混凝土研究現(xiàn)狀

1、混凝土耐久性研究現(xiàn)狀一、概述水泥混凝土以其原材料易得、易澆注成型、適應(yīng)性強、性價比高、綜合能耗低等優(yōu)點而成為當今世界上應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料。盡管現(xiàn)代材料科學發(fā)展日新月異，但仍然沒有科學家能預(yù)言可替代水泥混凝土的建筑材料新品種。從20世紀30 40年代開始，西方國家出于戰(zhàn)后重建、 工業(yè)化、城市化以及能源開發(fā)的需要，用混凝土修建了大量的基礎(chǔ)設(shè)施，混凝土用量持續(xù)增長。之后，發(fā)展中國家經(jīng)濟的強勁增長進一步助推了混凝土用量的迅 猛增長1然而從混凝土運用到實際工程的這100多年里，許多混凝土結(jié)構(gòu)并無法達到設(shè)計師預(yù)估的服役年限，很多提前就已經(jīng)失效了。 這其中有些是由于設(shè)計抗力能力不足導致，有的是由

2、于使用荷載連續(xù)不利變化造成的，但更多的是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足而造成的。特別是沿海及近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于海洋中鹽類對混凝土的腐蝕，尤其是對鋼筋的銹蝕而造成結(jié)構(gòu)的提早損壞，從而喪失了耐久性。早期損壞的結(jié)構(gòu)需要花費大量的人力物力進行維修加固， 甚至會造成有關(guān)安全性的重大問題。據(jù)國內(nèi)外記載的資料可知，因為混凝土耐久性不足而造成的經(jīng)濟損失是在混凝土所有破壞中占比最大的，遠超過了人們對它的預(yù)估，國外學者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的重要性，即設(shè)計階段對鋼筋防護方面節(jié)省1美元，那么就意味著發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時，采取措施將追加維修費5美元。混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加維修費25美元，

3、嚴重破壞時采取措施將追加維修費125美元。所以對于土木工程研究者來說，混凝土的耐久性研究應(yīng)是重中之重。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀混凝土的耐久性貫穿混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、 材料選擇、施工和運行管理的全過程。研究混凝 土的耐久性不能脫離結(jié)構(gòu)型式、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境條件 （包括大環(huán)境和局部環(huán)境）。根據(jù)研究對 象可分為材料層次、構(gòu)件層次和結(jié)構(gòu)層次。材料層次的研究重點是劣化機理、 防劣化技術(shù)措 施、評定標準和劣化狀態(tài)識別等 ；結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）層次的研究更注重劣化對結(jié)構(gòu) （構(gòu)件）層次承載力 和安全性的影響評價（健康診斷）、極限狀態(tài)判斷、使用壽命預(yù)測修復(fù)補救措施等。根據(jù)造成混凝土劣化的主導因素和機理，混凝土耐久性問題研究主要集中

4、在以下4個方面：（1）鋼 筋 銹蝕：氯鹽腐蝕（海洋及近海環(huán)境、除冰鹽環(huán)境、鹽湖環(huán)境、海砂及外加劑），保護層中性化（碳化、大氣污染及酸雨、酸性介質(zhì)）,雜散電流腐蝕；（2）凍融作用：淡水凍融，鹽水凍融（海水、鹽湖等）,鹽凍（除冰鹽）；（3）環(huán)境水和鹽類侵蝕：硫酸鹽（鎂鹽）侵蝕，溶出性侵蝕（滲透溶蝕、碳酸侵蝕），土壤腐蝕（中堿性土、酸性土、內(nèi)陸鹽土、海濱鹽土 ），鹽鹵腐蝕（海洋及近海、鹽湖），泛酸性侵蝕（pHV 的環(huán)境水、污水）；（4）堿骨料反應(yīng)：堿硅酸反應(yīng)，堿碳酸反應(yīng)。2對此國內(nèi)外的學者主要從混凝土的抗?jié)B透性，抗腐蝕性和抗凍性三個方面著手進行混 凝土的耐久性研究。如在抗凍方面1945年，Power

5、s提出了混凝土凍融破壞的毛細孔水結(jié)冰靜水壓假說。靜 水壓理論：冰首先在混凝土的表面上形成，把試件內(nèi)部封閉起來由于結(jié)冰膨脹所造成的壓力迫使水分向內(nèi)進入飽和度較小的區(qū)域混凝土滲透性較大時，形成水壓梯度，對孔壁產(chǎn)生壓力，隨著冷卻速度的加快，水飽和度的提高和氣孔間隔的增大以及滲透性和氣孔尺寸的減小，水壓將會增高，當水壓超過了混凝土抗拉極限強度時，孔壁就會破裂，混凝土受到損害。結(jié)果在氣溫上升結(jié)冰融解之后又發(fā)生凍結(jié)。這種反復(fù)出現(xiàn)的凍融交替具有累積的作用，使混凝土的裂縫擴張，表面剝落直至完全瓦解3,之后Powers又與Helmuth一起提出了滲透壓假說：滲透壓理論含有未凍水的孔與含冰和離子溶液的大孔之間的滲

6、透壓毛細孔與凝膠孔內(nèi)溶液之間 的濃度差會引起凝膠孔向毛細孔中的擴散，從而形成了滲透壓趨于平衡使孔壁的壓力增加。即使水中沒有離子溶解，水分子從小孔到含冰孔擴散時也有類似滲透壓作用。1975年,Fagerlund提出了混凝土抗凍性的臨界水飽和度理論，很好地解釋了混凝土的凍融破壞現(xiàn)象4Setzer的微冰晶透鏡模型理論指出，凍融作用主要是一個飽和作用發(fā)生的過程，只有混凝土 達到一定的飽和程度，內(nèi)部破壞才有可能發(fā)生。5這些假說的提出對研究混凝土材料領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，引領(lǐng)著后來的學者在混凝土抗凍領(lǐng)域進行深入研究。目前有關(guān)混凝土凍 融的研究工作主要有混凝土凍融破壞機理的進一步深入探討、提高混凝土抗凍性

7、的措施和凍融耐久性劣化預(yù)測模型等方面。到目前為止，混凝土的受凍破壞機理還不是完全清楚，它可以是由于靜水壓或者是滲透壓，或者是凍融過程中水分遷移的不連續(xù)性，混凝土內(nèi)部的臨界飽和度，或者微冰晶透鏡的長大，或者上述一個或者幾個作用機理的結(jié)。一些學者在前人的基礎(chǔ)上提出了一些新的理論如 熱彈性應(yīng)力理論、低溫腐蝕理論等。對改善混凝土抗凍性的研究主要是從凍融破壞的機理出發(fā)，針對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和外部環(huán)境條件對抗凍性的影響，提出了一些提高混凝土抗凍性的措施如：在表面刷涂有機硅涂料6，降低混凝土水膠比提高強度和密實性，摻加引氣劑適當引氣，降低飽水程度、釋放結(jié)冰水壓力，選用低吸水率骨料成為提高和保證混凝土抗凍性

8、。7在凍融耐久性劣化預(yù)測模型方面，試驗室里，通常以試件的凍融循環(huán)次數(shù)或試件的動彈性模量或抗凍融耐久性指數(shù)為指標來評價混凝土的抗凍融性能。同濟大學建立了以抗凍融耐久性指數(shù)為抗凍融指標，以含氣量與水灰比為材料特征參數(shù)的混凝土抗凍性數(shù)學模型8,文獻8還介紹了1996年科威特學者E.K.Attiogbe提出的一種評估已建混凝土抗凍性的新方法， 即混凝土樣芯坐標作圖法。抗腐蝕性方面混凝土中鋼筋的腐蝕是導致整個結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。鋼筋表面生成鐵銹， 體積增大約2.5倍，混凝土中的鋼筋銹蝕到一定程度，由于鋼筋產(chǎn)生的體積脹力足以使保護層混凝 土開裂，給侵蝕性物質(zhì)的進入提供了有利的條件，造成鋼筋銹蝕的進一步

9、加劇。由上文可知鋼筋腐蝕是由幾個方面造成的，最主要的如氯鹽腐蝕，硫酸鹽腐蝕。碳化作用。硫酸鹽腐蝕：1892年，米哈埃利斯在受侵蝕的混凝土中發(fā)現(xiàn)被稱之為“水泥桿菌”的針粒狀晶體（實質(zhì)上就是鈣磯石），由此最早發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用9在此基礎(chǔ)上，國外學者對硫酸鹽侵蝕的問題進行了很多研究，如1923年的美國學者米勒從1923年開始在含硫酸鹽土壤中進行混凝土的腐蝕試驗。101925年在密勒的領(lǐng)導下，美國開始在硫酸鹽含量極高的土壤內(nèi)進行長期試驗。 聯(lián)邦德國鋼筋混凝土協(xié)會利用混凝土構(gòu)筑物在自然條件下遭受沼澤水腐蝕進行了大量的試驗。Cornet的研究實驗表明由于SO42-的去鈍化作用致使混凝土中的鋼筋發(fā)

10、生強烈腐蝕11我國關(guān)于混凝土耐久性的腐蝕試驗開展比較晚，始于20世紀50年代。1958年，在國家科委領(lǐng)導下，在1959年至1964年期間，在全國各類土壤中建立了 一批試驗站，后在 七五”期間又在全國建立了18個新的土壤腐蝕試驗站，通過定期對試驗站內(nèi)埋設(shè)的混凝土進行檢測，從而建立了科學、可靠的實測數(shù)據(jù)。20世紀60年代南京水利科學研究院開始進行鋼筋銹蝕的研究。鐵道科學研究院防腐蝕組結(jié)合我國西部硫酸鹽腐蝕的環(huán)境條件，開展了室內(nèi)長期浸泡、室外埋設(shè)試件的研究。在后續(xù)的研究工作中，各學者均在國家規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)擬測試的目標制定了不同的試驗方案以及相應(yīng)的評定標準，并積累了豐富的文獻資料。國內(nèi)學者劉曉敏的

11、實驗發(fā)現(xiàn)，在氯離子存在時，硫酸根具有緩蝕作用,氯鹽腐蝕：冬季撒除冰鹽環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，會受到氯鹽侵蝕對其耐久性造成的影響，而氯鹽侵蝕又是引起鋼筋銹蝕的首要因素。氯鹽對混凝土結(jié)構(gòu)的劣化破壞，是在混凝土中鋼筋表面的Cl-含量達到某一極限值以后，使鋼筋表面的鈍化膜破壞，產(chǎn)生坑蝕；在空氣和水分的作用下，形成宏觀電池，使金屬鐵變成鐵銹，提及膨脹，混凝土保護層發(fā)生開裂破壞， 使結(jié)構(gòu)承載能力降低，并逐步劣化破壞。研究氯鹽侵蝕對混凝土的破壞必須要研究氯鹽在混凝土中的擴散滲透性能，通常情況下氯離子在混凝土中的擴散滲透行為可用Fick第二擴散定律來描述，并得到在一定初始條件和邊界條件下的數(shù)學解。馬亞麗13分析了

12、影響混凝土結(jié)果氯離子侵蝕壽命的因素的概率分布 特征，提出了基于Fick第二定律的氯離子侵蝕耐久壽命的概率計算方法，根據(jù)耐久可靠理論，針對目前確定性參數(shù)方法預(yù)測結(jié)構(gòu)壽命的不足，提出了基于規(guī)定可靠指標氯離子侵蝕耐久壽 命預(yù)測方法。金偉良等14基于Fick第一、第二擴散定律，提出了一種簡單可靠的推算氯離子 質(zhì)量分數(shù)的方法，該方法考慮了混凝土對氯離子的線性固化，以及擴散系數(shù)在服役期間的變 化。直流電量法是氯離子滲透試驗的代表，它也是AASHTO T277和ASTM C1202推薦的測量混凝土滲透性的方法。在此基礎(chǔ)上，CTH法也得到廣泛應(yīng)用15因此研究者們對于混凝土抗腐蝕性的研究，抗氯離子滲透也是重中之

13、重。宋玉普等16對不同水灰比及摻加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土氯離子擴散系數(shù)進行了試驗研究，并對高性能混凝土海洋平臺結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕壽命進行了預(yù)測和分析，實驗表明在一定條件下，低水灰比和增加保護層厚度均可以提高混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕的耐久壽命，該結(jié)論為混凝土海洋平臺的耐久性設(shè)計與評估提供了參考依據(jù)。 除此之外 混凝土的碳 化也是影響混凝土抗腐蝕性能的重要因素，混凝土碳化的原因是大氣中的二氧化碳不斷地向混凝土內(nèi)部滲透，并與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成弱堿性的碳酸鈣，故使混凝土堿性降低，當碳化層發(fā)張到鋼筋表面，使鋼筋表面的高堿環(huán)境（pH為12.513.5）的pH值下降，當pH值下降到11.5以下時，

14、鈍化膜開始不穩(wěn)定，當pH降到9左右時，鋼筋鈍化膜就遭到完全破壞。北京建筑工程學院17通過試驗研究和工程調(diào)查，提出混凝土碳化程度的測定原理及混凝土碳化方程式，并用酚猷試劑和X射線測定混凝土碳化程度。由于混凝土碳化速率與構(gòu)件所處的環(huán)境及氣候條件有關(guān)，邸小云18提出了根據(jù)混凝土設(shè)計強度和混凝土配合比估算碳化速率系數(shù)的計算公式，另外，由于混凝土結(jié)構(gòu)體的復(fù)雜性，加之環(huán)境條件的變化，所以引起混凝土碳化的因素有很多。從混凝土的碳化機理看， 由碳化引起的結(jié)構(gòu)耐久性失效具有明顯的模糊性，曹丹盈19等用模糊數(shù)學方法對混凝土因碳化耐久性失效的概率作了初步分析。學術(shù)界一直把混凝土碳化當作熱點問題進行研究，總結(jié)出混凝土

15、碳化的影響因素主要有 以下幾點：（1）水灰比。李光宇、張海燕20等對不同水灰比的混凝土進行28天碳化試驗得出結(jié)論當水泥用量保持不變時，用水量越少，碳化深度越低；用水量保持不變時，碳化 深度與水泥用量成反比例關(guān)系；混凝土強度越高其抗碳化性能越好，溫度越高碳化速度越快。同濟大學的楊建森，王培銘21 涌過研究在硫酸鹽溶液中腐蝕過的混 凝土試塊的抗碳化性能總結(jié)出水灰比、孔隙率、粉煤灰摻量（0%30%）這三個因素對碳化的影響是從大到小的。即水灰比對混凝土抗碳化性能影響最大，孔隙率其次，粉煤灰最小。提高了鋼筋表面鈍化膜的抗腐蝕性能。12(2)摻合料。從理論上來說只要水泥的水化產(chǎn)物中含Ca2+,水泥石就會碳

16、化。當二氧化碳進入混凝土內(nèi)部時首先攻擊的是Ca (OH)2有人認為在設(shè)計混凝土配合比時摻入粉煤灰、礦渣等摻合料降低了混凝土的堿度，碳化速度因此而增加。清華大學阿茹罕，閻培渝22同時采用加速碳化與自然碳化兩種試驗方法，研究C30混凝土在不同摻量粉煤灰條件下的抗碳化性能，結(jié)論認為：在碳化初期由于粉煤灰的物理填充效應(yīng)使得混凝土更久密實使得混凝土的抗碳化能力得到提高。但是隨著碳化時間的延長，粉煤灰的火山灰反應(yīng)”消耗了混凝土中的Ca (OH )2,使得粉煤灰摻量越大混凝土的碳化深度也相應(yīng)地增加。(3)孔結(jié)構(gòu)。混凝土中的各種微觀孔隙和裂縫是CO2滲入混凝土內(nèi)部的通道，當混凝土越密實時，CO2就越難滲入到混

17、凝土內(nèi)部。張鵬，趙鐵軍23對經(jīng)過凍融循環(huán)后的混凝土試件進行28天快速碳化試驗表明，經(jīng)過凍融后的混凝土試塊不僅強度 下降，更是因為凍融使得混凝土內(nèi)部的微觀孔變大，導致碳化速度大大地高于沒有凍融的試塊。高任清，陳建兵對泵送混凝土在自然條件下的碳化進行研究表明， 使用顆粒級配良好的石子能夠提高混凝土的密實度，降低有害孔的含量而降低碳化。(4)混凝土所處的應(yīng)力狀態(tài)?；炷磷鳛橐环N多孔非均質(zhì)材料，在受力后必然發(fā)生變形，那么其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)也將隨著混凝土的形變而發(fā)生改變。國內(nèi)學者吳用賢24、袁承斌、田浩25等人通過采用夾具對混凝土試塊施加應(yīng)力并且?guī)е鴬A具一起放入碳 化箱中，研究了在存在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力條件下混

18、凝土抗碳化能力的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，混凝土的抗碳化性與其所處的應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系：混凝土抗碳化性能與拉應(yīng)力大小成反比例關(guān)系，反之，壓應(yīng)力在一定范圍以內(nèi)可以改善混凝土的抗碳化能力。除了以上幾種因素外， 混凝土的抗碳化性能還與外界CO2濃度、溫濕度、混凝土的養(yǎng)護條件和施工方法等因素有關(guān)。最后對于混凝土的抗?jié)B透性能滲透性能嚴格意義上的定義為：表征流體在壓力差的作用下通過基體的難易程度?；炷磷鳛橐环N多孔的材料，它的滲透性實際上包含了毛細吸附、滲透過程以及吸附過程?？?jié)B性研究的起步比較晚，上文提到的Powers提出的滲透壓理論中指出，混凝土受凍害而破壞的程度是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的含水量，以及在水結(jié)冰過

19、程中能否產(chǎn)生使水泥石破壞的足夠大應(yīng)力，因此負溫下混凝土的研究不僅單對混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性有很大的意義。如張粉芹26通過對恒定負溫下高性能混凝 土耐久性的研究發(fā)現(xiàn)， 摻有外加材料的混凝土抗?jié)B性較好。除此之外正溫下混凝土的研究如馬志明27等通過研究養(yǎng)護濕度對混凝土試件的毛細吸收性能影響發(fā) 現(xiàn)，混凝土試件養(yǎng)護濕度越高，其毛細吸水系數(shù)越小，即混凝土的抗?jié)B性越好。特別當混凝土的養(yǎng)護濕度低于65%時，其毛細吸水量及吸收系數(shù)將會有較大幅度的提高；Mehta P K28認為，混凝土的滲透性不僅與孔隙率有關(guān)，孔徑的分布和 連通性更是其決定性因素。當前人們普遍認為混凝土的毛細孔半徑越小，混凝土的抗?jié)B等級越高，抗?jié)B性

20、能越好。其實，這只是在規(guī)定的試件尺寸和實驗方法條件下，人們得到的一種并不全面的認識。實際上，在不同的水壓條件下，規(guī)定厚 度的混凝土試件抗?jié)B透能力，并不能正確反映液體在實際滲透深度以內(nèi)或鋼筋保護層厚度以內(nèi)的抗?jié)B透能力。 按標準方法確定的抗?jié)B等級較高的混凝土，也不是在大多數(shù)情況下都具有比較好的抗?jié)B性。隨著混凝土內(nèi)部孔徑尺寸的減小，對混凝土耐久性影響最大的表層混凝土的滲透速度是一個由大變小，再由小變大，最后又重新變小的重復(fù)過程。29 此文獻還指出想要提高混凝土的抗?jié)B性，既可以使混凝土形成以超微孔為主的孔隙體系，也可以使其形成以盡量細的非毛細孔為主的孔隙體系，這兩種途徑都可以大幅減小混凝土的毛細孔壓力

21、。此外，前者能同時提高混凝土的孔隙阻力，更適合水壓力較高的環(huán)境；后者不能大幅度提高混凝 土的孔隙阻力，不太適合水壓力過高的環(huán)境，但對于臨界滲透深度以內(nèi)的混凝土表層或鋼筋保護層，仍比毛細孔半徑相對較細的混凝土具有較好的抗?jié)B性。4.結(jié)語已有的損失和教訓告誡我們，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性直接關(guān)系著國民經(jīng)濟的順利發(fā)展以及人民生命和財產(chǎn)的安全，所以世界各國均十分重視該方面的研究。以上是分別從混凝土的三個不同性質(zhì)方向進行單獨論述來評測混凝土的耐久性，然而由于混凝土結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性及影響因素的不確定性，僅僅只通過研究某一單一影響因素下材料的破壞性來解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題是不全面的，應(yīng)在單因素研究的基礎(chǔ)上進行多因

22、素混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究。參考文獻：1覃維祖譯自： P.-C.A? tcin.Cements of yesterday and today:Concrete of tomorrowJ .Cement andConcrete Research, 2000(9)2陳改新混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展J趨勢中國水利水電科學研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京1000383 Powers T C .A .Working Hypothesis for Further Studies of Frost Resi s- tance ofConcreteJ .Proceedings, American Concrete

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