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影响混凝土耐久性问题的主要因素及其破坏机理是什么?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-09-28

一般混凝土工程的使用年限为50~100年,但实际中有不少工程在使用10~20年,有的甚至在使用几年后即需要维修,这就是由于混凝土耐久性低造成的。影响混凝土耐久性的原因错综复杂,除社会因素、人为因素以外,技术方面的因素主要有以下几点:

一、混凝土的碳化

混凝土碳化又称为混凝土的中性化,几乎所有混凝土均有碳化现象。即空气中的水分和二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用,使其成分、组织和性能发生变化,并导致机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏作用,主要危害是因混凝土碱性降低致使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜) 遭到破坏、丧失;同时,碳化加剧混凝土的收缩,可能导致混凝土的开裂和结构破坏。所以说,混凝土的碳化与混凝土结构的耐久性密切相关。

二、混凝土的冻融

混凝土是由水泥砂浆和粗集料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时,为了得到必要的和易性,加入的拌合用水总要多于水泥水化所需的水,这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土内部连通的毛细孔中;另外,在混凝土中还存在一些水泥水化后形成的胶凝孔。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素,因水遇冷结冰会发生体积膨胀,引起混凝土内部结构的破坏。当混凝土处于饱水状态时,毛细孔中的水结冰,胶凝孔中的水处于过冷状态,这样使得胶凝孔中的水向毛细孔处渗透,于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。由此可见,处于饱水状态的混凝土受冻时,其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就会开裂。在反复冻融循环后,混凝土中的裂缝会互相贯通,其强度也会逐渐减低,最后甚至完全丧失,使混凝土由表及里遭受破坏。

三、氯离子的侵蚀性腐蚀

在冬季,为保证公路交通的畅通,道路养护人员向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水,以化雪和放冰,这使得盐中的Cl-进入混凝土结构的内部。Cl-侵入混凝土腐蚀钢筋的机理,主要表现为,一是破坏钝化膜,因为Cl-进入混凝土到达钢筋表面,吸附于局部钝化膜处时,使该处呈酸性,从而破坏了钢筋表面的钝化膜;二是形成腐蚀电池,腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑,且蚀坑发展十分迅速;三是去极化作用,氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池,而且加速了电池的作用,即凡是进入混凝土中的Cl-会周而复始地起到破坏作用,这也是Cl-危害的特点之一。

四、混凝土碱-集料反应

混凝土碱-集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。活性材料主要是SiO和硅酸盐、碳酸盐等,碱主要来源于水泥熟料、外加剂。

依据参与反应的岩石种类与反应机理不同,可把混凝土碱集料反应分为三种:碱-硅反应、碱-碳酸盐反应和碱-硅酸盐反应,其中碱硅反应最为常见。碱-集料反应产生的碱硅酸盐等凝胶体遇水膨胀,在混凝土内部产生较大的膨胀应力,从而引起混凝土开裂。混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后,会加速空气、水、二氧化碳等侵入,引起混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快,而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积,又会使裂缝扩大。若在寒冷地区,混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速,这样就造成了混凝土工程的综合性破坏。

五、钢筋的锈蚀

在外界作用下,混凝土材料的耐久性能会发生衰退,逐渐降低对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况时,钢筋失去了碱性混凝土的保护,钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失,而且材料的各项性能(抗拉强度、伸长率等) 发生衰退,从而影响构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀也是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接的因素。

混凝土中钢筋的锈蚀一般是电化学腐蚀。电化反应的必要条件是钢筋表面呈活化状态,且同时存在水和Cl。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素,Cl侵入也可使钢筋表面钝化膜迅速破坏。

根据钢筋锈蚀区的分布情况,可将钢筋锈蚀分为两类,其一是裂缝处锈蚀。构件混凝土表面可能由于荷载作用产生结构性裂缝,或因干缩、湿度应力、碳化、碱集料反应等产生非结构性裂缝。当环境中的水、氧、Cl沿裂缝侵入时,造成裂缝处的钢筋产生锈蚀;其二是普遍锈蚀。当混凝土碳化至钢筋表面时,一旦存在水、氧、Cl等条件时,首先在裂缝处出现钢筋抗蚀,进而发展为钢筋横向的环状锈蚀,最终沿钢筋纵向扩展为片状锈蚀。成片的锈蚀因其体积膨胀导致混凝土沿钢筋布置方向发生混凝土保护层裂缝。

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