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混凝土结构耐久性下降的主因、机理及影响因素

时间:2020-11-04 来源:《内蒙古科技大学土木工程学院》
作者:蒋明辉 王浩 杭美艳

  摘    要: 文中概述了混凝土结构耐久性下降的主要原因,即硫酸盐侵蚀、氯盐侵蚀、混凝土碳化,探讨了其性能下降的机理及影响因素,并列举了多种改善措施,为今后研究混凝土结构耐久性等问题提供了理论依据。

  关键词: 混凝土结构; 硫酸盐侵蚀; 氯盐侵蚀; 混凝土碳化;

  Abstract: This article summarized the primary causes for the deterioration in durability of concrete structure, including sulfate attack, chloride attack and concrete carbonization. Meanwhile, this article discusses the corrosion mechanism of the durability deterioration of structure and many factors, enumerating various of improvement measures. Therefore, this article provides a theoretical foundation for future research on the durability of concrete structure.

  Keyword: Concrete structure; Sulfate attack; Chloride attack; Concrete carbonization;

  0 、引言

  混凝土结构因具有优越的材料性能,因此被广泛运用于建筑、桥梁、铁路等土木工程结构中[1]。然而,由于外界环境发生变化,会对结构造成不同类型的腐蚀破坏,导致耐久性下降[2]。据统计,结构发生腐蚀破坏和基础设施恶化造成的经济损失大约每年有2.5万亿美元,一方面造成巨大经济损失,另一方面也给人们的生命健康带来重大隐患。因此,必须重视混凝土结构耐久性问题,保护其不受侵蚀破坏[3]。

  目前,科学界已经做出了大量研究得出了混凝土耐久性下降的主要原因,但是对于每种原因所对应的影响因素并未做深层次分析。因此,应该综合考虑各种影响因素来研究混凝土性能下降的原因。本文通过查阅国内外大量文献,系统地概述了混凝土结构耐久性下降的主要原因、机理分析以及影响因素,并针对性列举多种改善措施,为今后研究混凝土结构耐久性等问题提供理论依据。

  1、 硫酸盐侵蚀

  硫酸盐侵蚀是造成混凝土结构耐久性不足、发生结构破坏的重要因素之一,也是一个相对复杂的过程,并对混凝土结构的危害性较大,常见的硫酸盐侵蚀主要有钠盐、钙盐、镁盐和钾盐等,侵蚀类型主要分为外部侵蚀、内部侵蚀、物理侵蚀、化学侵蚀[4]。硫酸盐侵蚀是环境水中的SO42-与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应生成AFm、AFt、石膏、碳硫硅钙石等[5],少量的这些物质会填充到混凝土结构孔隙内部并逐渐积聚密实,有利于混凝土强度的增长,但是随着反应的继续,孔隙管道中产物的增多会产生膨胀效应从而破坏硬化的水泥石结构,导致结构孔隙增大、体积膨胀,从而破坏混凝土结构。

  1.1 、硫酸盐侵蚀的原理

  外界环境中的SO42-通过诸多孔隙进入到混凝土内部,当SO42-含量达到一定限值时,SO42-会与水泥水化产物发生二次水化反应,从而破坏混凝土原有的微观结构,使混凝土的综合性能下降,导致混凝土结构破坏。主要分为以下四种侵蚀破坏:(1)钙矾石型破坏:常见的硫酸盐(如Na2SO4、K2SO4等)与水泥石中的Ca(OH)2作用生成膨胀性的石膏等产物,这些产物再与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫酸钙,随后产生极大的应力,使混凝土结构体积膨胀,最终其结构发生破坏[7];(2)石膏型破坏:石膏型破坏与SO42-的含量密切相关,当侵蚀溶液中SO42-的含量超过某一限值时,会生成钙矾石和二水石膏晶体;当侵蚀溶液中SO42-的含量小于某一限值时,只有钙矾石生成[6];(3)镁硫型破坏:溶液中的Mg+、SO42-与水泥水化产物Ca(OH)2反应,降低了水泥石碱的含量,同时生成石膏和AFt,会大量吸收混凝土内部大量水分而结晶,造成混凝土结构体积膨胀破坏,其化学反应式为:Mg SO4+Ca(OH)2+2H2O=Ca SO4·2H 2O+Mg(OH)2;(4)碳硫硅钙石破坏:在SO42-和CO32-的共同作用下,与水泥中的水化硅酸钙反应生成无胶结力的碳硫硅钙石,从而破坏水泥石结构,降低水泥石的强度[8]。
 

混凝土结构耐久性下降的主因、机理及影响因素
 

  1.2、 影响硫酸盐侵蚀的主要因素

  1.2.1、 混凝土原材料

  混凝土抗硫酸盐侵蚀能力很大程度上受混凝土中水泥品种及用量、矿物掺合料品种及掺量、水灰比的影响[7]。研究表明[8],混凝土抗硫酸盐侵蚀能力在很大程度上取决于水泥熟料中矿物相对含量的大小,水泥中C3A和C3S的含量直接影响了混凝土抗硫酸盐侵蚀能力,水泥中C3A水化生成水化铝酸钙是形成钙矾石的先决条件,C3S、C2S在水泥水化过程中析出大量Ca(OH)2,而Ca(OH)2是形成钙矾石和石膏的必要条件。水泥用量和水灰比直接决定混凝土的密实性,进一步决定混凝土抗硫酸盐侵蚀能力,研究发现低水灰比的试件抗侵蚀能力更好。此外,掺矿物掺合料(矿渣粉等)也能提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力,一般而言,掺矿物合料掺量越多,其抗硫酸盐侵蚀能力越强,其主要原因在于[9]:(1)活性掺合料可以降低C3A和C3S的含量;(2)矿物掺合料与水泥石中的Ca(OH)2发生二次水化反应,降低了SO42-与Ca(OH)2反应生成膨胀性产物石膏等的可能,这些产物也无法结晶析出,其原因在于二次水化反应使Ca(OH)2的含量降低,混凝土内部膨胀性产物的含量也降低,从而混凝土结构抗硫酸盐侵蚀能力增强。

  1.2.2 、硫酸盐种类及含量

  硫酸盐溶液包括普通硫酸盐侵蚀、Mg SO4侵蚀两大类。第一类主要是SO42-侵蚀混凝土结构,第二类主要是Mg2+的存在加重SO42-对混凝土结构的侵蚀导致其发生腐蚀破坏,其原因在于Mg SO4与Ca(OH)2反应生成的Ca SO4,Ca SO4会继续和Ca O·Al2O3·12H2O反应,推动反应一直进行下去,加重对混凝土结构的侵蚀,其化学反应方程式为:

  研究表明,不同浓度的SO42-,混凝土结构侵蚀机理、腐蚀程度、腐蚀产物也会有所不同。当SO42-浓度较低时主要生成AFt晶体;当SO42-浓度较高时以石膏侵蚀为主;当SO42-浓度在两者之间时,会同时生成钙矾石与石膏。

  1.2.3、 环境PH值

  混凝土抗硫酸盐侵蚀能力随环境PH值的降低而降低,当PH=12~12.5时,生成钙矾石晶体;当PH=11.6~12.5时,生成水化硅酸钙凝胶;当PH=10.6~11.6时,生成石膏晶体;当p H<10.6时,钙矾石晶体开始分解。

  1.3 、防治硫酸盐侵蚀的措施

  1.3.1 、选择合适的混凝土原材料

  根据工程环境所处的特点,应该合理选择混凝土组成原材料。在拌制混凝土的过程中,应选用水泥熟料中C3A含量低的水泥[10],优化骨料级配,并掺适量矿物掺合料(矿渣粉等)和外加剂,用以降低水胶比、改善混凝土的孔结构,提高其密实度,从而提高混凝土结构抗硫酸盐侵蚀能力。

  1.3.2、 提高混凝土密实度

  大量研究证明,混凝土抗硫酸盐侵蚀能力与混凝土密实度密切相关,而密实度又受水灰比大小的影响。因此,应该严格控制混凝土的水灰比的大小以此改善混凝土的密实程度。

  1.3.3 、设置隔离层

  在成型混凝土的表面涂上一层具有较强耐腐蚀性的保护膜,将环境中的SO42-等侵蚀性离子、水与混凝土表面隔离开,不仅可以降低SO42-与其他水化产物发生反应,提高混凝土的抗渗性,还可以有效防止混凝土结构发生侵蚀破坏。

  1.3.4 、使用防腐剂

  在我国,一些重要工程通常使用特种水泥来提高混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀能力,但由于特种水泥生产厂家少,且价格昂贵,不能较大范围使用。因此,在拌制混凝土的过程中,可以掺入防腐剂,并与普通硅酸盐复合取代特种水泥,这不仅能节约大量成本,还能改善混凝土结构的抗侵蚀能力。

  2 、氯盐侵蚀

  钢筋破坏、混凝土结构劣化的最直接原因是由Cl-侵蚀引起的[11],在盐碱地区,钢筋混凝土结构长期处于氯离子环境中,易发生腐蚀破坏,导致大量耐久性问题。Cl-进入混凝土内部的方式主要有以下几种:一是在拌制混凝土的过程中随着原材料带入到混凝土内部,二是外界侵蚀环境中的Cl-通过诸多方式(如毛细、渗透等)扩散到混凝土内部。Cl-进入钢筋混凝土中,当钢筋周围Cl-浓度超过引起钢筋表面钝化膜反应的最大浓度时,氯离子就会和钢筋表面的钝化膜发生反应,致使钝化膜破坏,引起钢筋锈蚀,最终导致钢筋混凝土结构破坏[12]。

  2.1、 氯盐侵蚀的原理

  在混凝土中,Cl-通过众多孔隙进入混凝土内部,与混凝土内部钢筋发生化学反应,使钢筋表面产生诸多微裂纹,钢筋遭到破坏,最终造成混凝土结构无法继续承受荷载,导致其结构发生破坏。混凝土中的氯盐一方面来自混凝土原材料,另一方面来自外界环境,并通过诸多方式进入混凝土内部[13]。混凝土中的氯盐主要以Cl-的形式存在,Cl-进入混凝土内部后首先聚集在钢筋的表面,与钢筋表面的钝化膜相互作用发生持续腐蚀反应,钝化膜受损坏,形成钝化膜的“解胶作用”。Cl-与钢筋发生反应,钢筋表面逐渐生成锈层,当锈层越来越厚时,混凝土与钢筋之间的黏结能力会逐渐下降,当混凝土结构继续承受较大荷载时,会导致其结构发生破坏[14]。

  2.2、 影响氯盐侵蚀的因素

  2.2.1 、混凝土保护层厚度

  研究表明[15],混凝土保护层厚度决定了钢筋的锈蚀程度,且氯离子扩散速度和混凝土保护层厚度的大小成反比。因此,适当增大保护层的厚度可以延缓钢筋锈蚀的时间,但是保护层厚度也不能无限大,当保护层厚度规范规定的限值时,混凝土会产生过多的微裂缝,这为氯离子进入混凝土创造了良好的条件。因此,应该根据混凝土结构所处的环境严格控制其保护层厚度[14]。

  2.2.2、 水泥品种及水灰比

  水泥品种和水灰比的大小直接决定了混凝土的水化产物和混凝土结构的密实度。水泥熟料中C3A的含量越高,水泥水化反应越充分,混凝土抗氯离子侵蚀能力越强;此外,混凝土密实度与混凝土的水灰比和孔隙率呈负相关作用,且水灰比的大小决定了氯离子的扩散速度以及钢筋的锈蚀程度。

  2.2.3 、钢筋表面氯离子的含量

  钢筋表面氯离子的含量直接决定了钢筋的锈蚀程度,钢筋表面氯离子的含量越高,钢筋越容易锈蚀。因此,应该采取相应的措施来提高混凝土的密实度以及严格控制混凝土组成原材料中氯离子的含量,最终控制钢筋表面氯离子的含量。

  2.2.4、 养护条件

  当钢筋混凝土结构养护不满足规范要求时,会导致水泥水化反应不充分,从而降低混凝土抗氯盐侵蚀能力,加快氯离子进入混凝土内部。此外,养护时温度也会对氯离子侵蚀速度产生影响,当温度较低时,可以降低水化反应速度及混凝土早期强度,但是初期温度过低将导致混凝土早期强度发展较慢,水化产物分布不均匀,会使混凝土结构的孔隙率变大,混凝土结构不密实,加速钢筋锈蚀。

  2.3 、防治氯盐侵蚀的措施

  2.3.1 、选择合适的混凝土原材料

  水泥中吸附氯离子作用最强是C3A,混凝土抗氯离子侵蚀能力随混凝土中C3A含量的提高而逐渐增强。因此,在拌制混凝土的过程中,应该选用水泥熟料中C3A含量高的水泥,掺适量的矿物掺合料(如矿渣粉)、阻锈剂等,有利于提高混凝土拌合物的密实度,可以有效降低氯离子的扩散速度,预防钢筋

  2.3.2、严格控制骨料的粒径及混凝土保护层厚度

  在拌制混凝土的过程中,应该选择粒径合适、选择级配良好的骨料,降低混凝土的孔隙率,此外还应适当增加混凝土保护层厚度,延缓Cl-渗透到钢筋表面的时间,从而降低钢筋锈蚀程度。

  2.3.3、 严格控制混凝土内部氯离子的含量

  标准规范明确规定,普通混凝土:氯离子含量不高于0.10%(占水泥质量百分比);预应力混凝土:氯离子含量不高0.06%(占水泥质量百分比)。我国北方大部分地区都位于盐碱地区,因此,应该采取相应的措施控制混凝土中Cl-的含量,其中最有效的方式是控制混凝土组成原材料中Cl-的含量。

  2.3.4、 设置隔离层

  在浇筑钢筋混凝土结构前,在不降低钢筋与混凝土之间握裹力的前提下,可以在钢筋表面涂上一层隔离层,将混凝土中的Cl-等与钢筋隔离开,防治钢筋锈蚀。此外,在混凝土试件养护成型后,也可以在混凝土表面涂一层涂料,在混凝土表面生成隔离层,降低渗透性,从而有效延缓Cl-等侵蚀性离子扩散到混凝土内部,避免钢筋锈蚀。

  3、 混凝土碳化

  3.1、 混凝土碳化的机理

  混凝土碳化是一种化学反应侵蚀破坏,空气中的CO2气体通过混凝土结构诸多孔隙进入到混凝土内部,并与硬化胶凝材料中的碱性物质在有水存在的条件下发生化学反应,使混凝土碱度逐渐降低,减弱了混凝土对钢筋的保护作用,导致钢筋锈蚀的过程称为混凝土碳化[15]。水泥水化反应生成大量的Ca(OH)2,在混凝土内部形成饱和的Ca(OH)2溶液,其碱性介质对钢筋具有良好的保护作用,使钢筋表面生成难溶的钝化膜。碳化后使混凝土的碱度逐渐降低,碳化深度随着时间的延续而增大,当碳化深度大于其保护层厚度时,在水和空气共同存在的情况下,就会使混凝土失去对钢筋的保护作用,钢筋逐渐生锈,混凝土碳化过程相对缓慢,因此并不会直接造成混凝土结构发生腐蚀破坏[16]。

  3.2 、影响混凝土碳化的因素

  3.2.1、 水泥品种、用量及水灰比

  混凝土的和易性、碱度及其内部可碳化物质的含量取决于水泥品种、用量及水灰比的大小。混凝土的碳化速度随水泥熟料中矿物成分的相对含量及水泥含量的增多而逐渐减慢,且随水灰比、孔隙率的增大而逐渐加快。此外,外加剂的掺入也能降低混凝土的碳化速率,避免混凝土碳化。

  3.2.2 、骨料级配

  混凝土的密实度、CO2的扩散速度以及混凝土的碳化速度等跟骨料级配密切相关。骨料级配越好,混凝土结构越密实,CO2进入混凝土内部通路受阻,混凝土碳化速度越慢。因此,应该选择级配良好的骨料,从而减小碳化速度。

  3.2.3、 周围介质CO2的浓度

  外界环境中CO2的浓度是引起混凝土碳化的直接原因。CO2气体通过混凝土表面众多微小孔隙扩散到混凝土内部,当混凝土结构处于潮湿环境中时,CO2气体会与其内部碱性物质发生化学反应,使混凝土结构体积膨胀,混凝土表面产生众多缺陷,导致混凝土碳化。当养护时的温度和湿度满足要求时,CO2浓度越大,混凝土结构的碳化速度就会越快。

  3.2.4、 养护方法及施工质量

  研究表明,当混凝土养护和施工质量均不满足规范要求时,也会引起混凝土碳化。混凝土结构早期养护不充分,施工质量差(主要表现为振捣不密实),会使水泥水化反应不充分,混凝土强度降低,其表面出现诸多缺陷(如缺棱、掉脚等),这为CO2进入混凝土提供了良好的途径,从而加速混凝土碳化[17]。

  3.3 、预防混凝土碳化的措施

  3.3.1 、选择适宜水泥品种及水灰比

  混凝土的碳化速度随水泥中Ca(OH)2含量的增多而逐渐降低,因此应选择生成较多Ca(OH)2的水泥品种。研究表明[17],在水泥用量不变的情况下,水灰比越小,混凝土内部的孔隙率越小,混凝土越密实,混凝土的碳化速度越慢。因此,在满足施工和设计使用要求的情况下,掺适量减水剂,用以降低水灰比,改善混凝土孔结构,提高结构密实度,从而降低CO2的扩散速度,避免混凝土碳化。

  3.3.2、 掺矿物掺合料和外加剂

  在拌制混凝土的过程中可以掺矿物掺合料(如矿渣粉)和外加剂(减水剂等),用以改善混凝土的工作性能,减少拌和水的用量,降低水灰比,改善混凝土的孔结构,提高其密实度,从而降低CO2的扩散速度,避免混凝土碳化。

  3.3.3、 加强养护

  养护时的温度和湿度必须满足要求,应按照规范要求,将成型后的混凝土试件置于温度为(20±2)℃,相对湿度>95%的条件下养护28d。

  4 、结论

  本文较系统地概述了混凝土结构耐久性下降的主要原因、腐蚀破坏机理及其影响因素,该项综述为今后研究混凝土结构配合比设计、施工设计、耐久性等问题提供参考依据。

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