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淺談如何提高混凝土的耐久性及其防腐措施

2009-08-04 17:45    【  【打印】【我要糾錯】

  摘要:耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一,混凝土的耐久性是使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)保證正常功能的能力,關(guān)系著結(jié)構(gòu)物的使用壽命。文章分析了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題,探討了造成耐久性失效的原因,并針對耐久性問題提出了相關(guān)的防腐建議。

  關(guān)鍵詞:混凝土;耐久性;防腐措施;集料反應(yīng);化學(xué)侵蝕

  我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題不容忽視。我國人口眾多,過去為及時解決居住需要和促進工業(yè)生產(chǎn),建造過不少質(zhì)量不高的民用房屋和工業(yè)廠房。結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然采用可靠度理論計算,實質(zhì)上僅能滿足安全可靠指標(biāo)的要求,而對耐久性要求考慮不足,且由于忽視維修保養(yǎng),現(xiàn)有建筑物老化現(xiàn)象相當(dāng)嚴重。截至20世紀末,有近23.41億平方米的建筑物進入老齡期,處于提前退役的局面。20世紀50年代不少在混凝土中采用摻入抓化鈣快速施工的建筑,損壞更為嚴重。近幾年房屋開發(fā)中反映出的質(zhì)量問題也很突出,不少新建好的商品房,未使用幾年就需要修復(fù),造成極大浪費。

  我國是一個發(fā)展中的大國,正在從事著為世界所矚目的大規(guī);窘ㄔO(shè),而我國財力有限,能源短缺,資源并不豐富,因此科學(xué)合理的設(shè)計,優(yōu)質(zhì)的施工質(zhì)量來提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及防腐性,延長結(jié)構(gòu)使用壽命是擺在我們面前的一個很重要的課題和任務(wù)。

  一、混凝土工程中的耐久性問題

  強度和耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的兩個重要指標(biāo),因以往工程中習(xí)慣上只重視混凝土的強度,或片面追求高強度而忽視混凝土的耐久性;炷恋哪途眯允鞘褂闷趦(nèi)結(jié)構(gòu)保證正常功能的能力,關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的使用壽命,隨著結(jié)構(gòu)物老化和環(huán)境污染的加重,混凝土耐久性問題已引起了各主管部門和廣大設(shè)計、施工部門的重視。

  二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的分析

  混凝土耐久性問題,是指結(jié)構(gòu)在所使用的環(huán)境下,由于內(nèi)部原因或外部原因引起結(jié)構(gòu)的長期演變,最終使混凝土喪失使用能力,即所謂的耐久性失效,耐久性失效的原因很多,有抗凍失效,堿-集料反應(yīng)失效,化學(xué)腐蝕失效,鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)破壞等。下面作具體分析:

 。ㄒ唬┗炷恋膬鋈谄茐

  結(jié)構(gòu)處于冰點以下環(huán)境時,部分混凝土內(nèi)孔隙中的水將結(jié)冰,產(chǎn)生體積膨脹,過冷的水發(fā)生遷移,形成各種壓力,當(dāng)壓力達到一定程度時,導(dǎo)致混凝土的破壞;炷涟l(fā)生凍融破壞的最顯著的特征是表面剝落,嚴重時可以露出石子;炷恋目箖鲂阅芘c混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)和氣泡含量多少密切相關(guān)。孔越少越小,破壞作用越小,封閉氣泡越多,抗凍性越好。影響混凝土抗凍性的因素,除了孔結(jié)構(gòu)和含氣量外,還包括:混凝土的飽和度,水灰比,混凝土的齡期,集料的孔隙率及其間的含水率等。

 。ǘ┗炷恋膲A-集料反應(yīng)

  混凝土的堿-集料反應(yīng),是指混凝土中的堿與集料中活性組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),引起混凝土的膨脹,開裂,甚至破壞。因反應(yīng)的因素在混凝土內(nèi)部,其危害作用往往是不能根冶的,是混凝土工程中的一大隱患。許多國家因堿-集料反應(yīng)不得不拆除大壩,橋梁,海堤和學(xué)校,造成巨大損失,國內(nèi)工程中也有堿-集料反應(yīng)損害的類似報道,一些立交橋、鐵道軌枕等發(fā)生不同程度的膨脹破壞;炷翂A-集料反應(yīng)需具備三個條件,即有相當(dāng)數(shù)量的堿、相應(yīng)的活性集料及水分。反應(yīng)通常有三種類型:堿-硅酸反應(yīng),堿-碳酸鹽反應(yīng),慢膨脹型堿-硅酸鹽反應(yīng),避免堿-集料反應(yīng)的方法可采用:盡量避免采用活性集料;限制混凝土的堿含量;摻用混合材。

 。ㄈ┗瘜W(xué)侵蝕

  當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處在有侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境時,會引起水泥石發(fā)生一系列化學(xué)、物理與物化變化,而逐步受到侵蝕,嚴重的使水泥石強度降低,以至破壞。常見的化學(xué)侵蝕可分為淡水腐蝕,一般酸性水腐蝕,碳酸腐蝕,硫酸鹽腐蝕,鎂鹽腐蝕五類。淡水的沖刷,會溶解水泥石中的組分,使水泥石孔隙增加,密實度降低,從而進一步造成對水泥石的破壞;研究表明,當(dāng)水泥石中的氧化鈣溶出5%時,強度下降7%,當(dāng)溶出24%時,強度下降29%,因此,淡水沖刷會對水工建筑有一定影響;而當(dāng)水中溶有一些酸類時,水泥石就受到溶淅和化學(xué)溶解雙重作用,腐蝕明顯加速,這類侵蝕常發(fā)生在化工廠;碳酸對混凝土的影響主要為:在溶淅水泥石的同時,破壞混凝土內(nèi)的堿環(huán)境,降低水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性,影響水泥石的致密度,造成對混凝土的侵蝕;硫酸鹽的腐蝕則表現(xiàn)為SO42-離子深入混凝土內(nèi)與水泥組分反應(yīng),生成物體積膨脹開裂造成損壞;海水中由于存在多種離子,侵蝕形式較為復(fù)雜,但主要是由于鎂鹽使硬化水泥石的結(jié)構(gòu)組分分解,同時硫酸鹽作用會造成對水泥石的損壞,而氧化鎂沉淀會堵塞混凝土孔隙,會使海水侵蝕有所緩和。

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  鋼筋的銹蝕,其一表現(xiàn)為鋼筋在外部介質(zhì)作用下發(fā)生電化反應(yīng),逐步生成氫氧化鐵等鐵銹,其體積比原金屬增大2~4倍,造成混凝土順筋裂縫,從而成為腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋的通道,加快結(jié)構(gòu)的損壞。氫氧化鐵在強堿溶液中會形成穩(wěn)定的保護層,阻止鋼筋的銹蝕,但堿環(huán)境被破壞或減弱,則會造成鋼筋的銹蝕,如混凝土的碳化或中性化。造成混凝土碳化和中性化的原因,主要是混凝土的密實度即抗?jié)B性不足,酸性氣體(如CO2,SO2,H2S,HCL,NO2)滲入混凝土內(nèi)與氫氧化鈣作用;其二,氯離子對鋼筋表面鈍化膜有特殊的破壞作用,當(dāng)混凝土中氯含量超過標(biāo)準(zhǔn)時,鋼筋會銹蝕,而水和氧的存在是鋼筋被腐蝕的必要條件,因此,若混凝土開裂,造成水和氧的通道,則鋼筋銹蝕加速,促成混凝土裂縫進一步開展,混凝土保護層剝落,最終使構(gòu)件失去承載力。

  三、提高混凝土耐久性及防腐措施

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  1.水泥水泥類材料的強度和工程性能,是通過水泥砂漿的凝結(jié),硬化形成的,水泥石一旦受損,混凝土的耐久性就被破壞,因此水泥的選擇需注意水泥品種的具體性能,選擇堿含量小,水化熱低,干縮性小,耐熱性,抗水性,抗腐蝕性,抗凍性能好的水泥,并結(jié)合具體情況進行選擇。水泥強度并非是決定混凝土強度和性能的唯一標(biāo)準(zhǔn),如用較低標(biāo)號水泥同樣可以配制高標(biāo)號混凝土。因此,工程中選擇水泥強度的同時,需考慮其工程性能,有時其工程性能比強度更重要。

  2.集料與摻合料集料的選擇應(yīng)考慮其堿活性,防止堿集料反應(yīng)造成的危害,集料的耐蝕性和吸水性,同時選擇合理的級配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密實度;大量研究表明了摻粉煤灰,礦渣,硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能,改善混凝土內(nèi)孔結(jié)構(gòu),填充內(nèi)部空隙,提高密實度,高摻量混凝土還能抑制堿集料反應(yīng),因而摻混合材混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施,即近年來發(fā)展的高性能混凝土。

  (二)混凝土的設(shè)計應(yīng)考慮耐久的要求

  混凝土配比的設(shè)計配合比設(shè)計在滿足混凝土強度,工作性的同時應(yīng)考慮盡量減少水泥用量和用水量,降低水化熱,減少收縮裂縫,提高密實度,采用合理的減水劑和引氣劑,改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),摻入足量的混合料,提高混凝土耐久性能。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按其使用環(huán)境設(shè)計相應(yīng)的混凝土保護層厚度,預(yù)防外界介質(zhì)滲入內(nèi)部腐蝕鋼筋。結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計也應(yīng)考慮構(gòu)件受局部損壞后的整體耐久能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計尚應(yīng)控制混凝土的裂縫的開裂寬度。

  (三)混凝土工程施工應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)耐久性

  混凝土的拌制盡量采用二次攪拌法,裹砂法裹砂石法等工藝,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土強度,減少用水量;大體積混凝土的澆筑振搗應(yīng)控制混凝土的溫度裂縫,收縮裂縫,施工裂縫,建立混凝土的澆筑振搗制度,提高混凝土密實度和抗?jié)B性,重視混凝土振搗后的表面工序,并加強養(yǎng)護,以減少混凝土裂縫;炷恋氖┕み^程對控制構(gòu)件外觀裂縫,施工裂縫至關(guān)重要,應(yīng)加強施工質(zhì)量管理,特殊季節(jié)施工的混凝土結(jié)構(gòu),尚應(yīng)采取特殊措施。

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  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,減少水灰比,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)。在這些絮凝狀結(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,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(biāo)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。

 。ㄎ澹⿹饺敫咝Щ钚缘V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,是混凝土不能超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物摻料中含有大量活性Si02及活性Al203,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矽酸鈣產(chǎn)生二次反映,生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低鹼性水化矽酸鈣,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,使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密,并阻斷可能形成的滲透路。此外,還能改善集料與水泥石的界面結(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。

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  暴露在空氣中的混凝土結(jié)構(gòu)以及沿海地區(qū)的橋梁工程,受到空氣中的鹽分等其它元素的侵蝕,縮短了混凝土構(gòu)件的使用年限,可采取外表涂裝的方法進行防腐處理措施。

  參考文獻:

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  作者簡介:張有科(1972-),男,甘肅民勤人,供職于新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司,中級職稱。

延伸閱讀:耐久性 混凝土 措施
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