结构耐久性的影响因素

结构耐久性的影响因素

土134 25 孙仕琦 自19世纪20 年代出现了波特兰水泥后，由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，因而迅速广泛应用于建筑领域。20世纪初，有人发表了水灰比等学说，初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后，相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。

尽管混凝土发展迅速，近年来各种各样的研究更是层出不穷，关于混净土结构耐久性的研究和讨论，也始终都是专家学者们研究的热门课题。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。众所周知，混凝土耐久性的影响因素有因素两类，即内部因素和外部因素。内部因素有混凝土强度，密实度，水泥用量，水灰比，氯离子及碱含量，外加剂用量，保护层厚度等等；外部因素则包括温度，湿度，CO2含量，侵蚀性介质，空气流动性等。

第一类影响因素中，骨料和水泥的研究较为成熟，对混凝土性能的影响规律性也较强，如在其他材料不变化时，骨料的最大粒径越小，骨料的表面积就越大，在获得相同和易性的情况下，水灰比就越大，且最大程径越小时，混凝土中的 9界面体积就越大，界面越多，对混凝土的传输影响就越显著，对其耐久性影响就越明显；水泥亦有类似现象，如水泥〈这里指纯水泥，不考虑掺合料的影响〉的

细度增加时，要获得相同的和易性，则应提高水灰比等。

第二类影响因素较为复杂．在实际工况中，多为两种或两种以上的因素耦合，如结构混凝土通常是在承载工况下服役，不可避免地受碳化、冻融等因素的共同作用。混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化，碱性降低，钢筋的钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。

氯离子的侵蚀则是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。

至于碱-骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱-硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂，且很难加以控制，碱-骨料反应一旦开始，一般不到两年就会使结构出现开裂。在高寒地区还广泛存在着冻融循环破坏，渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构． 经多次冻融循环后损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。

此外，钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。 钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋的有效截面积减少，结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。值得注意的是，几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快，耐久性将进一步恶化。在影响混凝土结构耐久性的诸多因素中，钢筋锈蚀危窑最大，混凝土保护层碳化和开裂是钢筋锈蚀的前提，水分、氧气的存在是引起钢筋锈蚀的必要条件。

关于混凝土的研究一定会随着科技的发展而愈加深入，各式新材料和新技术的不断研发和投入使用也会使得混凝土的耐久性不断的提高，可以预见，未来的某一天，混凝土的耐久性这个“老大难”问题将不在困扰着建筑行业。