【文章內容簡介】 土抗凍性研究的理論基礎。 (1) 靜水壓假 說：硬化混凝土的孔隙有凝膠孔、毛細孔、空氣泡等。各種孔隙之間的孔徑差異很大。水轉變?yōu)楸鶗r體積膨脹 9％，在冰凍過程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液冰凍膨脹，迫使未結冰的孔溶液從結冰區(qū)向外遷移?？兹芤涸诳蓾B透的水泥漿體結構中移動，必須克服粘滯阻力，因而產(chǎn)生靜水壓，形成破壞應力。 靜水壓假說能解釋成熟混凝土冰凍破壞的許多表現(xiàn)，它在引氣混凝土方面的應用也較成功。但從水壓力本質來理解它的作用應是瞬時性的，隨著時間進展危險理應逐漸消失才對。然而試驗說明：混凝土冰凍破壞有時隨時間而日益劇烈、嚴重。在水泥漿冰凍時，水分的運動大 多不像通常設想那樣，遠離冰凍地點而去，而恰恰是趨向冰凍地點；再次冰凍時的膨脹一般情形是隨冷卻速率增加而下降。這些都是靜水壓假說難以解釋的。 混凝土結構耐久性淺談 8 (2) 滲透壓假說：滲透壓假說認為，由于混凝土孔溶液中含有鈉、鉀、鈣等鹽類，大孔中的部分溶液先結冰后，未凍溶液中鹽的濃度上升，與周圍較小孔隙中的溶液之間形成濃度差。這個濃度差的存在使小孔中溶液向已部分凍結的大孔遷移。即使是濃度為 0 的孔溶液，由于冰的飽和蒸汽壓低于同溫下水的飽和蒸汽壓，小孔中的溶液也要向已部分凍結的大孔溶液中遷移?？梢姖B透壓是孔溶液的鹽濃度差和冰水飽和蒸汽 壓差共同形成的。 影響因素 對于 影響混凝土 凍融破壞 的主要因素 總結起來大致 有 以下四個方面 ： （ 1） 水灰比 ： 水灰比 越 大， 使凝土 孔隙率 越 大，導致 混凝土的 吸水率增大，最終導致混凝土結構凍融 破壞嚴重 ； （ 2）孔結構和 孔隙特征 ： 連通毛細孔易吸水飽和， 使混凝土 凍害嚴重 ； 若為封閉孔，則不易吸水，凍害就小 ； （ 3）飽水度： 若混凝土的孔隙非完全吸水飽和，冰凍過程產(chǎn)生的壓力促使水分向孔隙處遷移，從而降低冰凍膨脹應力，對混凝土破壞作用就小 ； （ 4） 混凝土自身強度 ： 在相同的冰凍破壞應力作用下，混凝土強度越 低 ，凍害程度就 越 高。 混凝土滲透破壞 混凝土結構的滲透破壞 是指氣體、液體或者離子 等有害介質 在混凝土中滲透、擴散或遷移 ，最終導致混凝土結構受到破壞 。 混凝土結構發(fā)生滲透破壞后，有害介質首先破壞結構表層混凝土，導致混凝土中發(fā)生鋼筋銹蝕、堿骨料反應等變化，而這些變化多數(shù)伴隨著體積的膨脹，膨脹產(chǎn)生的應力又使得混凝土進一步開裂，從而進一步加大混凝土的滲透性，使得有害介質的入侵更加迅速，導致混凝土結構循環(huán)往復產(chǎn)生更大范圍的破壞。因此混凝土的滲透性給有害介質提供了入侵的通道，而有害介質與混凝土發(fā)生的破壞性反應則增大了混凝土的滲 透性，兩者相互促進，最終嚴重影響混凝土結構的耐久性。 破壞原因 混凝土具有多種粒徑的孔隙，連通的孔隙會成為氣體、液體或有害介質進入混凝土的通道，導致混凝土破壞。 混凝土的滲透機理是水與混凝土表面接觸時，壓力差和毛細孔壓力不斷促使混凝土結構耐久性淺談 9 水分向混凝土內部遷移。隨著水分遷移的深入，水與毛細孔壁摩擦阻力增大，滲水速度隨滲透深度的增加成比例下降。當水達到混凝土相反的一側時，毛細孔壓力就會改變方向，阻礙水分的滲出。若壓力差大于孔壁摩擦阻力和毛細阻力，則水將從混凝土相反的一側滴出；若壓力差小于摩擦阻力和毛細孔阻力 ，則水的遷移為毛細孔遷移，此時的遷移速度取決于混凝土背水面水分的蒸發(fā)速度。 影響因素 影響混凝土滲透性的因素主要有水灰比、骨料最大粒徑、混凝土養(yǎng)護方法、水泥品種、外加劑等因素。具體影響情況為： （ 1）混凝土的水灰比會影響混凝土孔隙的大小和數(shù)量，進而直接影響混凝土結構的密實性。水灰比越小，混凝土越密實，其抗?jié)B性越好，反之亦然。 （ 2）由于骨料和水泥漿的界面處易產(chǎn)生裂隙和較大骨料下方易形成孔穴，因此在水灰比相同時，混凝土骨料的最大粒徑越大，其抗?jié)B性能越差； （ 3）蒸汽養(yǎng)護的混凝土，其抗?jié)B性較潮濕養(yǎng) 護的混凝土要差。在干燥條件下，混凝土早期失水過多，容易形成收縮裂縫，因而降低混凝土的抗?jié)B性。而在潮濕環(huán)境中或水中硬化的混凝土，不但總孔隙率降低，而且孔徑也較小。這就增加了混凝土密實性，提高了混凝土的抗?jié)B性； （ 4）水泥的品種、性質也影響混凝土的抗?jié)B性能。水泥的細度越大，水泥硬化體孔隙率越小，強度就越高，則其抗?jié)B性越好； （ 5）在混凝土中摻入某些外加劑，如減水劑等，可減小水灰比，改善混凝土的和易性，因而可改善混凝土的密實性，即提高了混凝土的抗?jié)B性能； 堿骨料反應 混凝土中的堿與混凝土中的活性骨料發(fā)生 反應，生成膨脹性物質，導致混凝土發(fā)生膨脹破壞，稱為堿骨料反應。這種反應引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結構，使混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量等力學性能明顯下降，嚴重影響結構的安全使用性，而其反應一旦發(fā)生很難阻止，更不易修補和挽救，被稱為混凝土的“癌癥”。 破壞原因 堿骨料反應主要可分為堿與硅酸、堿與碳酸鹽及堿與硅酸鹽三種反應。 （ 1）堿 硅酸反應：是分布最廣、研究最多的堿骨料反應，該反應是指混凝混凝土結構耐久性淺談 10 土中的堿組分與骨料中的活性 SiO2 之間發(fā)生的化學反應，其結果是導致骨料被侵蝕，生 成堿 硅酸凝膠，并從周圍介質中吸收水分而膨脹，導致混凝土開裂。 （ 2）堿 碳酸鹽反應：是指混凝土中的堿與碳酸鹽礦物產(chǎn)生化學反應引起混凝土的地圖狀開裂。堿 碳酸鹽反應是孔溶液中的堿與骨料中的白云石之間的反應。這一反應不是發(fā)生在骨料顆粒與水泥砂漿的表面，而是發(fā)生在骨料顆粒的內部，水鎂石 Mg（ OH） 2 晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹，引起混凝土的內部應力，導致混凝土開裂。 （ 3）堿 硅酸鹽反應：是指混凝土中的堿與骨料中某些層狀結構的硅酸鹽發(fā)生反應，使層狀硅酸鹽層間間距增大，骨料發(fā)生膨脹，致使混凝土膨脹開裂。 影響因素 從堿骨料反應發(fā)生的條件出發(fā)，分析該種破壞的影響因素主要是： （ 1）活性骨料：引起混凝土堿骨料反應的主要因素是混凝土中含有堿活性的骨料。因此在施工中盡量選擇無堿活性的骨料， 在不得不采用具有堿活性的骨料時，應嚴格控制混凝土中總的堿量 ； （ 2） 活性摻合料 ：摻用活性摻合料，如 硅灰、礦渣、粉煤灰（高鈣高堿粉煤灰除外）等，對堿骨料反應有明顯的抑制效果?；钚該胶狭吓c混凝土 結構 中的堿起反應，反應產(chǎn)物均勻分散在混凝土中，而不是集中在骨料表面，不會發(fā)生有害的膨脹，從而降低了混凝土的含堿量，起到抑制堿骨料反應的作用 ； （ 3） 水分 ： 堿骨料反應要有水分，如果沒有水分，反應就會大為減少乃至完全停止。因此，要防止外界水分滲入混凝土 結構中 以減輕堿骨料反應的危害 。 混凝土的碳化 混凝土的碳化作用是 指空氣中的二氧化碳氣體滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應生成碳酸鈣和水，使混凝土堿度降低的過程，這一過程又稱混凝土的中性化。 破壞原因 碳化的化學反應式為： Ca（ OH） 2＋ CO2＝ CaCO3↓ ＋ H2O 混凝土的碳化反應結果有兩個方面：一方面，反應生成碳酸鈣和其他固態(tài)物質會堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續(xù)混凝土結構耐久性淺談 11 CO2 的擴散，使混凝土密實度提高；另一方面，孔隙中的 Ca(OH)2 濃度及 PH 值降低，導致鋼筋脫鈍而銹蝕。 影響因素 影響混凝土碳化的因素有很多，但概括其主要因素有兩方面， 一方面是 材料因素， 另一方面是 環(huán)境條件因素。 （ 1） 材料方面： 不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學成分不同，直接影響水泥的活性和混凝土的堿度，對碳化速度 有著重要的影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。不同的骨料品種和粒徑級配不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響混凝土的密實性。其材質致密堅實，級配好的骨料混凝土，其碳化的速度較慢。 水灰比的角度， 在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，其混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害物質較多的侵入混凝土內部，加快混凝土的碳化。 （ 2） 環(huán)境條件： 溫度對混凝土碳化表現(xiàn)在當溫度下降較大時，混凝土表面收縮產(chǎn)生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，使得混凝土表面開裂，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造條件 ，加速混凝土碳化；另外，溫度高時，二氧化碳在空氣中的擴散系數(shù)較大，為其余氫氧化鈣反應提供了有利條件，陽光的照射加速了其反應的碳化速度。 另外，影響混凝土碳化程度的因素 還有養(yǎng)護方法和齡期 ， 混凝土強度 ，相對濕度 ， CO2 濃度等等。 鋼筋銹蝕 混凝土中水泥水化后，會生成堿性的氫氧化鈣，導致混凝土孔隙中的水分有很高的堿性，在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，因此在正常情況下鋼筋不會銹蝕；但鈍化膜一旦破壞，在有足夠水和氧氣條件下會產(chǎn)生電化腐蝕。混凝土中鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產(chǎn)物，同時向周圍混 凝土 孔隙中擴散。混凝土中的鋼筋銹蝕后，一方面會使鋼筋有效截面減小，另一方面，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹使混凝土保護層脹裂甚至脫落，鋼筋混凝土之間的粘結作用下降。 破壞原因 混凝土中鋼筋銹蝕的實質是電化學腐蝕。 主要 表現(xiàn)為鋼筋在外部介質作用下發(fā)生電化 學 反應，逐步生成氫氧化鐵 （ 即鐵銹 ） 等， 鐵銹的體積會比原金屬增大2~4 倍，產(chǎn)生膨脹壓力， 造成混凝土順筋裂縫，從而成為腐蝕介質滲入鋼筋的通混凝土結構耐久性淺談 12 道，加快結構的損壞。 影響因素 鋼筋銹蝕的開始是從鋼筋周圍的鈍化膜破壞開始的，因此影響混凝土結構鋼筋銹蝕的因素主要 有： （ 1）混凝土液相 pH 值：鋼筋銹蝕速度與混凝土液相 pH 值有密切關系。當 pH值大于 10 時，鋼筋銹蝕速度很小；而當 pH 值小于 4 時，鋼筋銹蝕速度急劇增加。 （ 2）混凝土密實度和保護層厚度：混凝土越密實，破壞性介質越不容易進入混凝土腐蝕鋼筋；