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专 科 生 毕 业 大 作 业
题
目：混凝土结构耐久性研究浅谈
学习中心：北京延庆奥鹏学习中心
层 次： 高中起点专科
专 业： 土木工程
年 级： 2009年秋 季
学 号： [1**********]4
学 生： 耿聪颖
指导教师： 张园园
完成日期： 2011 年 6 月 27 日
内容摘要
混凝土结构的耐久性是指混凝土抵抗周围不利因素长期作用的性能。本文通过对混凝土结构耐久性的检测方法，影响其使用的主要因素以及提高混凝土结构耐久性的主要技术措施，细致入微的阐述了当今社会混凝土在施工中存在的问题和防治措施。
关键词：
混凝土；检测方法；主要因素；技术措施
目 录
内容摘要 ........................................................................................................................... I
引 言 .............................................................................................................................. 1
1 混凝土缺陷检测方法 ................................................................................................ 3
1.1 声发射法 ......................................................................................................... 3
1.2 雷达法 ............................................................................................................. 3
1.3 红外线热谱法 ................................................................................................. 3
2 影响混凝土结构耐久性的主要因素 ........................................................................ 4
2.1 混凝土的材质 ................................................................................................. 4
2.2 混凝土的冻融破坏 ......................................................................................... 4
2.3 混凝土的碱-集料反应 ................................................................................... 4
2.4 化学侵蚀 .......................................................................................................... 4
2.5 钢筋的锈蚀 ...................................................................................................... 5
2.6 混凝土结构所处的环境条件 .......................................................................... 5
3 提高混凝土结构耐久性的主要技术措施 ................................................................ 7
3.1 原材料的选择 .................................................................................................. 7
3.1.1 水泥 .............................................................................................................. 7
3.1.2 集料 .............................................................................................................. 7
3.1.3 外加剂 .......................................................................................................... 7
3.1.4 矿物掺和料 .................................................................................................. 8
3.1.5 密实抗渗剂 .................................................................................................. 8
3.1.6 混凝土含气量 .............................................................................................. 8
3.2 控制施工质量 .................................................................................................. 8
3.3 结构的日常维护 .............................................................................................. 9
4 结 语 ...................................................................................................................... 10
参考文献 ........................................................................................................................ 11
引 言
混凝土结构以其整体性好、耐久性好、可塑性强、维修费用少等优点受到21世纪各个国家的广泛使用，尤其是在建筑、道桥等行业的普遍使用，更说明了混凝土已成为当今社会发展的不可缺少的施工素材。任何事物都有双面性，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。
混凝土结构以其整体性好、耐久性好、可塑性强、维修费用少等优点受到21世纪各个国家的广泛使用，尤其是在建筑、道桥等行业的普遍使用，更说明了混凝土已成为当今社会发展的不可缺少的施工素材。任何事物都有双面性，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。
在分析混凝土结构的耐久性问题时，首先我们要了解什么是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。混凝土结构的设计使用年限根据结构的重要性按现行的有关国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》 (GB 50068) 的规定确定。我国规定的设计使用年限分为 50 年和 100 年。 混凝土结构广泛用于各类工程结构中，如果因耐久性不足而失效，或为了继续正常使用而进行相当规模的维修、加固或改造，则将要付出高昂的代价。保证混凝土结构能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足耐久性的要求，是一个十分迫切和重要的问题。在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。
混凝土结构的耐久性设计主要根据结构的 环境类别 和 设计使用年限 进行，同时还要考虑对 混凝土材料的基本要求 。在我国，采用 满足耐久性规定 的方法进行耐久性设计，实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策。下面我们就从混凝土结构耐久性的检测方法，形成的主要因素,提高耐久性的技术措施以及混凝土结构耐久性设计等几个与混凝土结构的耐久性密切相关的问题进行分析探讨。
1 混凝土缺陷检测方法
1.1声发射法
声发射法是利用材料或结构受力时发出瞬态振动现象的原理，在混凝土构件表面的不同部位上放置声传感器，并将传感器与信号放大器、信号调节器和磁带记录仪等组成测量系统。当混凝土构件受力产生的应变超过其弹性极限点时就会产生小振幅弹性波，波向构件表面传播，会被放置在构件表面上的传感器探测到，根据不同探测位置上的应力波到达时间差可以确定变形点的位置，即混凝土构件由于受力而发生损伤的位置。用声发射法可以检测结构遭受损伤的程度。但是，该方法只能在结构变形和应力增加时才能应用，在静荷载下不能单独测量混凝土的损伤或破坏。
1.2 雷达法
雷达法是利用频率为100～1200MHz的电磁波扫描混凝土构件表面，当混凝土构件存在孔洞、裂缝、分层等缺陷时，雷达扫描波形图会发生改变，根据雷达扫描波形图，即可分析混凝土的缺陷。
1.3 红外线热谱法
红外线热谱法又称红外扫描，是通过测量和记录混凝土结构热发射来分析判断混凝土构件缺陷的方法。当混凝土中存在裂缝或不连续时，扫描仪上将显示完好和有缺陷混凝土热发射的差异。
2 影响混凝土结构耐久性的主要因素
2.1 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。
2.2 混凝土的冻融破坏
当结构处于冰点以下环境时,混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏.混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落,严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小,破坏作用越小,封闭气泡越多,抗冻性越好。影响混凝土抗冻性的因素,除了孔结构和含气量外,还包括:混凝土的饱和度,水灰比,混凝土的龄期,集料的孔隙率及其间的含水率等。
2.3 混凝土的碱-集料反应
混凝土的碱-集料反应,是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应,引起混凝土的膨胀,开裂,甚至破坏。国内外因碱-集料反应不得不拆除大坝,桥梁,海堤和学校的事件并不在少数。混凝土碱-集料反应需具备三个条件,即有相当数量的碱,相应的活性集料,水分,避免碱-集料反应的方法可采用:尽量避免采用活性集料;限制混凝土的碱含量;掺用混合材。
2.4 化学侵蚀
当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学,物理与物化变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏.常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀,一般酸性水腐蚀,碳酸腐蚀,硫酸盐腐蚀,镁盐腐蚀等几类.淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使水泥石孔隙增加,密实度降低,从而进一步造成对水泥石的破坏;当水中溶有一些酸类时,水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速;碳酸在溶淅水泥石的同时,破坏混凝土内的碱环境,降低水泥水化产物的稳定性,影响水泥石的致密度;硫酸盐SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,生成物体积膨胀开裂造成损坏。
2.5 钢筋的锈蚀
钢筋的锈蚀表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应,逐步生成氢氧化铁等即铁锈,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道,加快结构的损坏.混凝土碳化和中性化主要是由于混凝土的密实度即抗渗性不足,酸性气体渗入混凝土内与氢氧化钙作用;其二,氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用;其三,钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂;其四,钢筋的氢脆现象,即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂,钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气,当钢筋内部存在缺陷,会产生很大压力,出现鼓泡现象,使钢筋脆化。
2.6 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》（JTG D62）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。
此外，设计不周、施工质量差或使用中维修不当等也会影响耐久性能。埋在混凝土中的钢筋，由于混凝土中的高碱性，会在钢筋表面形成氧化膜，它能有效地保护钢筋。然而，大气中的二氧化碳或其他酸性气体，将使混凝土中性化而降低其碱度，这就是 混凝土的碳化 。当混凝土保护层被碳化至钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜。此外，当混凝土构件的裂缝宽度超过一定限值时，将会加速混凝土的碳化，使钢筋表面的氧化膜更易遭到破坏。钢筋表面氧化膜的破坏是使钢筋锈蚀的必要条件。这时，如果含氧水份侵人，钢筋就会锈蚀 。因此，含氧
水份侵人是钢筋锈蚀的充分条件 。钢筋锈蚀严重时，体积膨胀，导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，并使保护层剥落，从而使钢筋截面削弱，截面承载力降低，最终将使结构构件破坏或失效。
混凝土的碳化及钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最主要的综合因素 ，对此，将在下面进一步讨论。
环境中的侵蚀性介质对混凝土结构的耐久性能影响很大。如酸、碱溶液直接接触混凝土时将产生严重的腐蚀；海港及海堤混凝土结构中钢筋锈蚀严重；大气中的酸雨则大面积地影响着工程结构的耐久性。对此，应根据实际情况，采取相应的技术措施，防止或减少对混凝土结构的侵蚀。例如，从生产流程上防止有害物质散溢；采用耐酸或耐碱混凝土，或铸石贴面等。
普通大气和雨雪造成混凝土干缩循环以及冻融循环都将影响混凝土的耐久性能。对此，控制水灰比并制成密实性混凝土是行之有效的方法。
在冬季施工时往往在混凝土中掺氯化钠，如果掺量控制不严，将造成钢筋锈蚀乃至严重锈蚀。大量工程调查表明如果混凝土中含氯化钠，即使在混凝土未碳化区内仍有 10 ％钢筋发生严重锈蚀。因此必需严格禁止使用氯盐。必要时可在新拌混凝土中加人防冻剂。
在我国，部分地区存在混凝土的 碱集料反应 ，即混凝土骨料中某些活性物质与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应的现象。碱集料反应产生碱一硅酸盐凝胶，并吸水膨胀，体积可增大 3-4 倍，从而导致混凝土开裂、剥落、钢筋外露锈蚀，直至结构构件失效。控制使用含活性成分的骨料，采用低碱水泥或掺人粉煤灰降低混凝土中的碱性，可以防止碱集料反应。
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
提高混凝土结构耐久性的主要措施从上述分析可知，混凝土的外部环境，内部孔结构，原材料，密实度和抗渗性是混凝土耐久性能的重要因素．因此，工程中应根据具体情况，有针对性地采取相应措施，提高混凝土结构的耐久性。
3.1 原材料选择
水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结，硬化形成的，水泥石一旦受损，混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性，抗水性，抗腐蚀性，抗冻性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。集料的选择应考虑其碱活性，耐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密实度；掺混合材混凝土，是提高混凝土耐久性的有效措施。即近年来发展的高性能混凝土。
3.1.1 水泥
水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结硬化形成的，水泥石一旦受损，混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择应结合具体情况如工程特点、所处环境条件和施工条件等，注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小、水化热低、干缩性小、耐热性、抗水性、抗腐蚀性、抗冻性能好的水泥。
3.1.2 集料
集料的选择应考虑其碱活性、耐蚀性和吸水率应限制粘土、淤泥、粉屑、硫酸盐、硫化物、有机物及其他杂质等含量。同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性 提高混凝土密实度。
3.1.3 外加剂
集料的选择应考虑其碱活性、耐蚀性和吸水率应限制粘土、淤泥、粉屑、硫酸盐、硫化物、有机物及其他杂质等含量。同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性 提高混凝土密实度。混凝土外加剂包括减水剂、引气剂、膨胀剂、缓凝剂等。高效减水剂的使用既可以为工程施工带来方便，又可以提高硬化后混凝土的强度和密实度；使用高效引气剂以使混凝土中产生孔径小、间隔均匀闭气孔，提高混凝土的耐冻融性、对有害物质渗入的阻隔性和对有害应力的缓冲性等；而使用膨胀剂可以减少混凝土的收缩，提高混凝土的抗渗性，减少裂纹；对于大体积混凝土使用缓凝剂可以延迟水泥水化放热高峰的时间，降低混凝土的极限温升，避免混凝土出现温度裂缝等。正确和合理的使用外加剂对混凝土耐久性十分
重要。如使用不当，会酿成事故。在选择外加剂时，应根据工程需要，结合现场的材料情况，按照有关标准要求，通过试验选择外加剂品种，并确定最佳掺量。
3.1.4 矿物掺和料
使用矿物掺合料主要包括使用磨细粒化高炉矿渣、硅灰、沸石粉、粉煤灰、火山灰、磨细石灰石粉、磨细石英砂粉等。矿物掺合料加入到混凝土中后主要能够产生填充效用，形态效应，从而改菩混凝土的结构，改菩混凝土的耐久性。大量研究表明矿物掺合料能有效改善混凝土的性能，改善混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度。高掺量混凝土还能抑制碱集料反应，因而掺混合材是提高混凝土耐久性的有效措施。
3.1.5 密实抗渗剂
在混凝土中掺加无机的或有机的密实抗渗剂，可以形成某种胶体或络合物，填充、填塞毛细孔缝，从而提高混凝土的抗渗能力，提高混凝土的耐久性。常用的密实抗渗剂有绿化铁、氯化铝、三乙醇胺、有机硅等。
3.1.6 混凝土含气量
硫酸盐等化学腐蚀介质作用下的混凝土不宜单独使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，当环境作用等级为C或C级以上时,应在硅酸盐水泥中加入大掺量的矿物掺和料。对于硫酸盐环境需使用硅酸盐类的抗硫酸盐水或高抗硫酸水泥，但也需掺有矿物掺和料。在极其严重的硫酸盐腐蚀环境下则不能使用硅酸盐类水泥而应代以其他类型的水泥并需通过实验验证。硅酸盐或普通硅酸盐水泥也不能作为单独的胶凝材料用来配制暴露于PH值小于5.5的酸性环境中的混凝土，此时，必须加入较大掺量的矿物掺和料。氯盐环境下的钢筋混凝土重要工程，宜在设计中提出混凝土抗氯离子侵入性的指标，作为混凝土耐久性质量的一种控制标准。氯盐环境下的配筋混凝土应采用较大掺量矿物掺和料的低水胶比混凝土。单掺粉煤灰的掺量不宜小于25％（如有抗冻要求时，粉煤灰掺量宜以30％为限），单掺磨细矿渣的掺量不宜小于50％，且宜复合使用粉煤灰加硅灰、粉煤灰加矿渣或两种以上的矿物掺合料。同时,应严格限制混凝土各种材料（水泥、矿物掺合料、骨料、外加剂和拌和水等）中的氯离子含量，尽量降低从原材料引入混凝土中的氯离子。新拌混凝土不得超过胶凝材料重的0.06％。
3.2 控制施工质量
控制施工质量主要从混凝土结构保护层的厚度控制、混凝土结构各种孔隙的控制以及水灰比控制等几个方面进行。针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层
厚度。如一类环境(室内正常环境),设计使用年限为100年的结构混凝土应保护层厚度应按规范的规定增加40%;混凝土结构及构件宜整体浇筑,不宜留施工缝。可以通过掺加高效减水剂,在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙率大幅度降低。
3.3 结构的日常维护
结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。在使用中,应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质,并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查,在结构破坏超过一定的界限后,就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。
4 结语
混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题，破坏绝非是某一孤立原因造成的，多是与其他综合不利因素有关。要解决好这个问题需要进行多方面的工作。钢筋混凝土结构耐久性应由正确的结构设计、材料选择以及严格的施工质量来保证，同时应注意对其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样，才能保证和提高混凝土结构的耐久性，才能保证我国建筑事业的可持续发展。
参考文献
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