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[摘要] 混凝土的钢筋腐蚀、碳化、侵蚀性介质腐蚀、冻融破坏、碱一骨料反应是破坏其耐久性的主要因素，该文通过对破坏机理的分析，提出了确保和提高混凝土耐久性的措施。
[关键词] 混凝土耐久性 破坏机理 防治措施
随着海峡西岸经济区的建设和铁路“十一·五”规划的实施，福建省铁路建设掀起了高潮，在建多条铁路都是按时速200 km或者200 km以上的高标准进行设计，混凝土作为建设工程中使用最为广泛的建筑材料，其主体结构使用年限都是按100年进行设计。铁路混凝土耐久性问题已倍受关注，混凝土的高耐久性和高寿命首先是保证结构的安全性和可靠性，从另一角度来看，也是节约有限资源和能源，减少环境污染的有效途径，因此，加强对混凝土耐久性问题的认识和研究，从安全、经济、节能环保等方面考量都有其重大意义。本文通过对混凝土耐久性破坏机理的分析，提出确保和提高混凝土耐久性的措施。
1 混凝土耐久性的破坏机理
铁路混凝土耐久性是指在预定作用和预期的维护与使用条件下，混凝土结构及其部件能在预定的期限内维持其所需最低性能要求的能力，除了社会因素、人为因素外，技术方面影响混凝土耐久性的因素一般包括混凝土钢筋腐蚀、炭化、侵蚀性介质腐蚀、冻融破坏、碱.骨料反应等。
1.1 钢筋腐蚀
通常混凝土内部呈现的是强碱性环境(pH＞13)，在钢筋表面会形成一层厚度约为(30～60)×10-10m的致密金属氧化物和金属氢氧化物晶体薄膜，即为钢筋钝化膜，保护钢筋免遭锈蚀，当碱度下降时，钢筋钝化膜受到破坏，即“去钝”，钢筋处于活化状态并开始锈蚀。混凝土中的钢筋锈蚀实际上是一个电化学腐蚀过程，在氧气和水的共同作用下，钢筋表面的铁不断失去电子而锈蚀，产生Fe(OH)3；锈蚀物，锈蚀物体积膨胀，使周围受到一个横向压力，当该压力超过构件极限抗拉强度时即发生开裂，使氧气和水分更易渗入扩散，加速钢筋锈蚀，新的锈体再膨胀，再加大裂缝，如此恶性循环加速了构件的破坏。
1.2 碳化
所谓碳化，就是大气中的CO2渗入混凝土内，与具有碱性的物质Ca(OH)2产生化学反应，具体如下：
CO2+H2O=H2CO3 (1)
Ca(OH)2+H2CO3=CaCO3+2H2O (2)
3CaO·SiO2·3H2O+3H2CO3=CaCO2+SiO2+6H2O (3)
由上可知，混凝土的碳化是同时在气相、液相和固相中进行的一个复杂的化学反应过程。这些反应对混凝土耐久性是有害的，首先会降低混凝土的碱度，当降低至pH＜10时，钢筋表面钝化膜将受到破坏，产生“去钝”，造成钢筋的锈蚀；此外，混凝土的碳化会加剧混凝土的收缩，也会导致混凝土的开裂和结构的破坏，对钢筋混凝土结构的耐久性产生较大破坏。
1.3 侵蚀性介质腐蚀
在酸、碱性溶液作用下的环境，侵蚀性介质将对混凝土产生腐蚀，主要是由氯盐产生的“盐害”。氯离子是一种高效的活化剂，在较低的浓度下(混凝土重量的0.014％～0.022％)，可以有效地破坏钢筋表面的钝化膜引起混凝土内钢筋锈蚀。同时氯离子的存在还有利于混凝土内部保持湿润并减少混凝土的电阻率，这些都有助于混凝土内钢筋锈蚀速度的提高，有资料表明，氯离子导致的钢筋锈蚀速率往往要高于碳化所引起的钢筋锈蚀速率。
1.4 冻融破坏
混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体混合物质，配制时因考虑施工操作的需要，用水量一般高于水泥水化作用实际所需的含水量，游离于混凝土中的多余水分随混凝土硬化逐渐蒸发，出现空隙，形成毛细管通道；此外，水泥水化后也会形成胶凝孔。毛细孔的自由水是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为当毛细孔处于饱水时，遇冷冻结冰发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏；另外，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，使得胶凝孔中的水向毛细孔中的冰界面渗透，于是产生一种渗透压力，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，当两种压力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会开裂，经反复冻融后，混凝土的裂缝相互贯通，遭受由表及里的破坏，强度也会逐渐降低，甚至完全丧失。
1.5 混凝土碱一骨料反应
混凝土碱.骨料反应是指混凝土骨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，生成碱.硅酸凝胶并吸水产生膨胀压力，致使混凝土开裂。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，骨料中活性材料主要是SiO2、硅酸盐、碳酸盐等。
2 确保和提高混凝土耐久性的若干措施
针对影响混凝土耐久性的因素，为确保和提高混凝土耐久性，采取的措施多种多样，归纳起来主要有：
2.1 提高混凝土的密实性
如前分析，导致混凝土劣化和破坏均是混凝土内有充足的水分和有害物质的侵入。因此要提高混凝土耐久性，须降低混凝土的孔隙率，提高密实性避免出现裂缝，从而能够抵抗水分和侵蚀性介质的渗入。可采取的措施有：
2.1.1 降低水胶比。混凝土配合比设计是确保其耐久性的关键环节之一，在条件许可的情况下，应尽量选用较低的水胶比，减少单方用水量和胶凝材料用量。实践表明，降低水胶比能提高混凝土密实度，其抵抗水分、气体及氯离子等扩散的能力要比传统的高1～2个数量级，极大地延缓了碳化和氯离子的侵蚀过程，而且氧气、水分供应受阻，钢筋锈蚀的速度亦得以阻滞，有利提高混凝土的耐久性。此外，降低水胶比也是发挥矿物掺和料对混凝土强度贡献的重要条件。
但过少的胶凝材料用量对混凝土的强度、耐久性和工作性能不利，因此胶凝材料用量应有最小限值。
2.1.2 使用矿物掺合料。主要措施包括：使用硅灰以提高混凝土的强度；使用粉煤灰和磨细矿渣降低水泥用量，提高混凝土的后期强度；减少水化热，并使二次水化产物堵塞混凝土中的孔隙以提高抗渗性，同时可减缓混凝土中的碱.骨料反应。此外，石粉、锻烧高岭土、磨细珍珠岩尾砂粉等其它矿物掺合料也具有提高混凝土耐久性的作用。
但是矿物掺合料在提高混凝土性能的同时，也会带来某些负作用，如降低早期强度、需水量增大、收缩增大等。因此应根据具体的工程实际，科学掺用。
2.1.3 掺用外加剂。外加剂主要通过提高混凝土密实度和 改善毛细孔结构提高混凝土的抗渗性。减水剂、缓凝剂可以有效地改善混凝土的工作性能，有利于混凝土的均匀性和密实性，减少质量缺陷，提高混凝土抗渗性。引气剂可在混凝土中产生适量的细微封闭球形孔，从而切断毛细孔渗水的通路，达到提高抗渗性的效果。另外，球形孔可以成为冰、水迁移的“蓄水池”，缓冲结冰引起的静水压和渗透压，大大提高抗冻融能力。大量实践表明，适量引气剂能抑制碱.骨料反应，减少膨胀破坏。
外加剂的掺用应注意外加剂的成分、掺用量、匹配及与水泥的相容性等。如在钢筋混凝土中应严格控制氯离子的引入，以免对钢筋防锈蚀不利。
2.2 优质的粗、细骨料
为保证混凝土的耐久性能，应合理选用性能优良、质量稳定的粗、细骨料。细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净的天然河砂，不宜使用山砂，不得使用海砂。粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石，不宜采用砂石，耐久性混凝土应采用二级或三级级配粗骨料；粗骨料应分级采购、分级运输、分级维放、分级计量。
2.3 施工方面
混凝土施工前，应根据设计和施工工艺要求提前开展配合比选择试验(应提前2～3个月)，并针对混凝土结构的特点和环境条件，制定施工全过程的质量控制与质量保证措施。同时，必须严格验收钢筋保护层厚度，确保其符合设计要求。
施工中应振捣密实，控制混凝土的入模和拆模温度，加强混凝土养护，保证混凝土施工质量。
2.4 使用方面
(1)构件的使用环境条件对构件的使用寿命有很大的影响，因此，不能任意改变原构件的适用条件，结构的安全度不考虑使用不合理所造成的不利影响；(2)应及时封闭初始裂缝，细微裂缝可以涂料，也可用环氧树脂封闭，阻止和延缓钢筋锈蚀的发展，减缓因钢筋锈蚀导致的混凝土构件的破坏。(3)在混凝土表面增设覆盖材料，如喷涂聚合物乳液改性砂浆，延缓混凝土的碳化速度。
3 结语
混凝土耐久性问题是一个复杂的系统工程。它涉及结构设计、配合比设计、材料、施工、以及使用维护等多方面、多学科。只有各方面共同努力，才能解决这一工程领域中的重大课题。但合理的构造、合理的混凝土配合比、优质的原材料、可靠的施工过程质量控制以及定期养护、检测与维修是确保混凝土结构耐久性的有效措施。
[关键词] 混凝土耐久性 破坏机理 防治措施
随着海峡西岸经济区的建设和铁路“十一·五”规划的实施，福建省铁路建设掀起了高潮，在建多条铁路都是按时速200 km或者200 km以上的高标准进行设计，混凝土作为建设工程中使用最为广泛的建筑材料，其主体结构使用年限都是按100年进行设计。铁路混凝土耐久性问题已倍受关注，混凝土的高耐久性和高寿命首先是保证结构的安全性和可靠性，从另一角度来看，也是节约有限资源和能源，减少环境污染的有效途径，因此，加强对混凝土耐久性问题的认识和研究，从安全、经济、节能环保等方面考量都有其重大意义。本文通过对混凝土耐久性破坏机理的分析，提出确保和提高混凝土耐久性的措施。
1 混凝土耐久性的破坏机理
铁路混凝土耐久性是指在预定作用和预期的维护与使用条件下，混凝土结构及其部件能在预定的期限内维持其所需最低性能要求的能力，除了社会因素、人为因素外，技术方面影响混凝土耐久性的因素一般包括混凝土钢筋腐蚀、炭化、侵蚀性介质腐蚀、冻融破坏、碱.骨料反应等。
1.1 钢筋腐蚀
通常混凝土内部呈现的是强碱性环境(pH＞13)，在钢筋表面会形成一层厚度约为(30～60)×10-10m的致密金属氧化物和金属氢氧化物晶体薄膜，即为钢筋钝化膜，保护钢筋免遭锈蚀，当碱度下降时，钢筋钝化膜受到破坏，即“去钝”，钢筋处于活化状态并开始锈蚀。混凝土中的钢筋锈蚀实际上是一个电化学腐蚀过程，在氧气和水的共同作用下，钢筋表面的铁不断失去电子而锈蚀，产生Fe(OH)3；锈蚀物，锈蚀物体积膨胀，使周围受到一个横向压力，当该压力超过构件极限抗拉强度时即发生开裂，使氧气和水分更易渗入扩散，加速钢筋锈蚀，新的锈体再膨胀，再加大裂缝，如此恶性循环加速了构件的破坏。
1.2 碳化
所谓碳化，就是大气中的CO2渗入混凝土内，与具有碱性的物质Ca(OH)2产生化学反应，具体如下：
CO2+H2O=H2CO3 (1)
Ca(OH)2+H2CO3=CaCO3+2H2O (2)
3CaO·SiO2·3H2O+3H2CO3=CaCO2+SiO2+6H2O (3)
由上可知，混凝土的碳化是同时在气相、液相和固相中进行的一个复杂的化学反应过程。这些反应对混凝土耐久性是有害的，首先会降低混凝土的碱度，当降低至pH＜10时，钢筋表面钝化膜将受到破坏，产生“去钝”，造成钢筋的锈蚀；此外，混凝土的碳化会加剧混凝土的收缩，也会导致混凝土的开裂和结构的破坏，对钢筋混凝土结构的耐久性产生较大破坏。
1.3 侵蚀性介质腐蚀
在酸、碱性溶液作用下的环境，侵蚀性介质将对混凝土产生腐蚀，主要是由氯盐产生的“盐害”。氯离子是一种高效的活化剂，在较低的浓度下(混凝土重量的0.014％～0.022％)，可以有效地破坏钢筋表面的钝化膜引起混凝土内钢筋锈蚀。同时氯离子的存在还有利于混凝土内部保持湿润并减少混凝土的电阻率，这些都有助于混凝土内钢筋锈蚀速度的提高，有资料表明，氯离子导致的钢筋锈蚀速率往往要高于碳化所引起的钢筋锈蚀速率。
1.4 冻融破坏
混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体混合物质，配制时因考虑施工操作的需要，用水量一般高于水泥水化作用实际所需的含水量，游离于混凝土中的多余水分随混凝土硬化逐渐蒸发，出现空隙，形成毛细管通道；此外，水泥水化后也会形成胶凝孔。毛细孔的自由水是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为当毛细孔处于饱水时，遇冷冻结冰发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏；另外，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，使得胶凝孔中的水向毛细孔中的冰界面渗透，于是产生一种渗透压力，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，当两种压力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会开裂，经反复冻融后，混凝土的裂缝相互贯通，遭受由表及里的破坏，强度也会逐渐降低，甚至完全丧失。
1.5 混凝土碱一骨料反应
混凝土碱.骨料反应是指混凝土骨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，生成碱.硅酸凝胶并吸水产生膨胀压力，致使混凝土开裂。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，骨料中活性材料主要是SiO2、硅酸盐、碳酸盐等。
2 确保和提高混凝土耐久性的若干措施
针对影响混凝土耐久性的因素，为确保和提高混凝土耐久性，采取的措施多种多样，归纳起来主要有：
2.1 提高混凝土的密实性
如前分析，导致混凝土劣化和破坏均是混凝土内有充足的水分和有害物质的侵入。因此要提高混凝土耐久性，须降低混凝土的孔隙率，提高密实性避免出现裂缝，从而能够抵抗水分和侵蚀性介质的渗入。可采取的措施有：
2.1.1 降低水胶比。混凝土配合比设计是确保其耐久性的关键环节之一，在条件许可的情况下，应尽量选用较低的水胶比，减少单方用水量和胶凝材料用量。实践表明，降低水胶比能提高混凝土密实度，其抵抗水分、气体及氯离子等扩散的能力要比传统的高1～2个数量级，极大地延缓了碳化和氯离子的侵蚀过程，而且氧气、水分供应受阻，钢筋锈蚀的速度亦得以阻滞，有利提高混凝土的耐久性。此外，降低水胶比也是发挥矿物掺和料对混凝土强度贡献的重要条件。
但过少的胶凝材料用量对混凝土的强度、耐久性和工作性能不利，因此胶凝材料用量应有最小限值。
2.1.2 使用矿物掺合料。主要措施包括：使用硅灰以提高混凝土的强度；使用粉煤灰和磨细矿渣降低水泥用量，提高混凝土的后期强度；减少水化热，并使二次水化产物堵塞混凝土中的孔隙以提高抗渗性，同时可减缓混凝土中的碱.骨料反应。此外，石粉、锻烧高岭土、磨细珍珠岩尾砂粉等其它矿物掺合料也具有提高混凝土耐久性的作用。
但是矿物掺合料在提高混凝土性能的同时，也会带来某些负作用，如降低早期强度、需水量增大、收缩增大等。因此应根据具体的工程实际，科学掺用。
2.1.3 掺用外加剂。外加剂主要通过提高混凝土密实度和 改善毛细孔结构提高混凝土的抗渗性。减水剂、缓凝剂可以有效地改善混凝土的工作性能，有利于混凝土的均匀性和密实性，减少质量缺陷，提高混凝土抗渗性。引气剂可在混凝土中产生适量的细微封闭球形孔，从而切断毛细孔渗水的通路，达到提高抗渗性的效果。另外，球形孔可以成为冰、水迁移的“蓄水池”，缓冲结冰引起的静水压和渗透压，大大提高抗冻融能力。大量实践表明，适量引气剂能抑制碱.骨料反应，减少膨胀破坏。
外加剂的掺用应注意外加剂的成分、掺用量、匹配及与水泥的相容性等。如在钢筋混凝土中应严格控制氯离子的引入，以免对钢筋防锈蚀不利。
2.2 优质的粗、细骨料
为保证混凝土的耐久性能，应合理选用性能优良、质量稳定的粗、细骨料。细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净的天然河砂，不宜使用山砂，不得使用海砂。粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石，不宜采用砂石，耐久性混凝土应采用二级或三级级配粗骨料；粗骨料应分级采购、分级运输、分级维放、分级计量。
2.3 施工方面
混凝土施工前，应根据设计和施工工艺要求提前开展配合比选择试验(应提前2～3个月)，并针对混凝土结构的特点和环境条件，制定施工全过程的质量控制与质量保证措施。同时，必须严格验收钢筋保护层厚度，确保其符合设计要求。
施工中应振捣密实，控制混凝土的入模和拆模温度，加强混凝土养护，保证混凝土施工质量。
2.4 使用方面
(1)构件的使用环境条件对构件的使用寿命有很大的影响，因此，不能任意改变原构件的适用条件，结构的安全度不考虑使用不合理所造成的不利影响；(2)应及时封闭初始裂缝，细微裂缝可以涂料，也可用环氧树脂封闭，阻止和延缓钢筋锈蚀的发展，减缓因钢筋锈蚀导致的混凝土构件的破坏。(3)在混凝土表面增设覆盖材料，如喷涂聚合物乳液改性砂浆，延缓混凝土的碳化速度。
3 结语
混凝土耐久性问题是一个复杂的系统工程。它涉及结构设计、配合比设计、材料、施工、以及使用维护等多方面、多学科。只有各方面共同努力，才能解决这一工程领域中的重大课题。但合理的构造、合理的混凝土配合比、优质的原材料、可靠的施工过程质量控制以及定期养护、检测与维修是确保混凝土结构耐久性的有效措施。