混凝土结构耐久性浅谈（模板）

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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题 目：混凝土结构耐久性浅谈

学习中心：福建中国海峡人才市场奥鹏学习中心[24] 层 次： 专科起点本科 专 业： 土木工程 年 级： 2008年秋季 学 号： 111166303128 学 生： 李勇平 指导教师： 赵丽妍 完成日期： 2013年8月6日

混凝土耐久性浅谈

内容摘要

混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。影响结构耐久性的因素很多，砼质量及其保护层是内在因素；环境与载荷作用则是外在因素，不同的原因会造成不同的后果。首先讨论了混凝土耐久性的概念，接着分析了混凝土冻融破坏、渗透破坏、碱骨料反应、碳化、钢筋锈蚀、侵蚀性腐蚀的原因及影响因素，及提高混凝土耐久性的措施，最后进行总结展望。

关键词：混凝土； 混凝土耐久性； 混凝土冻融； 混凝土材料

I

混凝土耐久性浅谈

目 录

内容摘要 ........................................................................................................................... I 引 言 ............................................................................................................................ 1 1 绪 论 ...................................................................................................................... 2

1.1 混凝土耐久性问题的提出 ............................................................................. 2 1.2 混凝土耐久性的概念 ..................................................................................... 2 2 混凝土耐久性问题的分析 ........................................................................................ 4

2.1 混凝土冻融破坏 ............................................................................................. 4

2.1.1 破坏原因 .............................................................................................. 4 2.1.2 影响因素 .............................................................................................. 5 2.2 混凝土渗透破坏 ............................................................................................. 5

2.2.1 破坏原因 .............................................................................................. 6 2.2.2 影响因素 .............................................................................................. 6 2.3 碱骨料反应 ..................................................................................................... 7

2.3.1 破坏原因 .............................................................................................. 7 2.3.2 影响因素 .............................................................................................. 7 2.4 混凝土的碳化 ................................................................................................. 9

2.4.1 破坏原因 .............................................................................................. 9 2.4.2 影响因素 ............................................................................................ 10 2.5

钢筋锈蚀 ................................................................................................... 10 2.5.1 破坏原因 ............................................................................................ 10 2.5.2 影响因素 ............................................................................................ 11 2.6 侵蚀性介质的腐蚀 ....................................................................................... 12

2.6.1 产生原因 ............................................................................................ 12 2.6.2 影响因素 ............................................................................................ 12

3 提高混凝土耐久性的措施 ...................................................................................... 13

3.1 混凝土材料 ................................................................................................... 14

3.1.1 水泥 .................................................................................................... 14 3.1.2 粗骨料 ................................................................................................ 14

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3.1.3 细骨料 ................................................................................................ 14 3.1.4 矿物掺合料 ........................................................................................ 15 3.1.5 专用复合外剂 .................................................................................... 15 3.1.6 拌合和养护用水 ................................................................................ 15 3.2 结构设计 ....................................................................................................... 15

3.2.1 混凝土配合比 .................................................................................... 15 3.2.2 混凝土保护层 .................................................................................... 16 3.2.3 节点构造设计 .................................................................................... 16 3.3 工程施工 ....................................................................................................... 16

3.3.1 混凝土的拌制 .................................................................................... 16 3.3.2 混凝土的输送 .................................................................................... 17 3.3.3 混凝土浇筑 ........................................................................................ 17 3.3.4 混凝土振捣 ........................................................................................ 17 3.3.5 混凝土养护 ........................................................................................ 18 3.3.6 混凝土的拆模 .................................................................................... 18

4 结论与展望 .............................................................................................................. 19 参考文献 ........................................................................................................................ 20

III

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引 言

长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料，人们一直

以为其耐久性能非常强，直到20世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后20-30年，甚至在更短的时期内就出现劣化。

我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达20000亿元人民币以上。而建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25-30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15-20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50 年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30-40年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。所需的维修费或比重建费用更为巨大。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有“大修”20 年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。

因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。而如何提高混凝土耐久性则成为关键中的关键。

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1 绪 论

1.1 混凝土耐久性问题的提出

一般混凝土建筑物的使用寿命要求在50年以上，很多国家对桥梁、水电站大坝、海底隧道、海上采油平台、核反应堆等重要结构的混凝土耐久性要求在100年以上。气候条件适中的陆上建筑物，应要求混凝土在200年内安全使用。我国GB 50010——2002《混凝土结构设计规范》规定，混凝土的耐久性设计应按照环境类别和设计使用年限进行，分为50年和100年2个耐久性预期目标，对于重大、重要工程应按照100年寿命来设计混凝土。近几年来，我国已有不少工程的混凝土设计寿命达到100年，这些工程大都结合环境条件和特点，采取专门有效的措施，以充分保证混凝土工程的耐久性设计要求。比较著名的百年工程有三峡大坝、东海大桥、南京地铁1号线、崇明越江通道北港桥梁、重庆朝天门大桥空心桥墩、杭州湾大桥等。

但是近几十年以来，混凝土构筑物因材质劣化造成失效以至破坏崩塌的事故在国内外也是屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。

国际上混凝土的大量使用始于20世纪30年代，到五六十年代达到高峰。许多发达国家每年用于建筑维修的费用都超过新建的费用。

过去，除了大型水利工程外，我国混凝土工程的耐久性问题长期不受重视，混凝土结构没有达到预期的使用寿命，受环境作用过早破坏的实例很多，由此造成的经济损失也很大。由于许多工程设计只满足荷载要求，而没有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土构筑物存在耐久性隐患。我国在50年代兴建的水电站大坝有很多已经成为“病坝”，我国的混凝土工程量在改革开放30多年来突飞猛进，可以预见，耐久性不佳的混凝土工程的劣化问题将会日趋严重。因此，混凝土耐久性问题越来越受到人们的重视。

1.2 混凝土耐久性的概念

混凝土结构的耐久性是指混凝土结构在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在规定的期限内保持其适用性和安全性的能力。

混凝土耐久性主要包括以下几方面：一是抗渗性。即指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时控制混凝

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土受热或受冷时水的移动。二是抗冻性。混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次抵抗冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。三是抗侵蚀性。混凝土暴露在有化学物质的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏。一般的化学侵蚀有水泥浆体组分的浸出、硫酸盐侵蚀、氯化物侵蚀、碳化等。四是碱集料反应。某些含有活性组分的骨料与水泥水化析出的KOH和NaOH 相互作用，对混凝土产生破坏性膨胀，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。

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2 混凝土耐久性问题的分析

混凝土耐久性问题，是指结构在所使用的环境下，由于内部原因或外部原因引起结构的长期演变，最终使混凝土丧失使用能力。即所为的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，有抗冻失效，碱-集料反应失效，化学腐蚀失效，钢筋锈蚀造成结构破坏等。下面作具体分析。

2.1 混凝土冻融破坏

混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，都发生过不同程度的冻融破坏。 2.1.1 破坏原因

对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者T．C．Powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的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的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而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。

另外凝胶不断增大，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，只有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。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

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2.1.2 影响因素

混凝土冻融破坏的影响因素是多方面的。

（1）是组成混凝土的主要材料性质的影响，如；水泥的品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大，又如骨料的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用，由于湿度和强度的变化，会产生含针状物岩石体积的变化，这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面，同时骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响。

（2）是外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，大大降低冻胀应力，提高混凝土的抗冻性。

（3）是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。此外混凝土的表面、边角和工作缝部位处于最不利的工作条件，所以混凝土模板种类、性质和表面加工情况以及工作缝的处理对混凝土的耐久性也有很大的影响。

（4）是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止。

（5）是严格控制施工质量，混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，因此必须把好质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。

2.2 混凝土渗透破坏

在混凝土中，渗透性是一个综合指标。渗透破坏是指气体、液体或者离子受压力、化学势或者电场的作用，在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度而对混凝土造成的破坏。混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的抗渗性。例如，混凝土发生硫酸盐腐蚀的必要条件是有水及腐蚀离子进入混凝土内部；发生碱骨料反应需要有水分的参与；钢筋发生锈蚀破坏，需要有离子去破坏钢筋钝化膜或者二氧化碳气体破坏混凝土的高碱性环境，以及有水分和氧气的参与；碳化反应需要有二氧化碳和水分的参与等。如果混凝土抗渗性高，水分及有害离子渗透不到混凝土内部，就不致造成

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混凝土的损伤破坏。因此，混凝土要获得高性能长寿命，必须具有高的抗渗性。 2.2.1 破坏原因

混凝土表面及内部的毛细孔，导致渗流通道相互连接并且增加混凝土的渗透性，渗透性的增加使得更多的水和有害化学成分渗入混凝土中，引起混凝土性能的进一步劣化、开裂。最终将导致混凝土结构的毁灭性破坏。 2.2.2 影响因素

水灰比和水泥用量是影响混凝土抗渗透性能的最主要指标。水灰比越大，多余水分蒸发后留下的毛细孔道就多，亦即孔隙率大，又多为连通孔隙，故混凝土抗渗性能越差。特别是当水灰比大于0.6时，抗渗性能急剧下降。因此，为了保证混凝土的耐久性，对水灰比必须加以限制。如某些工程从强度计算出发可以选用较大水灰比，但为了保证耐久性又必须选用较小水灰比，此时只能提高强度、服从耐久性要求。为保证混凝土耐久性，水泥用量的多少 ，在某种程度上可由水灰比表示。因为混凝土达到一定流动性的用水量基本一定，水泥用量少，亦即水灰比大。

骨料含泥量和量高，则总表面积增大，混凝土达到同样流动性所需用水量增加，毛细孔道增多；同时含泥量大的骨料界面粘结强度低，也将降低混凝土的抗渗性能。骨料级配差则骨料空隙率大填满空隙所需水泥浆增大，同样导致毛细孔增加，影响抗渗性能。如水泥浆不能完全填满骨料空隙，则抗渗性能更差。

施工质量和养护条件，搅拌均匀、振捣密实是混凝土抗渗性能的重要保证。适当的养护温度和湿度是保证混凝土抗渗性能的基本措施。如果振捣不密实留下蜂窝、空洞，抗渗性就严重下降，如果温度过低产生冻害或温度过高产生温度裂缝，抗渗性能严重降低。如果浇水养护不足，混凝土产生干缩裂缝，也严重降低混凝土抗渗性能。因此，要保证混凝土良好的抗渗性能，施工养护是一个极其重要的环节。

此外，水泥的品种、混凝土拌合物的保水性和粘聚性等，对混凝土抗渗性能也有显著影响。提高混凝土抗渗性的措施，除了对上述相关因素加以严格控制和合理选择外，可通过掺入引气剂或引气减水剂提高抗渗性。其主要作用机理是引入微细闭气孔、阻断连通毛细孔道，同时降低用水量或水灰比。对长期处于潮湿

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和严寒环境中混凝土的含气量应分别不小于4.5%（Dmax=40mm）、5.5%（Dmax=25mm）、5.0%（Dmax=20mm）。

2.3 碱骨料反应

混凝土的碱-集料反应，是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，甚至破坏。改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全使用性，而其反应一旦发生很难阻止，更不易修补和挽救，被称为混凝土的“癌症”。是混凝土工程中的一大隐患．许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝，桥梁，海堤和学校，造成巨大损失，国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道，一些立交桥，铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏。 2.3.1 破坏原因

混凝土中的碱与具有碱活性的骨料间发生的膨胀性反应，引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，碱骨料反应分为碱硅酸反应、碱碳酸盐反应、碱硅酸盐反应三种。具体的反应机理为：

碱-硅酸反应：骨料中的活性二氧化硅与碱发生的膨胀反应。骨料表面的活性二氧化硅在碱溶液中的溶解、化学反应生成硅酸盐凝胶、反应生成物的体积膨胀、进一步反应形成液态溶胶等。

碱-碳酸盐反应：黏土质白云石质石灰石与水泥中的碱发生的反应。 碱-硅酸盐反应：碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。 2.3.2 影响因素

由混凝土碱骨料反应作用机理可知：混凝土碱骨料反应，其实质是发生在活性骨料与混凝土孔隙高碱性溶液之间的一种内部膨胀性反应，包括硅醇基的形成， 分散状态碱-硅凝胶形成与集聚，反应生成物吸水体积膨胀，混凝土开裂等过程。在这个反应过程中，其内在因素是体积膨胀性物质的生成。体积膨胀性物质的生成不仅取决于混凝土中含碱量，骨料活性的大小，还与混凝土的水灰比，外部环境条件，矿物掺合料的掺量等因素有关。

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(1)混凝土中含碱量 在混凝土孔隙溶液中，只有处于游离态的钾钠离子才能与骨料中的活性成分发生碱骨料反应，在水化产物 C-S-H凝胶的层状结构中存在 Si-OH基团，游离态的K+ , Na+可通过中和Si-OH基团而被结合在 C-S-H相的层间，生成碱-硅凝胶。当使用活性骨料时，碱骨料反应程度，反应速度随碱含量的增大而增大。混凝土中含碱量较低时，虽可以发生碱骨料反应，但生成的碱-硅凝胶数量少，呈分散状态，膨胀率极低，不足以引起混凝土结构开裂。

(2)骨料的活性 骨料的活性是指骨料的活性成分与水泥中的碱发生化学反应，导致混凝土膨胀开裂性质。骨料中的活性成分主要是含有活性氧化硅的矿物， 如蛋白石，玉髓，磷石英，微晶石英等。活性氧化硅的特点是所有的硅氧四面体呈任意网状结构，内表面积很大，碱离子较易将其中起联结作用的硅氧键破坏使其解体，胶溶成硅胶或生成碱-硅凝胶。

骨料的活性与骨料中活性氧化硅的含量，粒径大小等因素有关。在一定含碱量下，随着骨料中活性氧化硅含量的变化，混凝土碱骨料反应膨胀具有增大和减少两个过程，这是由于碱量一定的条件下，在低氧化硅含量范围内，氧化硅数量愈大，膨胀量也愈大；但在氧化硅含量较高时，活性颗粒越多，单位面积上所能作用的有效碱相应减少，降低了骨料表面的作用量和反应量，因而生成的碱-硅凝胶量也相应减少，膨胀率变小。与此同时，由于氢氧化钙的迁移率极低，在增加了活性骨料总表面积的情况下，提高了骨料界面处氢氧化钙的局部浓度比，形成一种非膨胀的碱性硅酸钙产物。

骨料的粒径大小对混凝土碱骨料反应也有较大影响。研究表明：料径过大或过小都可使碱骨料反应膨胀量减小，而中间粒径（0.15~0.3mm）引起的膨胀量最大，开裂也最严重。这是因为骨料粒径较小时，碱骨料反应所产生的膨胀应力能够较均匀分布在混凝土中，不一定产生开裂。当骨料粒径增大时，碱骨料反应所产生膨胀应力主要集中在骨料周围，局部应力超过基体相的抗拉极限，导致混凝土开裂。

(3)水灰比 水灰比较低的条件下，随水灰比增大，混凝土内部孔隙率也越大，碱在水溶液中的迁移速度增大，因此会加快碱骨料反应速度，膨胀量增大；在水灰比较高的条件下，随水灰比增大，由于孔隙率增大，碱骨料反应产生的膨胀作用相应减小，膨胀量反而降低。

(4)外部环境条件 水在碱骨料反应过程中有3个作用：

① 水是碱离子化的基础。碱元素在水中很容易形成碱离子，与骨料中活性成

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分反应，形成碱-硅凝胶。

②水是输送碱的载体。水泥石中的碱溶解在水中后形成碱金属离子，这些碱金属离子在水溶液中能够迅速地扩散到活性骨料的表面，与之发生反应。

③水是碱骨料反应膨胀的源泉。碱骨料反应所生成的碱硅凝胶具有极强的吸水性，而且吸水后体积膨胀。由此可知：碱骨料反应必须在有水的情况下才能进行。相关试验表明：越是潮湿多水的环境条件下，碱骨料反应速度越快，膨胀量增大，对混凝土结构损害程度越大。当混凝土结构处于干燥环境或环境相对湿度低于混凝土内部相对湿度，且混凝土内部相对湿度低于80%时，碱骨料反应会停止膨胀，当混凝土内部相对湿度低于75%时，碱骨料反应无法进行。环境温度对碱骨料反应也有一定程度的影响。对每一种活性骨料都有一个温度限值，在该温度限值以下，随环境温度的升高，膨胀量增大；当环境温度超过该温度限值时，膨胀量明显减小。这是因为高温下碱骨料反应速度加快，在混凝土未凝结之前即已完成膨胀，且塑性状态的混凝土仍能吸收一定的膨胀压力。

(5)矿物掺合料 在混凝土中掺入部分矿物掺合料不仅改善混凝土孔隙结构，降低渗透性，还可取代部分水泥，起到“碱稀释剂”的作用，抑制碱骨料反应的发生。试验证明：硅矿物掺合料的硅含量越高，细度越大，抑制作用越好。

2.4 混凝土的碳化

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca(OH)2+CO2=CaCO3＋H2O。 2.4.1 破坏原因

(1)是碳化作用使混凝土的收缩增大，导致混凝土表面产生拉应力，从而降低混凝土的抗拉强度和抗折强度，严重时直接导致混凝土开裂。由于开裂降低了混凝土的抗渗性能，使得腐蚀介质更易进入混凝土内部，加速碳化作用，降低耐久性。

(2)是碳化作用使混凝土的碱度降低，失去混凝土强碱环境对钢筋的保护作用，导致钢筋锈蚀膨胀，严重时，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，直至剥落，进一步加速碳化和腐蚀，严重影响钢筋混凝土结构的力学性能和耐久性能。

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(3)碳化作用生成的CaCO3能填充混凝土中的孔隙，使密实度提高；另一方面，碳化作用释放出的水分有利于促进未水化水泥颗粒的进一步水化。

因此，碳化作用能适当提高混凝土的抗压强度，但对混凝土结构工程而言，碳化作用造成的危害远远大于抗压强度的提高。 2.4.2 影响因素

(1)是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同。 (2)与周围介质中CO2的浓度高低及湿度大小有关，在干燥和饱和水的条件下，碳化反应几乎终止，是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因。

(3)在渗透水经过的混凝土时，石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ca(OH)2溶解度的物质，如水中含有Na2SO4及少量Mg2+时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ca(HCO3)2的Mg(HCO3)2对抵抗溶出侵蚀则十分有利。因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层。

(4)混凝土的渗透系数、透水量、混凝土的过度振捣、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系。

2.5 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的关键问题。钢筋的锈蚀表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等即铁锈，造成混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。 2.5.1 破坏原因

在混凝土结构中钢筋锈蚀可以分为自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀。一般混凝土结构中产生的钢筋腐蚀通常为自然电化学腐蚀。自然电化学腐蚀当钢筋在强碱性环境中（pH值为12.5~13.2），表面会生成一层致密的薄膜呈钝化状态保护钢筋免受腐蚀。通常周围混凝土对钢筋的这种碱性保护作用在很长时间内也都是有效的。然而一旦钝化膜遭到破坏，钢筋就处于活化状态，就有受到腐蚀的可能性。

使钢筋的钝化膜破坏的主要因素有四点：

(1) 当无其它有害杂质时由于碳化作用破坏钢筋钝化膜； (2) 由C1-作用破坏钢筋钝化膜；

(3)由于S42- 或其它酸性介质侵蚀而使混凝土碱度降低钝化膜破坏；

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(4)混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥，导致钝化膜破坏或根本不

生成钝化膜。

钢筋生锈的内部条件是钝化膜遭到破坏，产生活化点；钢筋锈蚀的外部条件是必须有水及氧的作用。当这几个条件同时存在时，则构件内部存在电位差，可以产生局部腐蚀电池，钢筋就会产生锈蚀。

2.5.2 影响因素

（1）钢筋锈蚀电位 钢筋锈蚀是一个电化学过程，钢筋锈蚀的自然电位是把钢筋/混凝土看成一个半电池。是钢筋/混凝土与参考电极之间的电位差。反映了钢筋锈蚀的状态和活性。

（2）氯离子含量 混凝土中氯离子含量对钢筋锈蚀的影响较大，当混凝土中含有氯离子达到0.6~1.2kg/m3时，可诱发或加速钢筋锈蚀。氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而把加速阳极极化作用称作去极化作用，氯离子正是发挥了阳极去极化作用。混凝土中氯离子的存在强化了离子道路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。

（3）混凝土碳化深度 一般来说pH＜10时，钢筋的锈蚀速度很小，当pH＜4时，则锈蚀速度急骤增加。混凝土硬化中，1/3水泥将生成氢氧化钙ＣaOH2。在混凝土电阻率是控制混凝土中钢筋锈蚀率的因或以结晶体的形式存在，或者在其孔隙中以饱和水溶液素形式存在，pＨ＞12.5，呈高碱性。大气中的二氧化碳时刻向混凝土的内部扩散，混凝土中的氢氧化钙发生反应，成碳酸盐或者其他物质，pＨ值降低到8.5左右。碳化前，混凝土pH＞12.5，高碱性，使钢筋表面产生钝化膜，保护钢筋；碳化中，二氧化碳、水汽、碱性物质产生中和反应；碳化后，混凝土pH＜9，低碱性或酸性，钝化膜被破坏，钢筋锈蚀。

（4）混凝土保护层厚度 混凝土保护层为钢筋提供了良好的保护，必要的保护层厚度能够推迟环境中的水汽、有害离子等扩散到钢筋表面的时间以及混凝土碳化使钢筋失去碱性保护的时间，因此，混凝土保护层厚度是影响钢筋锈蚀的重要因素。

（5）混凝土电阻率 混凝土电阻率是控制混凝土中钢筋锈蚀率的因素之一，它反映了混凝土的导电性能，而钢筋在混凝土中的锈蚀基本上都属于电化学腐蚀，混凝土在钢筋的腐蚀起到传递电子的作用，因此混凝土电阻率小，混凝土导电能

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力越强，钢筋锈蚀发展速度越快。

（6）混凝土的密实性 混凝土的密实性越好，内部微细孔隙和毛细管通道越小，能有效地阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等的渗入，从而加强钢筋的防腐能力，因此，混凝土的密实性也是钢筋锈蚀的影响因素，而水灰比、振捣、级配、养护对混凝土的密实性影响很大。

2.6 侵蚀性介质的腐蚀

侵蚀性介质腐蚀是指对混凝土的强度和抗渗能力有影响的介质在防水混凝土的养护和使用过程中进行腐蚀。如地下水中所含的酸、碱、盐等。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀，一般酸性水腐蚀，碳酸腐蚀，硫酸盐腐蚀，镁盐腐蚀等几类。 2.6.1 产生原因

混凝土所产处的硫酸盐侵蚀环境主要是通过影响硫酸盐反应的发生条件或者是说机理来影响混凝土退化速度的，由于地下水和土壤中硫酸根离子不同、温度不同、pH 值不同，若水位有变动混凝土还会处于干湿循环状态等等，使实际工程中混凝土受硫酸盐侵蚀破坏的形态也不尽相同。归纳一下，主要表现为以下几种形式：

(1) 当硫酸盐溶液中的阳离子为可溶性的离子(如Na、K) 时，硫酸盐与C3A 反应生成钙矾石，由于钙矾石能产生膨胀，而混凝土的抗拉强度又很低，所以混凝土很容易在膨胀压力下开裂。

(2) 当溶液中存在Mg2+时，硫酸盐与氢氧化钙反应生成石膏，并且能将C-S-H置换成M-S-H，使混凝土只能产生微小的膨胀，而更多的是表现为使混凝土强度、刚度和粘结力的降低。

(3) 低温潮湿或者有碳酸盐存在的条件下生成碳硫硅钙石，碳硫硅钙石也能引起膨胀。

(4) 干湿循环条件下进入到混凝土中的硫酸盐吸水结晶对混凝土产生结晶压力，而使混凝土开裂、破坏。 2.6.2 影响因素

（1）侵蚀溶液中阳离子 不同的Ca、Na、K、Mg和Fe的阳离子会产生不同的侵蚀机理和破坏原因，如硫酸钠侵蚀首先是Na2SO4 和水泥水化产物Ca (OH) 2 的

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反应，生成的石膏(CaSO4·2H2O) ，再与单硫型硫铝酸钙和含铝的胶体反应生成次生的钙矾石，由于钙矾石具有膨胀性，所以硫酸钠侵蚀的主要特征是混凝土的膨胀和开裂。

（2）侵蚀溶液中硫酸根离子浓度 侵蚀溶液浓度改变，反应机理也发生变化。以Na2SO4 侵蚀为例，低硫酸根离子浓度( < 1000ppm 硫酸根离子 )，反应产物主要是钙矾石；而在高浓度下( > 8000ppm 硫酸根离子 )，主要产物是石膏；在中等程度浓度下(1000ppm～8000ppm 硫酸根离子 )，钙矾石和石膏同时生成。在MgSO4侵蚀情况下，在低硫酸根离子浓度( < 4000ppm 硫酸根离子 )，反应产物主要是钙矾石；在中等程度浓度下(4000ppm～7500ppm 硫酸根离子 )，钙矾石和石膏同时生成；而在高浓度下( > 7500ppm 硫酸根离子 )，镁离子腐蚀占主导地位。

不同浓度的硫酸钠对普通和掺硅灰的水泥砂浆的侵蚀情况不同，低浓度下的水泥砂浆在长达100天的侵蚀下未见明显的破坏。而在硫酸钠溶液中，浓度增加膨胀速率随之增加。在硫酸镁溶液中，浓度的增加能增加普通水泥砂浆的膨胀速率。

（3）侵蚀溶液pH 值 混凝土现场往往处于恒定浓度和pH 值的硫酸盐侵蚀之中，并且受环境条件地影响如干湿循环等，而这些恰恰是加速侵蚀的条件。随着pH 值的升高，混凝土的抗侵蚀性能(以砂浆试块的线性膨胀和立方体抗压强度的降低表示) 升高。

（4）环境温度的影响 温度每升高10 度，对于一般化学反应的速度大约增加2 ~3倍，温度的升高将导致硫酸根离子扩散的提高，同时也将导致离子运动速度和化学反应速度的提高，这些将导致混凝土硫酸盐侵蚀速度的提高。

3 提高混凝土耐久性的措施

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从上述分析可知，混凝土的外部环境，原料，密实度和抗渗性是混凝土耐久性能的重要因素．因此，工程中应根据具体情况，有针对性地采取相应措施，从混凝土的材料、结构设计、工程施工三个方面提高混凝土的耐久性．

3.1 混凝土材料

3.1.1 水泥

水泥及水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结，硬化形成的，水泥石一旦受损，混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能。

采用品质稳定、强度等级不低于 P.O42.5 级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥 (掺合料仅为粉煤灰或磨细矿碴)，禁止使用其它品种水泥。品质应符合 GB175-2007 规定： 水泥的比表面积不宜超过 350m /kg，碱含量不应超过 0.60%， 游离氧化钙含量不应超过 1.5%， 水泥熟料中 C3A 的含量不宜超过 8%(强腐蚀环境下不应大于 5%)，C4AF 含量小于 7%、C3S、C2S 含量宜在 40%～45%之间的水泥。

选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性，抗水性，抗腐蚀性，抗冻性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。 3.1.2 粗骨料

选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等球形、吸水率低、空隙率小的碎石，压碎指标不大于10%，母岩立方体抗压强度与梁体混凝土设计强度之比应大于2，含泥量小于0.5%，片状颗粒含量不大于5%，针、颗粒尽量接近等径状。粗骨料粒径宜为5～20mm，且分两级储存、运输、计量，5～10mm 颗粒质量占(40±5)%，10～20mm颗粒质量占(60±5)%。选用无碱活性粗骨料(因条件所限不得不采用碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率为 0.10～0.20%的活性骨料时，由各种原材料带入混凝土中的总碱量不应超过3.0kg/m)。 3.1.3 细骨料

细骨料应选择级配合理、质地均匀坚固的天然中粗砂(不宜使用机制砂和山砂，严禁使用海砂)，细度模数2.6～3.0。严格控制云母和泥土的含量，砂的含泥量应不大于1.5%，泥块含量应不大于0.1%，选用无碱活性细骨料(因条件所限不

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得不采用碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率为0.10 ～ 0.20%的活性骨料时，由各种原材料带入混凝土中的总碱量不应超过3.0kg/m )。 3.1.4 矿物掺合料

适当掺用优质Ⅰ级粉煤灰、磨细矿渣、微硅粉等矿物掺合料或复合矿物掺合料，Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣粉分别应符合GB1596和GB/T18046的规定，Ⅰ级粉煤灰需水量比不应大于100%，磨细矿渣比表面积应大于450m /kg。矿物掺合料掺量不超过水泥用量的30%，粉煤灰与磨细矿渣复合使用时，两者之比为 1：1。 3.1.5 专用复合外剂

专用复合外加剂采用具有高效减水、坍落度损失小、适当引气、能细化混凝土孔结构、能明显改善或提高混凝土耐久性能的专用复合外加剂，尽量降低拌和水用量，专用复合外加剂必须满足专用复合外加剂的规定。 3.1.6 拌合和养护用水

混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌合水应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。拌制和养护混凝土用水应符合国家现行《混凝土拌和用水标准》的要求。凡符合饮用标准的水，即可使用。

3.2 结构设计

3.2.1 混凝土配合比

混凝土配比的设计在满足混凝土强度，工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少收缩裂缝，提高密实度，采用合理的减水剂和引气剂，改善混凝土内部结构，掺入足量的混合料，提高混凝土耐久性能。

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3.2.2 混凝土保护层

混凝土结构中，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同材料组成的复合材料，两种材料具有良好的粘结性能是它们共同工作的基础，从钢筋粘结锚固角度对混凝土保护层提出要求，是为了保证钢筋与其周围混凝土能共同工作，并使钢筋充分发挥计算所需强度。

钢筋裸露在大气或者其他介质中，容易受蚀生锈，使得钢筋的有效截面减少，影响结构受力，因此需要根据耐久性要求规定不同使用环境的混凝土保护层最小厚度，以保证构件在设计使用年限内钢筋不发生降低结构可靠度的锈蚀。

针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境)，设计使用年限为 100 年的结构混凝土应符合下列规定：混凝土保护层厚度应按规范的规定增加40％；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚 7 度可适当减少。混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。 3.2.3 节点构造设计

结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。

3.3 工程施工

3.3.1 混凝土的拌制

混凝土配合比应考虑强度、弹性模量、初凝时间、工作度等因素并通过实验来确定。

混凝土原材料应严格按照施工配合比进行准确称量，称量最大允许偏差应符合下列规定(按重 量计)：胶凝材料(水泥、掺合料等)±1%；外加剂±1%；骨料±2%；拌和用水±1%。搅拌混凝土前，应严格测定细骨料的含水率，准确测定因天气变化而引起的粗细骨料含水量的变化，以便及时调整施工配合比。

混凝土搅拌时投料顺序为：先向搅拌机投入细骨料、水泥、矿物掺和料和外加剂，搅拌均匀后，再加入所需用水量，待砂浆充分搅拌后再投入粗骨料，并继续搅拌至均匀为止。上述每一阶段的搅拌时间不应少于30s，总搅拌时间不应少于2 min， 也不宜超过3 min。混凝土拌和物入模前进行含气量测试，并控制在2～4%的范围内。

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3.3.2 混凝土的输送

混凝土采用混凝土输送泵输送或混凝土运输车运送。

当采用泵送时，输送管路的起始水平段长度不小于15m，除出口处采用软管外，输送管路其它部分不得采用软管或锥形管。输送管路应固定牢固，且不得与模板或钢筋直接接触。混凝土应连续输送，输送时间间隔不大于45min，且坍落度损失不大于10%。输送泵接料斗格网上不得堆满混凝土，要控制供料流量，及时清除超径的骨料及异物。夏季高温施工时宜用湿草袋等覆盖输送管，防止因输送管道温度过高造成混凝土坍落度损失过大影响施工，直至造成混凝土堵管。冬季施工时宜用保温材料包扎输送管防止混凝土受冻。 3.3.3 混凝土浇筑

浇筑混凝土前，应针对工程特点、施工环境条件与施工条件事先设计浇筑方案，包括浇筑起点、浇筑进展方向和浇筑厚度等；混凝土浇筑过程中，不得无故更改事先确定的浇筑方案。应仔细检查钢筋型号、数量、间距、保护层厚度及其紧固程度。构件侧面和底面的垫块至少应为４个／m ，绑扎垫块和钢筋的铁丝头不得伸入保护层内。

混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于２m；当大于２m 时，应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送混凝土，确保混凝土不出现分层离析现象。混凝土的浇筑应采用分层连续推移的方式进行，间隙时间不得超过 90min；混凝土的一次摊铺厚度不大于 300mm。

混凝土的浇筑应尽量选择在一天中气温适宜时进行，混凝土的入模温度为5～30℃，夏季气温较高时采用冷却水拌和混凝土，使其入模温度符合要求。模板的温度为 5～35℃，夏季气温较高时采用冷却水喷洒模板，并采取遮荫措施。在低温条件下浇筑混凝土时，应采用适当的保温防冻措施，防止混凝土受冻。 3.3.4 混凝土振捣

所有混凝土一经灌注，立即进行全面的捣实，使之形成密实、均匀的整体。混凝土的密实采用高频插入式振捣棒和附着式振动器联合振捣的方式进行。 混凝土振捣采用操作台统一控制，操作台由专人负责，统一指挥，严格控制振动时间及振动顺序。

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3.3.5 混凝土养护

混凝土养护要注意湿度和温度两个方面。养护不仅是浇水保湿，还要注意控制混凝土的温度变化。在湿养护的同时，应该保证混凝土表面温度与内部温度和所接触的大气温度之间不出现过大的差异。采取保温和散热的综合措施，防止温降和温差过大。因此，综合考虑，蒸汽养护能较好地解决以上两个方面的问题。

混凝土养护温度控制的原则是：

①升温不要太早和太高；②降温不要太快；③混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间以及混凝土表面和大气之间的温差不要太大。

温度控制的方法和制度要根据气温(季节)、混凝土内部温度、构件尺寸、约束情况、混凝土配合比等 具体条件来确定。 3.3.6 混凝土的拆模

混凝土拆模时的强度应符合设计要求，还应考虑拆模时的混凝土温度(由水泥水化热引起)不能过高，以免混凝土接触空气时降温过快而开裂，更不能在此时浇注凉水养护。

混凝土内部开始降温以前以及混凝土内部温度最高时不得拆模。 一般情况下，结构或构件芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差大于 20℃(截面较为复杂时，温差大于15℃)时不宜拆模。大风或气温急剧变化时不宜拆模。在寒冷季节，若环境温度低于0℃时不宜拆模。

在炎热和大风干燥季节，应采取逐段拆模、边拆边盖的拆模工艺。拆模按立模顺序逆向进行，不得损伤混凝土，并减少模板破损。当模板与混凝土脱离后，方可拆卸、吊运模板。拆模后的混凝土结构应在混凝土达到 100%的设计强度后，方可承受全部设计荷载。

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4 结论与展望

混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题。同时也是影响工程使用寿命的主要问题，而影响混凝土耐久性的主要因素为：混凝土冻融破坏、渗透破坏、碱集料反应、混凝土碳化、钢筋锈蚀、侵蚀性介质腐蚀等。

如何提高混凝土结构耐久性是国内外研究的重要课题，具有重要意义。未来的混凝土结构将更多的采用优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实、高耐久的混凝土材料，具有较高的抗氯离子渗透性能的高性能混凝土；对混入型和渗入型氯离子进行有效防护的涂层钢筋、耐腐蚀钢筋；能有效地阻止钢筋腐蚀发生的钢筋阻锈剂。结构设计充分考虑环境温度、混凝土内应力、裂缝等各种可变因素对的影响。施工过程质量控制与评估将是重中之重。

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参考文献

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