钢筋混凝土结构耐久性问题综合分析

广东建材２００５年第９期

“耐久性”是混凝土结构应具有的一项基本功能。混凝土结构因耐久性不足而未能达到设计使用年限就提前损坏，势必会造成重大经济损失和严重社会影响。经调查，我国已经使用３０～４０年的大量工业建筑，尤其露天工业建筑，几乎都进行了加固大修，甚至拆除重建；港口码头建筑一般只能使用不足２０年就因钢筋锈蚀严重而加固大修。在海边盐渍地上建设的房屋、厂房、地下建筑，甚至包括混凝土电线杆，使用不足１０年就严重破损或断裂。

大量研究结果表明，钢筋混凝土结构破坏（失效）除自然灾害或意外事故外，其耐久性降低主要源于以下几个方面或其复合作用：钢筋腐蚀、混凝土碳化、冻融循环、碱－骨料反应、机械磨损、温湿度变化、腐蚀性化学品（硫化物、氯化物）等。笔者认为，钢筋混凝土结构耐久性降低的实质是其组成材料在使用过程中经受（抵抗）各种破坏因素的作用（破坏力）而未能保持其功能。结构耐久性性能降低都必然会体现在结构的基本材料即钢筋和混凝土上。本文试着从材料自身的角度出

发，分析影响钢筋混凝土结构耐久性的因素。

１钢筋

⑴钢筋锈蚀。一般情况下，混凝土中的高碱性溶液（ＰＨ值一般在１２．５～１３．５之间）可以使钢筋表面形成一层惰性的水化氧化铁薄膜，该惰性薄膜可以阻止钢筋的锈蚀。当该保护层完整时，腐蚀就不会发生。通常，钢筋表面氧化铁薄膜的破坏主要有两个原因：一是因混凝土碳化，使钢筋混凝土结构保护层的ＰＨ值降低，进而破坏氧化铁薄膜；二是氯离子与氧离子的作用而破坏氧化铁薄膜。氧化铁薄膜破坏后，铁原子与水和氧气发生化学反应生成铁锈，包括Ｆｅ（ＯＨ）

３

、Ｆｅ（ＯＨ）

２

、Ｆｅ

３

Ｏ

４

?Ｈ

２

Ｏ、Ｆｅ

２

Ｏ

３等，造成钢筋的锈蚀。

⑵预应力钢筋的应力腐蚀。应力腐蚀是指金属和合金在腐蚀介质和拉应力的同时作用下引起的金属破裂。这种裂缝不仅可以沿着晶界发展，而且也可穿过晶粒。由于裂缝向金属内部发展，使金属结构的机械强度大大降低，严重时能使金属设备突然损坏。出现应力腐蚀的条件如下：存在一定的拉应力；金属本身对应力腐蚀具

钢筋混凝土结构耐久性问题综合分析

车龙兰罗嗣海（核工部东华理工学院３４４０００）

孟少平（南京东南大学３３００２９）

摘要：材料的耐久性是指材料与环境相互作用过程中的行为特征及其在时间上的反映，其耐久

性必定会体现在结构的耐久性能上。本文从材料自身角度出发综合分析了钢筋混凝土结构耐久性降

低的原因，并介绍了相应的防护措施。

关键词：材料钢筋混凝土耐久性

应该指出，当前有关耐久性的研究中，混凝土材料学和工程结构学常常是脱离的，对同一个问题的习惯思路往往有很大区别，甚至有时连定义都不相同。材料专家对材料劣化在结构上造成的后果常常难以分析，而工程结构专家不熟悉如何在材料上下工夫改善结构的耐久性。

混凝土施工是运用混凝土材料实现设计意图的中间环节，同时也是混凝土材料生产过程的最终环节。因此，施工既是结构设计得到充分体现的必要保证，也是混凝土材料使用性能得以正常发挥的重要保证。由此看来，从事施工管理的工程师不仅要熟悉结构设计，也要十分熟悉混凝土材料，才能做好管理工作。

目前，许多学者呼吁，混凝土技术的发展，需要既懂结构又懂材料的新型高级技术人才。混凝土科研人员必然要从事密切结合重大工程项目的研究，这些项目的完成又必须与设计和施工人员合作。值得指出的是，我国“九五”期间，重大科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”所取得的科技成果及经济效益，就是我国水泥混凝土材料方面的科研人员，通过跨行业的联合攻关而作出的贡献。材料学与工程学共同倡导的“混凝土安全性专家系统的研究”已在全国兴起。２１世纪的混凝土工程不仅要符合可持续性发展，而且需要安全性和耐久性。●

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水泥与混凝土

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广东建材２００５年第９期

有敏感性；存在能引起该金属发生应力腐蚀的介质，这

种介质主要有ＮａＯＨ溶液、硝酸盐溶液、含Ｈ

２

Ｓ和ＨＣｌ溶

液、沸腾浓ＭｇＣｌ

２

溶液、海水、海洋大气和工业大气等。应该注意的是当预应力钢丝发生锈蚀时，并不像非预应力混凝土结构中钢筋锈蚀会在表面产生锈斑，引起混凝土保护层的剥落、层裂等外在现象，而极有可能在无任何预兆的情况下导致结构的突然破坏，更加剧了危险，因此加强预应力混凝土结构的耐久性研究就显得极为重要。

⑶氢脆。钢筋在腐蚀过程中，表面可能有少量的氢原子产生，通常情况下，氢原子会结合成氢分子，在常温下是无害的，但这一过程受阻时，氢原子会向钢筋内部扩散而被吸收到金属晶格中，如钢筋内部有缺陷存在，氢原子会在空穴重新结合成氢分子，产生很大的压力，出现“鼓泡”现象，使钢筋变脆。在超过临界拉力作用下，会发生断裂，这就是氢脆现象。硫化氢是引起氢脆的介质之一。

２混凝土

⑴混凝土的碳化。混凝土是以水泥砂浆为基体，以骨料为加劲材料的复合材料，水泥砂浆体的主要成份ＣＨＳ凝胶是一种结晶不完整的蜂窝形或错综复杂的网状结构，骨料与水泥砂浆间有微孔隙、微裂纹，因而混凝土材料具有一定的渗透性。空气中的二氧化碳扩散到混凝土中与水作用生成碳酸，碳酸与水泥水化过程中产生的氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙反应生成碳酸钙，在自由水的作用下碳酸钙沉淀在混凝土内部的孔穴中，这就是混凝土碳化。混凝土碳化的结果使混凝土的ｐＨ值降低，如果碱损失发生在钢筋附近，当混凝土的ＰＨ值小于１１．５时，就能引起钢筋表面惰性氧化铁薄膜的破坏，在空气中的水和氧的作用下，还可以引起平行于钢筋的裂纹和混凝土的崩裂。碳化有初始期和传播期，在初始期二氧化碳渗透进入混凝土保护层，最终导致钢筋表面惰性薄膜的破坏，在传播期钢筋锈蚀导致混凝土保护层开裂或崩裂。混凝土的碳化程度与水灰比有关，随水灰比的增加而碳化速度加快，随空气温度和空气中二氧化碳的增加，混凝土的碳化速度加快。混凝土的碳化速度随养护时间的增加而减小。增加单位混凝土中水泥的用量，会提高混凝土的密实度和抗渗透性，可以减小混凝土的碳化速度。增加保护层的厚度，使混凝土碳化到达钢筋表面的时间增加，也有利于混凝土结构抗碳化的能力。

⑵冻融循环。混凝土是多孔隙的复合材料，外部的水份可以通过毛细作用进入这些孔隙。当温度降至冰点以下时，孔隙中的水冻结膨胀，其体积大约可增加９％，只有当至少有９１．７％的孔隙充满水时，水里结冰才产生内应力。孔隙体积膨胀，孔壁受压变形，冰融化后，就可能使孔壁产生拉应力，反复冻融，当作用于孔壁的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，即可以产生微裂缝，持续冻融的结果使混凝土开裂，甚至崩裂。混凝土的密实性不好，则其抗渗性能就差，可导致更多的水份进入混凝土内部，加快混凝土结构的冻融破坏。因而降低混凝土的水灰比，提高单位混凝土中水泥的用量，对混凝土结构抗冻融破坏都是有利的。此外，应避免采用吸水率较高的集料，加强排水以免混凝土结构水过分饱和。

⑶碱－骨料反应。碱－骨料反应是指混凝土中的氢氧根离子与骨料中的活性二氧化硅之间的反应，混凝土中的碱离子主要是由水泥引入的，当集料中含有二氧化硅时，在有水的条件下，碱离子与二氧化硅反应生成一种含碱金属的硅凝胶（具有强烈的吸水膨胀能力），其形成和成长常常造成混凝土内部的膨胀，这种膨胀所产生的内部应力，使混凝土内部形成微裂缝，甚至造成混凝土的严重开裂。碱集料反应需要有三个条件：活性集料；混凝土碱的含量达到一定程度；有水或潮湿的环境。为了避免碱集料反应，混凝土应采用非活性集料，采用低碱水泥或控制混凝土中其他组份碱的引入，掺入混合料，如粉煤灰和硅灰，以降低混凝土中碱的含量。

３结语

为了提高钢筋混凝土结构的耐久性，应该从材料自身特点出发，尽可能地避免上述情况的发生。例如，为防止钢筋的腐蚀，主要采取以下措施：阻锈剂；阴极保护；防渗涂层；环氧涂层钢筋；非金属筋；采用低渗透性的高性能混凝土技术等。对于防止混凝土碳化，主要采用防碳化涂层和采用高性能混凝土来实现杜绝空气中二氧化碳的侵入。对于混凝土的防冻融循环破坏，最有效的是采用引气混凝土技术。即通过在混凝土拌和时加入引气剂，产生适量的微小气泡来提高混凝土的抗冻标号。对于混凝土的碱—骨料反应破坏，主要通过以下几个途径来实现：不采用有碱活性的骨料；采用低碱活性骨料时，掺加适量矿物掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等；加入化学外加剂。要想提高钢筋混凝土的耐久性，巧妙的材料设计和结构设计是十分重要和必要的，同时也应该对及时到位的维修养护给予充分的重视。●

水泥与混凝土

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