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摘要：文章主要分析了影响钢筋混凝土耐久性的几个主要影响因素及破坏机理,提出了解决钢筋混凝土耐久性的防治措施。
关鍵词:钢筋混凝土；耐久性；破坏机理；防治措施
一、概述
钢筋混泥土是现代建筑工程中使用的最多的建筑材料，它的质量好坏直接关系到工程的安全及经久耐用性。混凝土耐久性是指混凝土在自然环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。而影响混凝土耐久性的主要因素有：冻融作用、钢筋锈蚀、碱集料反应、硫酸盐侵蚀等。下面将对这些因素进行简要的分析。
二、钢筋混凝土冻融作用与防治
（一）混凝土冻融作用破坏机理分析
混凝土的抗冻性是混凝土受到物理作用(干湿变化、温度变化、冻融变化等) 后反映混凝土耐久性的重要指标之一。混凝土冻融作用破坏机理是混凝土在其冻融的过程中,遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化,由水转变成冰,体积膨胀9% ,因受毛细孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力;其二是当毛细孔水结成冰时,由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用,混凝土毛细孔隙中的水的冰点随着孔径的减小而降低。当胶凝孔水形成冰核的温度在-78℃以下时,由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外胶凝不断增大,形成更大膨胀压力,当混凝土受冻时,这两种压力会损伤混凝土内部微观结构,当经过反复多次的冻融循环以后,损伤逐步积累不断扩大。发展成互相连通的裂缝,使混凝土的强度逐步降低,最后甚至完全丧失。
（二）冻融作用影响因素
1．组成混凝土的主要材料性质的影响,如水泥的品种、水泥中不同矿物成分,骨料的影响；
2．外加剂的影响,在混凝土加入引气剂和减水剂对混凝土耐久性有很大的影响；
3．受水位变化影响,寒冷季节水位变化引起混凝土的严重冻融破坏；
4．施工方法的影响。
（三）混凝土冻融作用的防治措施
1．混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成分和不同性能的水泥、骨料和外加剂,从材料方面确保混凝土的耐久性；
2．严格控制混凝土配合比,一定要根据结构类型和所处的环境条件,试验确定关键参数；
3．掺入引气剂是提高混凝土抗冻性最有效的措施之一；
4．人为优化建筑物混凝土构件周围的环境条件,以减少或改善致使混凝土冻融的各种不利因素。
三、混凝土钢筋锈蚀与防治
（一）钢筋锈蚀的机理分析
在钢筋混凝土结构中,如果混凝土质量较差或保护层厚度不足,则混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,都会引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与入侵混凝土中的氧化和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋筋纵向产生裂缝,并有锈蚀渗到混凝土表面。由于锈蚀,使得钢筋有效面积减小,钢筋与混凝土握裹力消弱,导致结构的承载力下降,并将诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。
（二）混凝土钢筋锈蚀的影响因素
1．混凝土碳化的影响；
2．组成混凝土的主要材料性质的影响,如水泥的品种、水泥中不同矿物成分,骨料的影响；
3．施工工艺以及混凝土配合比选择的影响；
4．混凝土建筑物构件周围的工作环境的影响。
（三）混凝土钢筋锈蚀的防治
1．建筑物所处的地理位置、周围环境,选择合适的水泥品种及抗酸性骨料,对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或严寒地区选用抗硫酸盐水泥;冲刷部位宜选用高强度的水泥；
2．要有足够的保护层厚度避免混凝土受到炭化；;
3．严格控制混凝土的水灰比,选用优质高效外加剂和掺加超细掺合料以保证混凝土的密实性；
4．提高施工工艺,严格控制施工质量,采取科学的搅拌和运输、加强振捣、及时养护等各项严格的工艺手段,以减少渗流水量和其他有害物的侵蚀,以确保混凝土的密实性；
5．阴极保护是防止钢筋锈蚀的十分有效的措施,对已经锈蚀的工程也十分有效。
四、混凝土碱集料反应与防治
（一）混凝土碱集料反应的机理分析
混凝土中的碱集料反应有碱- 硅酸反应和碱- 碳酸盐反应两种形式。碱- 硅酸反应是混凝土粗集料中含有非晶质的活性二氧化硅(SiO2) ,水泥中存在的碱性氧化(Na2O, K2O) 或可以由其他途径得到的碱(碱含量大于0.6%) ,在潮湿的环境中水泥浆中的碱性氧化物水解后生成的氢氧化纳、氢氧化钾与集料中的活性二氧化硅反应,在集料表面生成碱- 硅酸凝胶体,这种凝胶体物质遇水膨胀后引起混凝土破坏；碱- 碳酸盐反应是水泥中的碱与粗集料中的白云石之间在水的作用下反应,体积膨胀,使混凝土开裂。
（二）混凝土碱集料反应的影响因素
1．组成混凝土的主要材料性质的影响,如集料的碱活性；
2．含碱量的影响,如水泥的含碱量大或由其他途径得到的碱；
3．潮湿的外部环境影响。
（三）混凝土碱集料反应的防治
1．选择没有碱活性的集料或碱活性小的集料；
2．采用低碱水泥,为了减少碱集料反应应尽量使用含碱量不大于0.6%的低碱水泥；
3．加入火山灰类材料,在混凝土中掺入某些水硬性材料,如粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物混合材料,既可节省部分水泥又可有效的抑制碱集料反应；
4．为混凝土创造相对干燥的外部环境。
五、混凝土硫酸盐侵蚀与防治
（一）混凝土硫酸盐侵蚀的机理分析
混凝土硫酸盐侵蚀破坏的实质是环境水中SO42 - 进入混凝土内部,与水泥石中的某些固相组分发生化学反应而产生体积膨胀,形成膨胀内应力,当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时就会导致混凝土的破坏。硫酸盐侵蚀属于结晶性侵蚀,根据结晶产物和破坏型式的不同,一般把硫酸盐侵蚀分为以下两种类型:
1．钙矾石结晶型:环境水中的SO42 - 通过毛细孔进入混凝土内部与水泥石中的氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙(钙矾石) ,其反应方程式:
3CaO•Al2O3 •12H2+3Na2SO4+3Ca(OH)2+19H2O→3CaO•Al2O3•3CaSO4•3H2O+6NaOH
水化硫铝酸钙是溶解度极小的盐类矿物,呈针状结晶,在原始含铝固相表面呈刺猬状析出,从而在水泥石内部引起很大的内应力。钙矾石结晶侵蚀的试件表面特征是出现了少数几条较粗大的裂缝；
2．石膏结晶型:许多研究学者发现,当侵蚀溶液SO42- 的浓度大于1000mg/L时,而且水泥石的毛细孔为饱和石灰溶液所填充,此时不仅会有钙矾矾石生成,而且还会有石膏结晶析出,其反应方程式为:
Ca(OH)2+Na2SO4→CaSO4+2NaOH
CaSO4+ 2H2O→CaSO4•2H2O
在水泥石内部形成的二水石膏体积增大1.24倍,使水泥石因为内应力过大而破坏。石膏结晶侵蚀只起从属作用,只有在SO42-的浓度非常高时,石膏结晶侵蚀才起到主导作用。
（二）混凝土硫盐侵蚀的影响因素
1．环境水中的SO42-的浓度及其它离子的浓度；
2．水泥石中的水化铝酸钙和氢氧化钙的含量；
3．水泥石中的强度及其孔隙特征；
4．混凝土的工作条件,如水力冲刷、干湿交替和冻融循环等。
（三）混凝土硫酸盐侵蚀的防治
1．使用抗硫酸盐水泥或C3A 含量低的水泥,同时改善C3S的含量；
2．配制采用低水胶比、低用水量,掺加优质高效减水剂和大掺量的超细掺合料,以耐久性作为设计主要指标的高性能混凝土；
3．提高施工工艺,严格控制施工质量；；
4．改善混凝土的养护制度,在混凝土结构物的表面喷涂养护剂或保护层。
六、结语
经济的快速发展，钢筋混泥土使用的越来越广泛，随着日月的积累，钢筋混泥土结构耐久性的问题也日益突出，有必要引起从业人员的注意，应从设计上进一步明确使用年限，并推广使用新技术、新成果来改善、提高混凝土的耐久性，延长混凝土工程的使用寿命。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关鍵词:钢筋混凝土；耐久性；破坏机理；防治措施
一、概述
钢筋混泥土是现代建筑工程中使用的最多的建筑材料，它的质量好坏直接关系到工程的安全及经久耐用性。混凝土耐久性是指混凝土在自然环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。而影响混凝土耐久性的主要因素有：冻融作用、钢筋锈蚀、碱集料反应、硫酸盐侵蚀等。下面将对这些因素进行简要的分析。
二、钢筋混凝土冻融作用与防治
（一）混凝土冻融作用破坏机理分析
混凝土的抗冻性是混凝土受到物理作用(干湿变化、温度变化、冻融变化等) 后反映混凝土耐久性的重要指标之一。混凝土冻融作用破坏机理是混凝土在其冻融的过程中,遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化,由水转变成冰,体积膨胀9% ,因受毛细孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力;其二是当毛细孔水结成冰时,由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用,混凝土毛细孔隙中的水的冰点随着孔径的减小而降低。当胶凝孔水形成冰核的温度在-78℃以下时,由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外胶凝不断增大,形成更大膨胀压力,当混凝土受冻时,这两种压力会损伤混凝土内部微观结构,当经过反复多次的冻融循环以后,损伤逐步积累不断扩大。发展成互相连通的裂缝,使混凝土的强度逐步降低,最后甚至完全丧失。
（二）冻融作用影响因素
1．组成混凝土的主要材料性质的影响,如水泥的品种、水泥中不同矿物成分,骨料的影响；
2．外加剂的影响,在混凝土加入引气剂和减水剂对混凝土耐久性有很大的影响；
3．受水位变化影响,寒冷季节水位变化引起混凝土的严重冻融破坏；
4．施工方法的影响。
（三）混凝土冻融作用的防治措施
1．混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成分和不同性能的水泥、骨料和外加剂,从材料方面确保混凝土的耐久性；
2．严格控制混凝土配合比,一定要根据结构类型和所处的环境条件,试验确定关键参数；
3．掺入引气剂是提高混凝土抗冻性最有效的措施之一；
4．人为优化建筑物混凝土构件周围的环境条件,以减少或改善致使混凝土冻融的各种不利因素。
三、混凝土钢筋锈蚀与防治
（一）钢筋锈蚀的机理分析
在钢筋混凝土结构中,如果混凝土质量较差或保护层厚度不足,则混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,都会引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与入侵混凝土中的氧化和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋筋纵向产生裂缝,并有锈蚀渗到混凝土表面。由于锈蚀,使得钢筋有效面积减小,钢筋与混凝土握裹力消弱,导致结构的承载力下降,并将诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。
（二）混凝土钢筋锈蚀的影响因素
1．混凝土碳化的影响；
2．组成混凝土的主要材料性质的影响,如水泥的品种、水泥中不同矿物成分,骨料的影响；
3．施工工艺以及混凝土配合比选择的影响；
4．混凝土建筑物构件周围的工作环境的影响。
（三）混凝土钢筋锈蚀的防治
1．建筑物所处的地理位置、周围环境,选择合适的水泥品种及抗酸性骨料,对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或严寒地区选用抗硫酸盐水泥;冲刷部位宜选用高强度的水泥；
2．要有足够的保护层厚度避免混凝土受到炭化；;
3．严格控制混凝土的水灰比,选用优质高效外加剂和掺加超细掺合料以保证混凝土的密实性；
4．提高施工工艺,严格控制施工质量,采取科学的搅拌和运输、加强振捣、及时养护等各项严格的工艺手段,以减少渗流水量和其他有害物的侵蚀,以确保混凝土的密实性；
5．阴极保护是防止钢筋锈蚀的十分有效的措施,对已经锈蚀的工程也十分有效。
四、混凝土碱集料反应与防治
（一）混凝土碱集料反应的机理分析
混凝土中的碱集料反应有碱- 硅酸反应和碱- 碳酸盐反应两种形式。碱- 硅酸反应是混凝土粗集料中含有非晶质的活性二氧化硅(SiO2) ,水泥中存在的碱性氧化(Na2O, K2O) 或可以由其他途径得到的碱(碱含量大于0.6%) ,在潮湿的环境中水泥浆中的碱性氧化物水解后生成的氢氧化纳、氢氧化钾与集料中的活性二氧化硅反应,在集料表面生成碱- 硅酸凝胶体,这种凝胶体物质遇水膨胀后引起混凝土破坏；碱- 碳酸盐反应是水泥中的碱与粗集料中的白云石之间在水的作用下反应,体积膨胀,使混凝土开裂。
（二）混凝土碱集料反应的影响因素
1．组成混凝土的主要材料性质的影响,如集料的碱活性；
2．含碱量的影响,如水泥的含碱量大或由其他途径得到的碱；
3．潮湿的外部环境影响。
（三）混凝土碱集料反应的防治
1．选择没有碱活性的集料或碱活性小的集料；
2．采用低碱水泥,为了减少碱集料反应应尽量使用含碱量不大于0.6%的低碱水泥；
3．加入火山灰类材料,在混凝土中掺入某些水硬性材料,如粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物混合材料,既可节省部分水泥又可有效的抑制碱集料反应；
4．为混凝土创造相对干燥的外部环境。
五、混凝土硫酸盐侵蚀与防治
（一）混凝土硫酸盐侵蚀的机理分析
混凝土硫酸盐侵蚀破坏的实质是环境水中SO42 - 进入混凝土内部,与水泥石中的某些固相组分发生化学反应而产生体积膨胀,形成膨胀内应力,当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时就会导致混凝土的破坏。硫酸盐侵蚀属于结晶性侵蚀,根据结晶产物和破坏型式的不同,一般把硫酸盐侵蚀分为以下两种类型:
1．钙矾石结晶型:环境水中的SO42 - 通过毛细孔进入混凝土内部与水泥石中的氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙(钙矾石) ,其反应方程式:
3CaO•Al2O3 •12H2+3Na2SO4+3Ca(OH)2+19H2O→3CaO•Al2O3•3CaSO4•3H2O+6NaOH
水化硫铝酸钙是溶解度极小的盐类矿物,呈针状结晶,在原始含铝固相表面呈刺猬状析出,从而在水泥石内部引起很大的内应力。钙矾石结晶侵蚀的试件表面特征是出现了少数几条较粗大的裂缝；
2．石膏结晶型:许多研究学者发现,当侵蚀溶液SO42- 的浓度大于1000mg/L时,而且水泥石的毛细孔为饱和石灰溶液所填充,此时不仅会有钙矾矾石生成,而且还会有石膏结晶析出,其反应方程式为:
Ca(OH)2+Na2SO4→CaSO4+2NaOH
CaSO4+ 2H2O→CaSO4•2H2O
在水泥石内部形成的二水石膏体积增大1.24倍,使水泥石因为内应力过大而破坏。石膏结晶侵蚀只起从属作用,只有在SO42-的浓度非常高时,石膏结晶侵蚀才起到主导作用。
（二）混凝土硫盐侵蚀的影响因素
1．环境水中的SO42-的浓度及其它离子的浓度；
2．水泥石中的水化铝酸钙和氢氧化钙的含量；
3．水泥石中的强度及其孔隙特征；
4．混凝土的工作条件,如水力冲刷、干湿交替和冻融循环等。
（三）混凝土硫酸盐侵蚀的防治
1．使用抗硫酸盐水泥或C3A 含量低的水泥,同时改善C3S的含量；
2．配制采用低水胶比、低用水量,掺加优质高效减水剂和大掺量的超细掺合料,以耐久性作为设计主要指标的高性能混凝土；
3．提高施工工艺,严格控制施工质量；；
4．改善混凝土的养护制度,在混凝土结构物的表面喷涂养护剂或保护层。
六、结语
经济的快速发展，钢筋混泥土使用的越来越广泛，随着日月的积累，钢筋混泥土结构耐久性的问题也日益突出，有必要引起从业人员的注意，应从设计上进一步明确使用年限，并推广使用新技术、新成果来改善、提高混凝土的耐久性，延长混凝土工程的使用寿命。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。