论混凝土结构耐久性研究
袁夏炜+谢林君
【摘 要】阐述了混凝土耐久性研究的影响因素，阐述了混凝土耐久性的研究现状。从严格控制水灰比、保证水泥用量、掺外加剂、矿渣或粉煤灰等方面，提出了提高混凝土结构耐久性的措施。指出了混凝土结构耐久性研究的发展趋势。
【关键词】混凝土结构；耐久性；现状；措施
On the durability of concrete structures
Yuan Xia-wei1,Xie Lin-jun2
(1.Shaoxing University School of Civil Engineering Shaoxing Zhejiang 312000；
2.Shaoxing Sheng Yuan Environmental Construction Co., Ltd. Shaoxing Zhejiang 312000)
【Abstract】Factors elaborated concrete durability research study describes the status of the durability of concrete. From the strict control of water-cement ratio, to ensure the amount of cement mixed with additives, slag or fly ash, etc., proposed measures to improve the durability of concrete structures. Pointed out the research trends durability of concrete structures.
【Key words】Concrete structures;Durability;Status;Measures
1. 引言
（1）混凝土结构耐久性是指钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构在规定的服务寿命期里，抵抗环境中各种因素作用并能继续维持正常使用的强度与服务性。
（2）在工程建设中，人们更多的追求的是混凝土的强度，耐久性的保证常常得不到足够的重视。因为，人们普遍认为只要保证了混凝土结构体的强度也就保证了混凝土的质量，而事实上，强度并不代表混凝土的质量。混凝土是一种用简单技术制作的非均质的复杂多相复合材料，而混凝土结构体所处的环境条件又相当复杂，所以强度的安全性并不能保证混凝土结构体的承载安全，而一旦丧失耐久性，就会危及整个结构的安全。因此，我们认为研究混凝土结构耐久性，对如何提高建筑的耐久性、准确预测结构的使用寿命有着十分重要的实际意义。
2. 混凝土结构耐久性的影响因素
2.1 内部因素。混凝土材料的自身特性、混凝土结构的设计与施工质量是决定其耐久性的内因。如混凝土的强度等级；渗透性；保护层厚度；水泥品种、强度等级；外加剂用量等等。混凝土的材料组成直接影响混凝土结构的耐久性；混凝土的外表缺陷会造成水分和侵蚀性物质渗入，与混凝土发生物理化学作用，从而影响其耐久性。
2.2 外部因素。
2.2.1 混凝土的碳化。混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化，碱性降低，钢筋的钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。
2.2.2 氯离子的侵蚀。这是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。
2.2.3 碱——骨料反应。碱——骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱-硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂，且很难加以控制。碱-骨料反应一旦开始，一般不到两年就会使结构出现开裂。
2.2.4 冻融循环破坏。冻融循环破坏是指渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。
2.2.5 钢筋腐蚀。钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋的有效截面积减少，结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快，耐久性将进一步恶化［2］。
3. 混凝土结构耐久性的研究现状
3.1 钢筋锈蚀研究。混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程。国外这方面研究得比较早，且许多成果已被国内所引用。国内主要是在国外成果的基础上，进行修正和补充研究。因此，国内的成果基本反映了当今世界的研究现状［2］。
3.2 冻融破坏研究。对于混凝土冻融破坏的研究，现已形成较为完整的基础理论。Powers等人从混凝土的亚微观入手，分析孔隙水对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压假说，前苏联学者从力学概念出发，提出了现象学观点。清华大学土木系基于静水压假说，利用损伤力学的方法，给出了预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。这一模型考虑了亚微观层次上冻融的破坏机理，并将这种破坏作用反映在混凝土的宏观力学行为上，较好地联系了亚微观和宏观两个层次，并得到了满意的计算结果［1］。
3.3 结构耐久性研究。对于钢筋混凝土结构的耐久性，国外研究得较少，国内也刚刚开始。研究结构耐久性的主要目的在于解决新建结构的耐久性设计和已建结构的耐久性评估问题；同时，对于不同耐久性等级的混凝土结构，给出不同的构造措施，在保证结构可靠、耐久的前提下，使工程造价最低。
3.4 结构构件寿命预测。目前对结构构件的寿命预测研究较多，常见的理论有碳化寿命理论、开裂寿命理论、承载力寿命理论和经济寿命理论。日本工学博士林永繁研究了由氯离子引起的钢筋锈蚀，并以钢筋表面混凝土出现裂缝作为失效准则。通过试验，得到混凝土纵向开裂的钢筋锈蚀量为Q和钢筋锈蚀速度q，并以两者的比值作为构件的寿命。清华大学赵宏延、王娴明采用抗力下降达到承载力极限和钢筋锈蚀混凝土胀裂两个准则预测混凝土结构构件的寿命，并以两者的较小值作为构件的寿命。清华大学肖从真、刘西拉以混凝土构件纵向开裂(截面损失率达5%)作为寿命的终点，引入数论模拟方法，结合方差缩减技术对构件进行了寿命预测［1］。
4. 提高混凝土结构耐久性的措施
4.1 适当加大混凝土保护层厚度。混凝土保护层为钢筋提供了一道坚实的屏障，其厚度对构件的耐久性影响极大。因此设计合理的混凝土保护层厚度对保证耐久性至关重要。混凝土保护层厚度的设计应考虑结构的类型、所处环境及有无饰面等。理论上保护层越厚，混凝土结构耐久性越好。但是，保护层取值太厚，一来不经济，二来过厚的保护层因在硬化过程中的收缩应力和温度应力得不到钢筋的足够控制而易产生裂缝。且其一旦开裂，则裂缝宽度更大，使其内部钢筋暴露表面更大，从而降低混凝土结构的耐久性。保护层太薄，不能对其内部钢筋形成足够的保护作用，从而使得构件耐久性不足，所以要根据实际情况来合理的选择混凝土保护层厚度［3］。
4.2 严格控制水灰比，保证水泥用量。严格控制水灰比，在满足坍落度的情况下，尽可能地降低水灰比，减少硬化后多余水形成的孔隙，从而有效地提高密实性、抗渗性进而提高混凝土的耐久性。从理论上讲，可通过降低水灰比，从而提高混凝土的耐久性，同时也提高了混凝土的强度，但这样做带来的问题是：一方面，不经济；另一方面，引起高水化热而导致温度裂缝，从而影响提高耐久性的效果［3］。实际上，配制高强混凝土时，采用低水灰比、高早强水泥时，温度收缩裂缝上升为主要问题，从而大大降低了混凝土的耐久性，阻碍了高强混凝土的发展。因此，片面地采用降低水灰比的办法来提高密实性及耐久性的方法是不可取的。
4.3 掺矿渣或粉煤灰。掺合料具有良好的细度和活性，其细微的颗粒可以填充混凝土中有害的大孔，其二次水化产物也可进一步填充这些有害的缺陷，可降低混凝土的孔隙率，改善孔结构。掺入矿渣水泥而生产的混凝土，还具有良好的抗碳化性能、抗有机溶液渗透、抗冻融循环和抗盐剥蚀的能力。掺粉煤灰水泥生产的混凝土，干缩性小、抗裂性好，所以混凝土拌合物具有良好的和易性，硬化后具有良好的耐久性。在工程中，还可以采用双掺，掺外加剂和粉煤灰的措施。在双掺的混凝土中，掺入减水剂可以改善混凝土的和易性，改善孔结构，提高抗渗性，掺粉煤灰后，改善了混凝土拌合物的和易性，起到减水作用，使水胶比更小，改善孔结构，减小孔隙率，使结构得到细化。
4.4 选用质量优良、粗细程度和级配良好的砂石材料。选用质量优良的砂石材料，粗细适宜、级配良好的细集料和粗集料，可以尽可能提高混凝土的密实性，减少集料总表面积和集料间孔隙率，减小水泥浆的用量，从而节约成本，提高混凝土结构的耐久性。
4.5 加强施工质量管理，提高施工技术水平。工程质量的优劣直接影响了混凝土结构的耐久性。应该加强施工质量管理水平，努力提高施工技术水平。严把材料质量关，选择使用符合质量要求的砂、石、水泥、钢筋等材料，及时调整工程中混凝土的配合比，经常检测集料的含水量，使用试验合格的外加剂。
5. 混凝土结构耐久性研究的发展趋势
针对现今混凝土耐久性的研究状况，认为以后的研究方向应从以下三方面深入研究：
5.1 继续深入材料层次上的耐久性研究。目前对混凝土碳化后其力学性能的研究和Cl-离子侵蚀后混凝土材料力学性能变化的研究还不多，这一层次的研究应该进一步深入。
5.2 结合工程建立耐久性衰减或预测的多因素模型。到目前为止，国内外对混凝土结构耐久性的研究主要还停留在试验室中针对某一具体影响因素展开的研究，而实际环境中混凝土结构却遭受着多种如冻融、碳化、钢筋锈蚀等破坏因素的影响［4］。因此，我认为应该发展结构全生命周期内的耐久性研究技术，结合实际存在的多因素影响模式，建立耐久性衰减或预测多因素模型，这应该是将来混凝土结构耐久性研究的主要方向之一。
5.3 混凝土结构耐久性检测和评估方法的研究。目前有关混凝土结构耐久性的评估都存在着效率较低、成本较高、准确率较差等不足之处，主要原因之一就是混凝土结构耐久性检测技术尚不发达，同时评估方法也不够科学。所以，在混凝土结构耐久性研究领域，研究开发新的结构耐久性检测技术尤其高效准确的无损检测技术，应作为将来的研究方向［4］。
6. 结束语
混凝土结构的破坏并非是某一孤立原因造成的，往往是与环境条件、混凝土自身特性、结构设计与施工等因素有关。通过合理的结构设计和配筋，选择最佳的保护层厚度，既可以有效地控制钢筋混凝土结构的开裂，又能最经济有效地提高混凝土结构的耐久性。
参考文献
［1］ 卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向［J］.工业建筑，1997,27(5):1~6.
［2］ 廖文.影响混凝土结构耐久性的因素及对策［J］.土工基础，2006,20(5):52~54.
［3］ 陈晓玲，刘凤翰.谈提高混凝土结构的耐久性［J］.山西建筑，2004,30(21):50~51.
［4］ 卫军，张晓玲，赵霄龙.混凝土结构耐久性的研究现状和发展方向［J］.低温建筑技术，2003,(2):1~4.
［作者简介］ 袁夏炜（1961.5-），男，籍贯：浙江嵊州，职称：副教授，研究方向：工程施工管理和教学。
【摘 要】阐述了混凝土耐久性研究的影响因素，阐述了混凝土耐久性的研究现状。从严格控制水灰比、保证水泥用量、掺外加剂、矿渣或粉煤灰等方面，提出了提高混凝土结构耐久性的措施。指出了混凝土结构耐久性研究的发展趋势。
【关键词】混凝土结构；耐久性；现状；措施
On the durability of concrete structures
Yuan Xia-wei1,Xie Lin-jun2
(1.Shaoxing University School of Civil Engineering Shaoxing Zhejiang 312000；
2.Shaoxing Sheng Yuan Environmental Construction Co., Ltd. Shaoxing Zhejiang 312000)
【Abstract】Factors elaborated concrete durability research study describes the status of the durability of concrete. From the strict control of water-cement ratio, to ensure the amount of cement mixed with additives, slag or fly ash, etc., proposed measures to improve the durability of concrete structures. Pointed out the research trends durability of concrete structures.
【Key words】Concrete structures;Durability;Status;Measures
1. 引言
（1）混凝土结构耐久性是指钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构在规定的服务寿命期里，抵抗环境中各种因素作用并能继续维持正常使用的强度与服务性。
（2）在工程建设中，人们更多的追求的是混凝土的强度，耐久性的保证常常得不到足够的重视。因为，人们普遍认为只要保证了混凝土结构体的强度也就保证了混凝土的质量，而事实上，强度并不代表混凝土的质量。混凝土是一种用简单技术制作的非均质的复杂多相复合材料，而混凝土结构体所处的环境条件又相当复杂，所以强度的安全性并不能保证混凝土结构体的承载安全，而一旦丧失耐久性，就会危及整个结构的安全。因此，我们认为研究混凝土结构耐久性，对如何提高建筑的耐久性、准确预测结构的使用寿命有着十分重要的实际意义。
2. 混凝土结构耐久性的影响因素
2.1 内部因素。混凝土材料的自身特性、混凝土结构的设计与施工质量是决定其耐久性的内因。如混凝土的强度等级；渗透性；保护层厚度；水泥品种、强度等级；外加剂用量等等。混凝土的材料组成直接影响混凝土结构的耐久性；混凝土的外表缺陷会造成水分和侵蚀性物质渗入，与混凝土发生物理化学作用，从而影响其耐久性。
2.2 外部因素。
2.2.1 混凝土的碳化。混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化，碱性降低，钢筋的钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。
2.2.2 氯离子的侵蚀。这是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。
2.2.3 碱——骨料反应。碱——骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱-硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂，且很难加以控制。碱-骨料反应一旦开始，一般不到两年就会使结构出现开裂。
2.2.4 冻融循环破坏。冻融循环破坏是指渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。
2.2.5 钢筋腐蚀。钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋的有效截面积减少，结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快，耐久性将进一步恶化［2］。
3. 混凝土结构耐久性的研究现状
3.1 钢筋锈蚀研究。混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程。国外这方面研究得比较早，且许多成果已被国内所引用。国内主要是在国外成果的基础上，进行修正和补充研究。因此，国内的成果基本反映了当今世界的研究现状［2］。
3.2 冻融破坏研究。对于混凝土冻融破坏的研究，现已形成较为完整的基础理论。Powers等人从混凝土的亚微观入手，分析孔隙水对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压假说，前苏联学者从力学概念出发，提出了现象学观点。清华大学土木系基于静水压假说，利用损伤力学的方法，给出了预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。这一模型考虑了亚微观层次上冻融的破坏机理，并将这种破坏作用反映在混凝土的宏观力学行为上，较好地联系了亚微观和宏观两个层次，并得到了满意的计算结果［1］。
3.3 结构耐久性研究。对于钢筋混凝土结构的耐久性，国外研究得较少，国内也刚刚开始。研究结构耐久性的主要目的在于解决新建结构的耐久性设计和已建结构的耐久性评估问题；同时，对于不同耐久性等级的混凝土结构，给出不同的构造措施，在保证结构可靠、耐久的前提下，使工程造价最低。
3.4 结构构件寿命预测。目前对结构构件的寿命预测研究较多，常见的理论有碳化寿命理论、开裂寿命理论、承载力寿命理论和经济寿命理论。日本工学博士林永繁研究了由氯离子引起的钢筋锈蚀，并以钢筋表面混凝土出现裂缝作为失效准则。通过试验，得到混凝土纵向开裂的钢筋锈蚀量为Q和钢筋锈蚀速度q，并以两者的比值作为构件的寿命。清华大学赵宏延、王娴明采用抗力下降达到承载力极限和钢筋锈蚀混凝土胀裂两个准则预测混凝土结构构件的寿命，并以两者的较小值作为构件的寿命。清华大学肖从真、刘西拉以混凝土构件纵向开裂(截面损失率达5%)作为寿命的终点，引入数论模拟方法，结合方差缩减技术对构件进行了寿命预测［1］。
4. 提高混凝土结构耐久性的措施
4.1 适当加大混凝土保护层厚度。混凝土保护层为钢筋提供了一道坚实的屏障，其厚度对构件的耐久性影响极大。因此设计合理的混凝土保护层厚度对保证耐久性至关重要。混凝土保护层厚度的设计应考虑结构的类型、所处环境及有无饰面等。理论上保护层越厚，混凝土结构耐久性越好。但是，保护层取值太厚，一来不经济，二来过厚的保护层因在硬化过程中的收缩应力和温度应力得不到钢筋的足够控制而易产生裂缝。且其一旦开裂，则裂缝宽度更大，使其内部钢筋暴露表面更大，从而降低混凝土结构的耐久性。保护层太薄，不能对其内部钢筋形成足够的保护作用，从而使得构件耐久性不足，所以要根据实际情况来合理的选择混凝土保护层厚度［3］。
4.2 严格控制水灰比，保证水泥用量。严格控制水灰比，在满足坍落度的情况下，尽可能地降低水灰比，减少硬化后多余水形成的孔隙，从而有效地提高密实性、抗渗性进而提高混凝土的耐久性。从理论上讲，可通过降低水灰比，从而提高混凝土的耐久性，同时也提高了混凝土的强度，但这样做带来的问题是：一方面，不经济；另一方面，引起高水化热而导致温度裂缝，从而影响提高耐久性的效果［3］。实际上，配制高强混凝土时，采用低水灰比、高早强水泥时，温度收缩裂缝上升为主要问题，从而大大降低了混凝土的耐久性，阻碍了高强混凝土的发展。因此，片面地采用降低水灰比的办法来提高密实性及耐久性的方法是不可取的。
4.3 掺矿渣或粉煤灰。掺合料具有良好的细度和活性，其细微的颗粒可以填充混凝土中有害的大孔，其二次水化产物也可进一步填充这些有害的缺陷，可降低混凝土的孔隙率，改善孔结构。掺入矿渣水泥而生产的混凝土，还具有良好的抗碳化性能、抗有机溶液渗透、抗冻融循环和抗盐剥蚀的能力。掺粉煤灰水泥生产的混凝土，干缩性小、抗裂性好，所以混凝土拌合物具有良好的和易性，硬化后具有良好的耐久性。在工程中，还可以采用双掺，掺外加剂和粉煤灰的措施。在双掺的混凝土中，掺入减水剂可以改善混凝土的和易性，改善孔结构，提高抗渗性，掺粉煤灰后，改善了混凝土拌合物的和易性，起到减水作用，使水胶比更小，改善孔结构，减小孔隙率，使结构得到细化。
4.4 选用质量优良、粗细程度和级配良好的砂石材料。选用质量优良的砂石材料，粗细适宜、级配良好的细集料和粗集料，可以尽可能提高混凝土的密实性，减少集料总表面积和集料间孔隙率，减小水泥浆的用量，从而节约成本，提高混凝土结构的耐久性。
4.5 加强施工质量管理，提高施工技术水平。工程质量的优劣直接影响了混凝土结构的耐久性。应该加强施工质量管理水平，努力提高施工技术水平。严把材料质量关，选择使用符合质量要求的砂、石、水泥、钢筋等材料，及时调整工程中混凝土的配合比，经常检测集料的含水量，使用试验合格的外加剂。
5. 混凝土结构耐久性研究的发展趋势
针对现今混凝土耐久性的研究状况，认为以后的研究方向应从以下三方面深入研究：
5.1 继续深入材料层次上的耐久性研究。目前对混凝土碳化后其力学性能的研究和Cl-离子侵蚀后混凝土材料力学性能变化的研究还不多，这一层次的研究应该进一步深入。
5.2 结合工程建立耐久性衰减或预测的多因素模型。到目前为止，国内外对混凝土结构耐久性的研究主要还停留在试验室中针对某一具体影响因素展开的研究，而实际环境中混凝土结构却遭受着多种如冻融、碳化、钢筋锈蚀等破坏因素的影响［4］。因此，我认为应该发展结构全生命周期内的耐久性研究技术，结合实际存在的多因素影响模式，建立耐久性衰减或预测多因素模型，这应该是将来混凝土结构耐久性研究的主要方向之一。
5.3 混凝土结构耐久性检测和评估方法的研究。目前有关混凝土结构耐久性的评估都存在着效率较低、成本较高、准确率较差等不足之处，主要原因之一就是混凝土结构耐久性检测技术尚不发达，同时评估方法也不够科学。所以，在混凝土结构耐久性研究领域，研究开发新的结构耐久性检测技术尤其高效准确的无损检测技术，应作为将来的研究方向［4］。
6. 结束语
混凝土结构的破坏并非是某一孤立原因造成的，往往是与环境条件、混凝土自身特性、结构设计与施工等因素有关。通过合理的结构设计和配筋，选择最佳的保护层厚度，既可以有效地控制钢筋混凝土结构的开裂，又能最经济有效地提高混凝土结构的耐久性。
参考文献
［1］ 卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向［J］.工业建筑，1997,27(5):1~6.
［2］ 廖文.影响混凝土结构耐久性的因素及对策［J］.土工基础，2006,20(5):52~54.
［3］ 陈晓玲，刘凤翰.谈提高混凝土结构的耐久性［J］.山西建筑，2004,30(21):50~51.
［4］ 卫军，张晓玲，赵霄龙.混凝土结构耐久性的研究现状和发展方向［J］.低温建筑技术，2003,(2):1~4.
［作者简介］ 袁夏炜（1961.5-），男，籍贯：浙江嵊州，职称：副教授，研究方向：工程施工管理和教学。
