装配式施工知识分享：水泥混凝土结构的耐久性

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1 前 言

混凝土结构以其整体性好、耐久性好、可塑性强、维修费用少等优点广泛使用于整个20世纪,发现混凝土的耐久性问题则是在60至70年代。一些发达国家的混凝土桥使用了三四十年后,纷纷进入老化期。人们始料不及的是混凝土材料在不利的环境、运用条件下,出现了一系列影响结构耐久性的物理、化学现象,如结构混凝土的碳化、保护层剥落、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏、混凝土集料的化学腐蚀等等。我国七十年代后期建造的混凝土桥梁亦发现有严重的开裂现象。因而混凝土结构的耐久性问题已成为结构工程师们不容忽视的一个问题。

混凝土结构的耐久性概括起来是指混凝土抵抗周围不利因素长期作用的性能。结构耐久性问题主要表现为:混凝土损伤;钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀;以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的消弱等三个方面。从短期效果而言,这些问题影响结构的外观和使用功能;从长远看,则为降低结构安全度,成为发生事故的隐患,影响结构的使用寿命。下面从影响混凝土结构耐久性的主要因素和提高耐久性的技术措施两个方面来探讨混凝土的耐久性问题。

2 影响混凝土结构耐久性的主要因素

(1)混凝土的材质。混凝土是碎石、砂、水泥和水拌合后凝硬而成。这些材料的优劣直接影响到硬化后混凝土的质量(包括密实度和强度等),好质量的材料将为工程使用期混凝土的耐久性打下良好的基础。近年来由于基本建设的迅猛发展,施工中往往忽略对材质的要求,工地上只检查混凝土试件的强度作为材质的唯一标准。岂知不合规格的材料,将导致混凝土收缩徐变量大大增加,初始裂缝大量产生,这对混凝土结构安全将是一严重隐患。

(2)混凝土的密实性。混凝土的内部缺陷(不密实),使混凝土在使用过程中易受各种不利因素的侵袭,主要有如下几种形式:

①渗透:当混凝土不密实,空气和水容易渗入,水中有害物质就易对混凝土产生化学侵蚀,影响混凝土的耐久性。

②碳化:混凝土中因水泥石含有氢氧化钙而呈碱性,在钢筋表面形成碱性薄膜而保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀,起到了“钝化”保护作用。但当混凝土密实度低,空气中水和C02渗入,形成碳酸,尽管其酸性很弱,也能中和氢氧化钙使钢筋锈蚀,这一过程成称混凝土的“碳化”。

③冻融破坏:混凝土不密实,体内渗入的水量大,低温时水结冰体积膨胀产生压力,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。

(3)混凝土结构所处的环境条件。工程结构使用时所处的环境条件是影响混凝土结构耐久性的外部因素,如海水侵蚀、大气腐蚀、极高温度、冰冻、水、风、地震灾害的袭击等。根据环境条件对混凝土耐久性的影响,《桥规》(JTGD62)根据公路桥梁的使用情况,将桥梁结构使用环境条件划分为下列4类:Ⅰ类环境———系指温暖或寒冷地区的大气环境;与无侵蚀性的水或土接触的环境。Ⅱ类环境———系指严寒地区的大气环境;使用除冰盐环境;滨海环境。Ⅲ类环境———系指海水环境。Ⅳ类环境———系指受侵蚀性物质影响的环境。在上述环境分类中,严寒地区是指累年最冷月平均温度低于-10℃地区;寒冷地区是指累年最冷月平均温度高于-10℃,低于或等于0℃的地区。除冰盐环境是指北方城市依靠喷洒盐水除冰化雪的且其主梁受到侵蚀的环境;滨海环境是指海水浪溅区以外且其前无建筑物遮挡的环境;海水环境是指潮汐区、浪溅区及海水中的环境;受侵蚀性物质影响的环境是指某些化学工业和石油化工厂的气态、液态和固态侵蚀性物质影响的环境。如上所述,混凝土结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结构的使用环境,同时与结构设计、施工及养护密切相关。

3 提高混凝土结构耐久性的主要技术措施

(1)合理选择混凝土结构的组成材料。混凝土各组成材料及钢筋的选用应满足材料的耐久性质量要求,应按规范规定对进场原材料进行严格的质量检验。同时合理改善颗粒级配,提高混凝土的密实性。从而提高耐久性。

(2)提高混凝土的密实性。控制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量,改善混凝土的施工工艺,搅拌均匀、充分振捣,加强养护,严格控制施工质量。除了选择及配良好的集料和精心施工保证混凝土充分捣实和水泥充分水化外,水灰比是影响混凝土密实性的最重要的条件,故《桥规》(JTGD62)中规定了各类环境条件下满足混凝土耐久性要求的最大水灰比和最小水泥用量值。同时适当掺用外加剂,如掺用减水剂或引气剂,可改善混凝土的孔隙结构,提高混凝土的密实性。

(3)改进结构设计。结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境因素对结构的作用。采用具有防腐保护的钢筋(例如,体外预应力筋,无粘结预应力筋,环氧涂层钢筋等);加强构造配筋,控制裂缝发展;加大混凝土保护层厚度等。《桥规》(JTGD62-2004)与旧《桥规》相比,构造钢筋用量增多,混凝土保护层加大,构造不合理的地方进行了调整。

(4)采用高强混凝土以提高结构物的耐久性。高强度混凝土(50MPa以上)的配制特点就是低水灰比,加外加剂,掺用超细活性掺合料,它的研制和应用解决的核心问题之一就是保证耐久性。由于高强混凝土的密实性能好,抗渗、抗冻性能均优于普通混凝土,因此不但适用于高层和大跨度结构物,对于海洋和港口工程,其抗渗和耐腐蚀性能均大大优于普通混凝土。

(5)加强桥面排水和防水层设计,改善桥梁的环境作用条件。

(6)加强结构使用阶段的维护与检测,提高混凝土的耐久性。

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