能导致结构破坏。在冬季，为保证公路交通的畅通，道路养护人员向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水，以化雪和放冰，这使得氯离子进入混凝土结构的内部。在混凝土结构使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件中，氯化物是最危险的侵蚀介质，应引起高度重视。

1.4 混凝土碱集料反应

混凝土碱集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，集料中活性材料主要是SiO2和硅酸盐、碳酸盐等。

碱- 骨料反应( 简称AAR ) 是指混凝土原材料中的水泥、骨料、外加剂、混合料和拌合水中的碱性物质( Na2O 或K2O)与骨料中碱活性矿物成分发生化学反应生成膨胀物质( 或吸水膨胀物质), 从而使混凝土在浇筑成型若干年后, 内部逐渐产生自膨胀应力, 造成混凝土从内向外开裂的损毁现象。按与碱反应的岩石类型可将碱- 骨料反应划分为三种, 即碱- 硅酸反应、碱- 碳酸盐反应和碱- 硅酸盐反应。

1.5 钢筋锈蚀

混凝土在一种或多种外界作用下，材料的耐久性能会发生衰退，

逐渐降低了对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况时，钢筋失去了碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀也是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接的因素。

2.影响混凝土耐久性的其他外部因素

2.1原材料方面

(1)水泥。

水泥是混凝土中最主要的胶凝材料,选择优质的水泥对配制高强混凝土尤为重要。水泥石中的水化物稳定性不足会对耐久性产生不利影响,普通混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足,是混凝土不能超耐久的一个主要因素。水泥因为强度提高、细度增大、硬化速度加快等因素,加剧了混凝土结构的开裂问题;对于大体积混凝土,必须引起注意,为了防止温度裂缝,必要时需采用低水化热的水泥或在强度允许的条什下以优质矿物掺合料大量替代部分水泥。但是往往由于优质合格的集料资源日趋枯竭,只有采用质次或有问题的集料,如风化砂石等,对集料的质量没有引起足够的重视。

(2)矿物掺合料。

不同种类的矿物掺合料其共性是都具有较大的比表面积,其复合胶凝效应可显著提高混凝土强度,改善耐久性。新拌和硬化混凝土的力学性能、耐久性能以及微观结构都得到不同程度的改善,因而,矿物掺合料已成为配制耐久性混凝土不可缺少的重分,一般掺合料的生产成本低于水泥,用于配制混凝土有显著的技术经济效益,主要有粉煤灰、高炉矿渣、天然火山灰以及硅粉等。可以提高混凝土拌和物的工作性,减少用水量。

2.2 设计方面

对混凝土工程耐久性的研究试验工作大部分局限在试验室阶段,与实际使用环境脱节,更重要的是混凝土工程在设计过程中常常只考虑单一的破坏因素,忽视对实际中常发生的多个破坏因素引起的综合破坏作用。即对混凝土耐久性综合症缺少全面的认识。

2.3施工及维护方面

过于追求施工进度,对混凝土工程的施工质量控制不严,若混凝土的密实性差,周围环境恶劣,氯化物、氧和水分很容易会侵蚀到钢筋表面,引起腐蚀,钢筋锈蚀物使混凝与钢筋产生隔离,久而久之,使混凝土沿钢筋长度劈裂剥落,钢筋裸露,从而大大缩短结构的使用寿命。也不注意对混凝土结构进行必要的养护;在混凝土施工过程中为了满足混凝土施工工作性要求,加大用水量、提高水灰比,因而导致混凝土的孔隙率很高,特别是其中毛细孔占相当大部分,毛细孔是水分、各种侵蚀