【热点导读】：农村小型水利工程管理的发展 地下连续墙施工及渗漏水治理 土建结构工程的安全性与耐久性
探讨西部地区混凝土面临的耐久性问题
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摘要:针对西部地区混凝土工程面临的耐久性问题进行了探讨,分别阐述了抗冻性、抗裂性、耐腐蚀性等的影响因素及防治措施,提出在西部地区恶劣的气候条件及自然环境下,工程建设人员应充分认识到混凝土耐久性问题的严重后果并及时采取有针对性的措施。
关键词:混凝土;西部地区;耐久性;抗冻性;抗裂性
1 概述
进入21世纪以来,以混凝土为建筑材料的工程建设仍高速发展,铁路、公路、大坝和城市的运输系统大量采用混凝土材料。20世纪30年代,当混凝土结构刚开始兴建时,人们普遍认为混凝土结构物设计寿命为40年~50年,而基本不需维修,就能达到上述水平。然而,很多混凝土结构物在不到20年的时间里,就出现了不同程度的破坏。因此,对于混凝土的耐久性,必须给以极大的关注。在国家开发西部的大环境下,西部地区将修建大量高速铁路、高速公路以及其他大量基础设施。但西部大部分地区处于严寒、温差大、风沙大、日照强和干旱缺水等恶劣的气候条件,且原材料严重匮乏,质量状况差,这些不利条件对于混凝土工程的耐久性、施工性均有巨大影响。在如此恶劣的自然环境下,混凝土材料的耐久性必定面临着极大的挑战,更应给以极大的关注。
2 抗冻性
冻融循环作用是混凝土遭受破坏的主要因素之一。在有盐环境条件下,冻融循环和盐还会产生耦合作用,加速混凝土的破坏进程。抗冻性可以模拟环境水侵入的能力,也可以模拟混凝土抵抗冰晶压力的能力,因此,工程界常常把抗冻性作为混凝土耐久性的指标之一。对混凝土抗冻性有影响的因素主要有以下几方面:
1)原材料。混凝土是由水泥(胶凝材料)、水、骨料、外加剂以及掺合料等按一定的比例配制,经搅拌、捣实、硬化而成的人造石,因此原材料的好坏直接影响混凝土的质量,进而影响混凝土的抗冻性。
a.水泥品种的影响。一般认为掺有较多混合材的水泥拌制的混凝土与纯熟料水泥拌制的混凝土相比抗冻性差。
b.骨料的影响。石子和砂占整个混凝土原材料的70%~80%,所以骨料的好坏对混凝土的抗冻性有很大影响。骨料必须限制其粘土、淤泥、粉屑、有机物及其他杂质的含量,必须质地坚硬、无裂隙,特别是吸水率不能大。
c.外加剂的影响。对抗冻性影响最显着的是外加剂,而对混凝土耐久性产生根本影响的外加剂应该是引气剂。引气剂的掺入能在混凝土中引入大量均匀、稳定的微小气泡,可在凝结后的混凝土中形成大量微小的、非贯通的孔结构。当冻胀发生时,这些孔结构可以缓解冰晶应力,大大改善混凝土的抗冻融循环性能。
2)配合比参数。
a.水灰比的影响。在混凝土配合比参数中,水灰比是影响混凝土抗冻性的主要因素之一,因为混凝土的水灰比越大,毛细孔越多,密实度越差,吸水率就越大,在受冻情况下产生的冻胀压力和正温情况下产生的渗透压力就越大,混凝土的抗冻性就越差。
b.水泥用量和骨灰比的影响。骨灰比就是混凝土中砂石(骨料)和水泥用量的比率,因此,水泥用量对混凝土耐久性的影响和骨灰比对混凝土耐久性的影响从根本上说是一个问题。一般来说,水泥用量大,混凝土抗冻性会好,但情况比较复杂,不能一概而论。在西部的部分区域,年日正负温天数高达180d左右,地上混凝土结构物面临的冻融循环破坏极其严重,因此提高其抗冻融循环能力乃为重中之重。在铁路和公路混凝土施工的相关细则中,充分考虑了以上各种因素,根据不同地段、不同结构,规定了最小水泥用量及最大水灰比,限制了砂石的最大含泥量,规定了坚固性指标,进行了碱活性检测。
3 抗裂性
裂缝是外部腐蚀性介质进入混凝土内部的通道,外部介质进入混凝土内部会导致钢筋锈蚀,加速混凝土的劣化,缩短混凝土结构的使用寿命;因此,抑制或减缓混凝土开裂是一个十分重要的问题。裂缝的种类及其相应解决措施:
1)塑性收缩裂缝。由于表面水分的蒸发速率超过了泌水上升到表面的速率引起表面混凝土收缩,而内部混凝土又对表面收缩存在约束,约束力超过了混凝土的抗拉强度而出现的裂缝。这种裂缝的形态不一且深度较浅。为避免以上现象,应在低温时浇筑混凝土,使用温度较低的骨料和搅拌用水,使用风障挡风,对浇筑后的混凝土喷雾养护。
2)硬化混凝土由于温度收缩而产生的裂缝。混凝土在养护期间由于水化放热会产生温升膨胀,在混凝土水化硬化过程中,随着放热的进行,混凝土内部温度会达到一个高峰,混凝土的温升膨胀也会达到一个高峰。随后,混凝土的温度开始逐渐下降到与环境温度相当;然而,在混凝土温度下降过程中,表层温度下降速率远高于内部温度下降速率,表层混凝土会产生收缩,而内部混凝土又对其产生约束,当混凝土的抗拉强度低于约束力时,就会产生裂缝。主要的控制措施包括尽可能降低水泥用量或用低热水泥,使用缓凝组分将水化放热过程延长,采用粉煤灰或矿渣粉等掺合料等量取代部分水泥。
3)硬化混凝土由于干燥收缩而产生的裂缝。混凝土暴露在大气环境中其内部湿度会逐渐与环境湿度达到平衡,这样混凝土内部就会有部分水分蒸发,水分蒸发过程中会导致混凝土产生收缩,一旦收缩产生的应力大于混凝土的抗拉强度时就会发生开裂。减少干缩的方法主要包括:减少单方混凝土用水量,选择干缩小的水泥,选择刚度小的骨料,添加减缩性外加剂。必须注意的是,以上几种收缩并不是单一的作用,它们往往可能叠加在一起,因此危害性更大。另外,并不是所有的裂缝都能产生危害,根据美国混凝土224委员会报告“混凝土结构裂缝控制”表明,当裂缝宽度小于0.18mm时,裂缝中的侵蚀性介质扩散并不明显,对混凝土的影响不大。
4 抗碱—骨料反应性能
碱—骨料反应即骨料中具有活性的物质和混凝土中的碱性物质发生反应,生成产物吸水后体积产生膨胀,导致混凝土结构破坏。碱—骨料反应是导致混凝土耐久性下降的重要原因之一,自20世纪60年代以来,世界上已有大量结构物因碱—骨料反应而发生破坏[5]。在我国甘肃、青海和新疆等西部地区大部分骨料都具有一定的碱活性,但是考虑到工程实际,又不能不用这些骨料,所以如何控制碱—骨料反应的发生就事关重大了。提高混凝土抗碱—骨料反应的措施主要有严格控制所用水泥的碱含量,保证每立方米混凝土中的碱含量不大于3kg,用优质掺合料取代水泥,使用对碱—骨料反应有抑制作用的外加剂。
5 耐腐蚀性
在一些河流中存在着有害离子,通过水或水蒸汽进入混凝土内部,从而对混凝土产生侵蚀。引起混凝土结构破坏的有害离子主要有硫酸根离子,氯离子;其侵蚀作用主要是物理作用和化学作用两方面。物理作用破坏主要是含有有害离子的溶液或蒸汽通过混凝土中的毛细孔渗入到混凝土构件的内部;而后水分会蒸发,导致盐溶液发生过饱和现象,此时盐就会结晶析出,当盐充满孔道后再继续析出就会产生结晶应力,引起混凝土开裂。这种过程反复作用,就导致混凝土结构表面层混凝土不断剥落。化学作用破坏一般分为两种,一种是含有氯离子的溶液或蒸汽渗入混凝土构件内部,和混凝土构件中的钢筋形成阴阳电极,引起钢筋锈蚀,钢筋锈蚀后体积产生膨胀,锈蚀作用持续进行,生成的产物也会产生结晶应力,从而导致混凝土构件表层混凝土剥落。另一种化学作用是含有硫酸根离子的溶液或蒸汽渗入混凝土构件内部,硫酸根离子和水泥浆中的部分组分发生化学反应,这时的破坏可能是反应产物可能产生膨胀而导致混凝土结构的破坏,也可能是由于水泥的水化产物部分或完全分解,导致混凝土与钢筋的粘结力或其自身强度逐渐降低,最终引起混凝土结构的破坏。有效提高混凝土的耐腐蚀性主要包括使用设计合理的配合比,采用优良的施工工艺,掺加高性能外加剂等技术措施。
6 护筋性
钢筋腐蚀是一个复杂的过程,既与混凝土的外保护层厚度、密实度有关,也与混凝土中的矿物组成、内部孔溶液中的pH值、有害离子含量、混凝土中的含水量、环境和使用维护有关。科学的选用原材料与配合比,掺加品质优越的外加剂,再通过良好的拌合、浇筑、振捣和养护质量控制,从而降低混凝土的孔隙率、提高密实度、减缓碳化速度和有害离子的侵入速度。另外,混凝土表面涂层和在钢筋表面制作环氧树脂保护膜也是有效的途径。
7 结语
西部地区混凝土除面临上述耐久性问题外,还可能涉及到碳化、水渗、有害离子渗透腐蚀以及耐风蚀性能等。基础设施建设是利国利民的重大工程,作为最大宗的建筑材料———混凝土材料的耐久性问题,理应引起广泛的关注。为保证重大工程混凝土结构物的耐久性,广大建设者必须充分认识到环境条件可以造成的结构物劣化并采取有针对性的措施。
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