【正文】 所謂混凝土的耐久性 ,是指在使用過程中 ,在內(nèi)部的或外部的 ,人為的或自然的因素作用下 ,混凝土保持自身工作能力的一種性能?；蛘哒f結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)抵抗外界環(huán)境或內(nèi)部本身所產(chǎn)生的侵蝕破壞作用的能力。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究 ,分為材料的耐久性研究、構(gòu)件的耐久性研究和結(jié)構(gòu)耐久性研究三個(gè)層次。 自 19 世紀(jì) 20 年代波特蘭水泥問世以來 ,混凝土材料及其應(yīng)用技術(shù)得到了迅速發(fā)展。然而在許多國家中 ,混凝土都面臨著耐久性不良的嚴(yán)重問題 ,尤其是處于海洋或惡劣環(huán)境下 ,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不良的問題更加突出。我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期 ,許多耗資巨大的重要建筑 (構(gòu)筑 ) 物 ,如跨 海大橋等 ,這些處于海洋或惡劣環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性自然成為土木工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。眾所周知 ,混凝土在海洋環(huán)境中會(huì)發(fā)生侵蝕破壞 ,這種破壞的主要原因是混凝土遭受環(huán)境中氯離子、鎂離子和硫酸根的侵蝕 ,這些有害離子通過混凝土孔隙進(jìn)入到內(nèi)部 ,并與混凝土中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣作用生成新的鹽類物質(zhì) ,生成的難溶鹽類物質(zhì)往往產(chǎn)生較大的體積膨脹 ,在孔隙的內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力 ,長期的積累會(huì)使混凝土開裂 。一些可溶性的鹽在海水的反復(fù)沖刷下溶解析出 ,使混凝土孔隙率增加 ,增大了氯離子滲入混凝土內(nèi)部的孔道 ,加劇了鋼筋銹蝕 ,并使混凝土漲 裂剝落。另外 ,如果水灰比控制不嚴(yán) ,施工質(zhì)量較差 ,混凝土振搗不密實(shí) ,甚至出現(xiàn)蜂窩麻面等現(xiàn)象 ,這些都會(huì)加劇鹽溶液環(huán)境對混凝土的侵蝕 ,使結(jié)構(gòu)變得松軟 ,強(qiáng)度降低 ,耐久性下降。 海水對混凝土結(jié)構(gòu)有巨大的腐蝕性 ,由于海水與混凝土接觸部位的不同 ,產(chǎn)生的腐蝕性也不盡相同 ,其中在水位變化區(qū) ,即潮汐潮落區(qū) ,混凝土受到的腐蝕最為嚴(yán)重。在這一區(qū)域 ,潮汐時(shí) ,混凝土直接受到海水的沖刷、浸泡 。潮落時(shí) ,混凝土要經(jīng)歷干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等物理化學(xué)綜合作用。 8． 1 耐久性問題的特點(diǎn) 耐久性問題具有以下特點(diǎn) : 引起結(jié)構(gòu)耐久性問題的因素往往有 多個(gè)。事故調(diào)查分析表明 ,很少有單個(gè)因素引起耐久性問題的情況。 耐久性問題往往由結(jié)構(gòu)的表層開始 ,一般都有明顯的外觀特征 ,如裂縫、銹漬、剝落等。 青島海灣大橋 工程風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告 18 耐久性對抗力和使用功能的影響有一個(gè)漫長的發(fā)展過程 ,一般幾十年的損傷累積才會(huì)造成嚴(yán)重的后果。 耐久性問題一般開始時(shí)表現(xiàn)為對外觀和使用功能的影響 ,往往不存在安全問題。但長期積累以后可能發(fā)生承載能力方面問題 ,有時(shí)甚至是脆性破壞。 8． 2 影響耐久性的因素 混凝土結(jié)構(gòu)是由多種材料組成的復(fù)合人工材料，由于結(jié)構(gòu)本身的組成成分及承載力特點(diǎn)，其抗力有初期增長和強(qiáng)盛階段，在 外界環(huán)境和各種因素的作用下也存在逐漸削弱和衰落的時(shí)期；經(jīng)過一定年代以后，甚至?xí)荒軡M足設(shè)計(jì)應(yīng)有的功能而“失效”。因此，混凝土結(jié)構(gòu)也是有使用年限 (壽命 )的。 （一） 混凝土的缺陷對耐久性的影響 混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，作為金屬材料在酸性介質(zhì)作用下會(huì)受到銹蝕而被削弱；而作為結(jié)構(gòu)主體材料的混凝土也存在缺陷?；炷林凶鳛楣橇系纳啊⑹w積基本是穩(wěn)定的；而水泥膠體在凝固硬化的過程中體積縮小，在界面上形成許多裂縫。這些并不連續(xù)的裂縫在受力或收縮、并在溫度作用下會(huì)互相貫通，形成裂紋并延伸到結(jié)構(gòu)混凝土的表面。 混凝土在澆筑后會(huì)發(fā) 生離析、泌水現(xiàn)象，多余水分溢出而形成毛細(xì)孔道并在鋼筋或粗骨料下窩水而形成疏松層，伴隨產(chǎn)生混凝土沉陷，受到鋼筋阻攔后還會(huì)發(fā)生沿鋼筋的縱向裂縫。此外，攪拌、澆筑和振搗時(shí)混凝土中還會(huì)加入氣體而形成氣泡、孔穴。所以說混凝土天生就存在著許多孔道、裂縫，這些缺陷都可以成為有害介質(zhì)入侵的通道，并且隨著時(shí)間的推移而顯示出混凝土缺陷的嚴(yán)重性 —— 這就是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的根源。 由于混凝土中的這些缺陷，環(huán)境中的水及侵蝕性介質(zhì)就可能滲入混凝土的內(nèi)部，產(chǎn)生碳化、凍融、銹蝕等作用而影響結(jié)構(gòu)的受力性能 ,并且建筑物在使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)還會(huì) 受到各種機(jī)械物理損傷 (磨損、撞擊等 )及沖刷、溶蝕、生物侵蝕的作用。 （二） 裂縫對混凝土耐久性的影響 混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫 ,一般有七種成因 : 構(gòu)造處理不當(dāng)造成的混凝土裂縫； 混凝土的干縮引起的裂縫； 由于堿 骨料反應(yīng) (AAR)引起的裂縫； 由于外界溫度變化引起的裂縫； 由于鋼筋銹蝕引起的裂縫； 青島海灣大橋 工程風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告 19 由于荷載作用引起的裂縫； 太陽輻射、混凝土老化、徐變及疲勞作用引起的裂縫。 由于其成因不同，對結(jié)構(gòu)的耐久性影響是不同的。第 (1)種裂縫，由于其深度較淺，對耐久性的影響是可以忽略的；第 (3)種裂 縫，在正常結(jié)構(gòu)中是不允許的，屬于特殊問題，在此暫不討論；第 (5)種裂縫的出現(xiàn)就意味著結(jié)構(gòu)耐久性失效，也失去進(jìn)一步討論的意義；一般情況下，僅討論 (2)、 (4)、 (6)和 (7)類裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。 混凝土裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響，主要是因?yàn)榱芽p增大了混凝土的滲透性，使空氣中的有害氣體或物質(zhì)容易滲入混凝土內(nèi)，致使鋼筋鈍化膜較早破壞，鋼筋產(chǎn)生銹蝕。 除裂縫的寬度外，裂縫的深度、長度、走向、搭接和發(fā)展趨勢都會(huì)對混凝土耐久性產(chǎn)生不同的影響。而目前恰恰又缺少這方面的研究，因此加強(qiáng)裂縫 (宏觀或微觀 )特征的研究將對解決 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)揮重要作用，也將成為一個(gè)新的研究發(fā)展方向。 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制與耐久性是目前結(jié)構(gòu)工程界和材料界的研究前沿 ,它是一個(gè)涉及材料、設(shè)計(jì)、施工、使用維護(hù)等多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合性課題。我們必須認(rèn)識(shí)到，除非找一種各方合作的方法，否則很難使混凝土達(dá)到良好的耐久性。這也是目前各國普通存在的問題。 要使混凝土結(jié)構(gòu)裂縫得到有效控制 ,最大限度地提高混凝土工程的耐久性 ,就必須加強(qiáng)科研 ,利用新技術(shù)、新方法 ,加強(qiáng)材料工程師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者、施工人員等之間的合作關(guān)系 ,甚至通過宣傳教育使用戶對建筑物進(jìn)行合理地使用和維護(hù)。 （ 三） 鋼筋銹蝕對混凝土耐久性的影響 在實(shí)際應(yīng)用中 ,混凝土絕大部分是以鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)使用，其中鋼筋對混凝土起增強(qiáng)作用，混凝土因呈高堿性對鋼筋起防止銹蝕的保護(hù)作用。當(dāng)混凝土不夠致密或存在某些宏觀缺陷時(shí) ,往往引起外部有害介質(zhì)的侵入，使鋼筋發(fā)生銹蝕膨脹，導(dǎo)致混凝土剝落和進(jìn)一步開裂，最終引起結(jié)構(gòu)的劣化和失效。因此怎樣有效地保證鋼筋不產(chǎn)生銹蝕是結(jié)構(gòu)耐久性和安全性研究中的一項(xiàng)重大課題。 使混凝土中鋼筋銹蝕的首要條件是炭化和脫鈍 ,只有將覆蓋鋼筋表面的堿性鈍化膜破壞 ,鋼筋的銹蝕才成為可能。其次是水和氧 ,這是鋼筋銹蝕化學(xué)反應(yīng) 所必需的物質(zhì)。當(dāng)然 ,侵蝕性的酸性介質(zhì)也是必須的 ,污染引起酸雨及其他有害物質(zhì)溶于水而通過孔道 ,縫隙進(jìn)入混凝土 ,到達(dá)鋼筋表面引起銹蝕。鋼筋銹蝕后體積膨脹將保護(hù)層混凝土脹裂 ,反過來又加速腐蝕的速度 ,最后導(dǎo)致保護(hù)層剝落。 氯離子有很強(qiáng)的活性 ,極易破壞鋼筋表面的鈍化膜而引發(fā)鋼筋的銹蝕。使用以氯化鈣為主要成分的促凝劑會(huì)造成鋼筋腐蝕 ,此外攪拌混凝土若混入海砂、海水也是重要原因。除摻入氯青島海灣大橋 工程風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告 20 鹽以外 ,外界環(huán)境中也存在氯離子入侵的可能性。 鋼筋在應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)發(fā)生電位變化 ,使由于電化學(xué)作用產(chǎn)生的銹蝕加速發(fā)展。尤其是處于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼絞線截面面積不大 ,加上應(yīng)力腐蝕對截面的削弱 ,有可能發(fā)生脆性破壞。 除了對混凝土中有害雜質(zhì)含量的控制和鋼筋表面的附加處理外 ,最重要的還是對鋼筋的保護(hù)層厚度和表面裂縫寬度的控制。環(huán)境條件越惡劣 ,要求保護(hù)層越厚 ?；炷翉?qiáng)度等級(jí)提高時(shí) ,可適當(dāng)降低保護(hù)層的厚度。這種考慮在假設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)完整 ,無有害裂縫存在時(shí)是完全合理的。而混凝土表面開裂又與保護(hù)層厚度相關(guān) ,保護(hù)層越厚 , 混凝土表面開裂的寬度越大 ,因此當(dāng)以控制裂縫寬 度為標(biāo)準(zhǔn)時(shí) ,增加保護(hù)層厚度反而不利?？梢娙绾未_定適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度對于防止鋼筋銹蝕非常重要。 （四） 混凝土配合比對混凝土耐久性的影響 為了保證混凝土質(zhì)量 ,使其符合工程技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件的要求 ,除慎重選用材料 ,避免使用有害骨料尤其是堿骨料 ,嚴(yán)格施工過程外 ,最重要的是選擇合適的混凝土配合比。強(qiáng)度、耐久性和流動(dòng)性是選擇合理配合比參數(shù)的主要依據(jù)。 水灰比 水灰比是決定混凝土強(qiáng)度、耐久性的重要因素 ,目前已形成共識(shí) :水灰比高于 的混凝土 ,不可能在嚴(yán)酷環(huán)境中具有高耐久性。 水灰比越小 ,水泥漿就越稠 ,粘結(jié)力就越好 ,混凝土強(qiáng)度就越高 ,水灰比和混凝土的強(qiáng)度有密切關(guān)系 ,水灰比選擇恰當(dāng)時(shí) ,混凝土中空隙及毛細(xì)孔中水分在一定的齡期內(nèi)逐漸被水泥水化產(chǎn)物所取代 ,混凝土質(zhì)地致密抗?jié)B性好 。水灰比過大時(shí) ,留在混凝土中的沒有起水化作用的水蒸發(fā)后會(huì)在混凝土中留下空隙 ,混凝土內(nèi)部形成薄弱帶 ,抗?jié)B性能減弱 ,影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。如果在混凝土配合比設(shè)計(jì)中 ,僅以強(qiáng)度為控制指標(biāo) ,忽視了混凝土的耐久性 ,少用水泥 ,混凝土內(nèi)膠凝體相應(yīng)不足 ,骨料間膠結(jié)、密實(shí)性差 ,減弱了混凝土的抗?jié)B性能 ,耐久性隨之降低。但水泥用量過大 ,易造成溫度、干縮裂縫增大 ,也影響混凝土 的耐久性。 粗骨料 粗骨料在混凝土中起骨架作用 ,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范中對最大粒徑的要求是不超過最小邊尺寸的 1/4 和鋼筋最小凈距的 3/4,在多層密布鋼筋結(jié)構(gòu)中不得超過鋼筋最小凈距的 1/2,同時(shí)最大粒徑不得超過 100ｍｍ ,這些要求顯得過松 ,現(xiàn)代技術(shù)對混凝土、骨料的微結(jié)構(gòu)性能研究表明 :水泥砂漿和粗骨料膠結(jié)界面由于水泥的物理化學(xué)反應(yīng)形成許多界面裂紋 ,界面裂紋的大小與粗骨料的粒徑、表面狀態(tài)等密切相關(guān) ,粒徑大 ,界面裂紋就大 ,粒徑小 ,界面裂紋就小。碎青島海灣大橋 工程風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告 21 石表面粗糙與水泥砂漿粘結(jié)力強(qiáng) ,界面裂紋小 ,而卵石表面光滑粘結(jié)力差 ,界 面裂紋就大 ,而且石子品種不同 ,包裹石子表面所需要的水泥砂漿數(shù)量也不同 ,從而影響混凝土強(qiáng)度。 細(xì)骨料 混凝土中細(xì)骨料主要起填充、流化、增強(qiáng)等作用 ,細(xì)骨料要求有良好的連續(xù)級(jí)配 ,不是越粗越好 ,細(xì)骨料又可分為粗粒骨料 (粒徑不小于 )和微細(xì)骨料 (粒徑小于 )兩種 ,微細(xì)骨料與水泥等粉質(zhì)物質(zhì)具有相同的物理性能 ,粒徑微小的ＳｉＯ 2顆?？梢蕴畛湓谒囝w粒間 ,同時(shí)將水泥水化產(chǎn)生的Ｃａ (ＯＨ )2 轉(zhuǎn)化為ＣＨＳ凝膠 (即火山灰反應(yīng) ),有效地降低凝膠體與骨料界面間Ｃａ (ＯＨ )2 的富集 ,界面結(jié)構(gòu)得以改善 ,大幅度提高混凝土強(qiáng) 度 , 降低混凝土滲透性。但微粒細(xì)骨料也不是越多越好 ,超過一定限度后 ,細(xì)骨料之間相互直接咬合 ,引起混凝土流動(dòng)性惡化。對超聲波在混凝土中傳播狀態(tài)的影響情況表明 ,含砂率小于 28%,傳播速度增大 。含砂率大于 40%時(shí) ,傳播速度減小。含砂率在 28%～ 40%之間 ,傳播情況變化不大。選擇與粗骨料相配合的含砂率 ,對混凝土的密實(shí)度、耐久性非常必要。 和易性 和易性是在保證質(zhì)地均勻 ,各組成成分不離析的條件下 ,適合施工要求的綜合性質(zhì) ,和易性好的混凝土易于攪拌均勻 ,運(yùn)輸與澆筑過程不易發(fā)生骨料分離與泌水現(xiàn)象 ,振搗時(shí)流動(dòng)性大 ,易于充 滿模板的各部分。所形成的混凝土 ,內(nèi)部質(zhì)地均勻致密 ,強(qiáng)度與耐久性均能保證。 （五） 人員素質(zhì)和環(huán)境因素 長期以來 ,混凝土建筑行業(yè)在人們印象中是一種又臟又累、技術(shù)含量低、低收入、枯燥乏味的工種 ,從事混凝土現(xiàn)場施工的通常是一個(gè)流動(dòng)性大、知識(shí)層次低的勞動(dòng)群體。有人統(tǒng)計(jì)中國目前大約有 1500 萬的農(nóng)民大軍活躍于建筑工地 ,這些人員絕大多數(shù)都沒有經(jīng)過職業(yè)培訓(xùn) ,不懂專門的技術(shù)知識(shí)和施工方法 ,也就不能保證混凝土工程質(zhì)量。人們通常所說的“豆腐渣工程” ,一方面是偷工減料的結(jié)果 ,另一方面也與工人職業(yè)技能低下 ,施工質(zhì)量差有關(guān)。 （六） 影 響混凝土耐久性的其他因素 混凝土的碳化 混凝土中水泥石含有氫氧化鈣Ｃａ（ＯＨ）２而呈堿性 ,其在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護(hù)了金屬鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕 ,起到“鈍化”保護(hù)作用。但大氣中存在的酸性介質(zhì)及水通過各種孔道、裂縫而滲入混凝土 ,可以中和這種堿性?；炷撂蓟乃俣仁志徛?,并且與混凝土的質(zhì)量 ,環(huán)境條件等因素有關(guān)。幾十年的時(shí)間碳化深度才達(dá)到鋼筋的表面 ,從而消除鋼筋表面的鈍化膜 ——— 脫鈍 ,使鋼筋的銹蝕成為可能。碳化的速度與許多因素有關(guān) ,但時(shí)間（ｔ）是最青島海灣大橋 工程風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告 22 主要的。 幾乎所有的混凝土表面都處在碳化的過程中 ,并且隨 著時(shí)間的推移碳化深度向內(nèi)滲透。但不一定所有脫鈍的鋼筋都會(huì)銹蝕 ,鋼筋的銹蝕還需要有水、氧和酸性介質(zhì)的存在。 化學(xué)