大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 混凝土结构耐久性浅谈
层 次： 专科起点本科
专 业： 土木工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年7月25日
混凝土由于其具有经济、耐久、节能等众多优点,而成为重要的建筑材料,其应用范围十分广泛。作为目前世界最大宗的人造建筑材料,其在给人类带来巨大文明进步的同时,也面临由此造成的严峻的资源、能源和环境问题。传统意义上的混凝土由于自身结构材料和使用环境的特点,还存在着严重的耐久性问题,已不能满足混凝土行业的绿色可持续发展的要求。因此,提高混凝土的耐久性是实现混凝土环保化、节约化的积极有效措施。本文综述了耐久性对混凝土的重要意义,并着重分析了影响混凝土耐久性的主要因素。最后介绍了目前世界上提高混凝土的耐久性的研究结果以及目前国际上对混凝土的耐久性设计要求。
关键词：耐久性；混凝土；影响因素
目 录
混凝土结构在其服务使用期间应维持所需的强度和其他功能,混凝土结构还必须能经受住各种各样的侵蚀破坏,这常被称为混凝土具有耐久性。混凝土结构以其整体性好、耐久性好、可塑性强、维修费用少等优点广泛使用于整个20世纪，发现混凝土的耐久性问题则是在60至70年代。一些国家的混凝土桥使用了三四十年后，纷纷进入老化期，出现如结构混凝土的碳化、保护层剥落、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏、混凝土集料的化学腐蚀等等。我国七十年代后期建造的混凝土桥梁亦发现有严重的开裂现象。因而混凝土结构的耐久性问题已成为各国结构工程师们不容忽视的一个问题。
混凝土结构的耐久性概括起来是指混凝土抵抗周围不利因素长期作用的性能。结构耐久性问题主要表现为：混凝土损伤；钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀；以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的消弱等三个方面。从短期效果而言，这些问题影响结构的外观和使用功能；从长远看，则为降低结构安全度，成为发生事故的隐患，影响结构的使用寿命。因而混凝土结构的耐久性问题已成为各国结构工程师们不容忽视的一个问题。针对这一问题，各国均提出各种解决方法，其中我国中国工程院院士吴中伟教授提出GHPC（绿色高性能混凝土）的概念在该技术领域属于比较先进的观念。
1 绪论
1.1 混凝土耐久性问题的提出
我国是一个发展中大国，正在从事着为世界所瞩目的大规模基本建设，而财力有限，能源短缺，资源并不丰富，因此科学合理设计，优质的施工质量来提高混凝土结构耐久性及防腐性。延长结构使用寿命是摆在我们面前的一个很重要的课题和任务。
强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，因此以往工程中习惯上只重视混凝土的强度，或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性。混凝土的耐久性是使用期限内结构保证正常功能的能力，关系到结构物的使用寿命，随着结构物老化和环境污染加重，混凝土耐久性问题已引起了各主管和广大设计施工者们重视。
1.2 混凝土耐久性的概念
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。混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。
混凝土结构耐久性所包含的内容为：抗渗性，指混凝土抵抗液体和气体渗透的能力；抗冻性，指混凝土抵抗冰冻的能力；抗腐蚀性，指混凝土在各种侵蚀性液体和气体中，抵抗侵蚀的能力；混凝土的耐热性，指混凝土在高温作用下，内部结构不遭受破坏，强度不显著丧失，具有一定化学稳定性的性能；碱骨料反应，碱骨料反应条件是在混凝土配制时形成的，即配制的混凝土中只有足够的碱和反应性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。
2 混凝土结构耐久性问题的分析
如上一章所述，混凝土耐久性是指混凝土在实际使用过程中抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力。主要包括抗冻性、抗渗透性、抗碱集料反应，抗腐蚀等几个方面。
本章将从冻融破坏、渗透破坏、碱骨料反应、混凝土的碳化、钢筋锈蚀、化学侵蚀六个方面对混凝土结构发生耐久性失效的原因及影响因素进行论述。
2.1 混凝土冻融破坏
混凝土冻融破坏是指混凝土在饱水或潮湿的状态下，由于环境中温度的正负变化，导致混凝土内部松弛产生疲劳应力，反复的冻融循环造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的破坏现象。
混凝土发生冻融破坏后，破坏作用不断积累，裂缝不断扩大和深入，由外向里，直至混凝土破坏，而其现象就是从表层开始向内逐层剥落。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，最终严重影响了结构的长期使用。
2.1.1 破坏机理
混凝土冻害机理的研究始于20世纪30年代，有静水压假说、渗透压假说等。但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今尚无公认的、完全反映混凝土冻害机理的理论。直至现在，被广大科研学者接受的最有价值的解释是静水压假说和渗透压假说的结合，这种结合奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础。
(1) 静水压假说：硬化混凝土的孔隙有凝胶孔、毛细孔、空气泡等。各种孔隙之间的孔径差异很大。水转变为冰时体积膨胀9％，在冰冻过程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液冰冻膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移。孔溶液在可渗透的水泥浆体结构中移动，必须克服粘滞阻力，因而产生静水压，形成破坏应力。
静水压假说能解释成熟混凝土冰冻破坏的许多表现，它在引气混凝土方面的应用也较成功。但从水压力本质来理解它的作用应是瞬时性的，随着时间进展危险理应逐渐消失才对。然而试验说明：混凝土冰冻破坏有时随时间而日益剧烈、严重。在水泥浆冰冻时，水分的运动大多不像通常设想那样，远离冰冻地点而去，而恰恰是趋向冰冻地点；再次冰冻时的膨胀一般情形是随冷却速率增加而下降。这些都是静水压假说难以解释的。
(2) 渗透压假说：渗透压假说认为，由于混凝土孔溶液中含有钠、钾、钙等盐类，大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。这个浓度差的存在使小孔中溶液向已部分冻结的大孔迁移。即使是浓度为0的孔溶液，由于冰的饱和蒸汽压低于同温下水的饱和蒸汽压，小孔中的溶液也要向已部分冻结的大孔溶液中迁移。可见渗透压是孔溶液的盐浓度差和冰水饱和蒸汽压差共同形成的。
2.1.2 影响因素
对于影响混凝土冻融破坏的主要因素总结起来大致有以下四个方面：
（1）水灰比：水灰比越大，使凝土孔隙率越大，导致混凝土的吸水率增大，最终导致混凝土结构冻融破坏严重；
（2）孔结构和孔隙特征：连通毛细孔易吸水饱和，使混凝土冻害严重；若为封闭孔，则不易吸水，冻害就小；
（3）饱水度：若混凝土的孔隙非完全吸水饱和，冰冻过程产生的压力促使水分向孔隙处迁移，从而降低冰冻膨胀应力，对混凝土破坏作用就小；
（4）混凝土自身强度：在相同的冰冻破坏应力作用下，混凝土强度越低，冻害程度就越高。
2.2 混凝土渗透破坏
混凝土结构的渗透破坏是指气体、液体或者离子等有害介质在混凝土中渗透、扩散或迁移，最终导致混凝土结构受到破坏。混凝土结构发生渗透破坏后，有害介质首先破坏结构表层混凝土，导致混凝土中发生钢筋锈蚀、碱骨料反应等变化，而这些变化多数伴随着体积的膨胀，膨胀产生的应力又使得混凝土进一步开裂，从而进一步加大混凝土的渗透性，使得有害介质的入侵更加迅速，导致混凝土结构循环往复产生更大范围的破坏。因此混凝土的渗透性给有害介质提供了入侵的通道，而有害介质与混凝土发生的破坏性反应则增大了混凝土的渗透性，两者相互促进，最终严重影响混凝土结构的耐久性。
2.2.1 破坏原因
混凝土具有多种粒径的孔隙，连通的孔隙会成为气体、液体或有害介质进入混凝土的通道，导致混凝土破坏。
混凝土的渗透机理是水与混凝土表面接触时，压力差和毛细孔压力不断促使水分向混凝土内部迁移。随着水分迁移的深入，水与毛细孔壁摩擦阻力增大，渗水速度随渗透深度的增加成比例下降。当水达到混凝土相反的一侧时，毛细孔压力就会改变方向，阻碍水分的渗出。若压力差大于孔壁摩擦阻力和毛细阻力，则水将从混凝土相反的一侧滴出；若压力差小于摩擦阻力和毛细孔阻力，则水的迁移为毛细孔迁移，此时的迁移速度取决于混凝土背水面水分的蒸发速度。
2.2.2 影响因素
影响混凝土渗透性的因素主要有水灰比、骨料最大粒径、混凝土养护方法、水泥品种、外加剂等因素。具体影响情况为：
（1）混凝土的水灰比会影响混凝土孔隙的大小和数量，进而直接影响混凝土结构的密实性。水灰比越小，混凝土越密实，其抗渗性越好，反之亦然。
（2）由于骨料和水泥浆的界面处易产生裂隙和较大骨料下方易形成孔穴，因此在水灰比相同时，混凝土骨料的最大粒径越大，其抗渗性能越差；
（3）蒸汽养护的混凝土，其抗渗性较潮湿养护的混凝土要差。在干燥条件下，混凝土早期失水过多，容易形成收缩裂缝，因而降低混凝土的抗渗性。而在潮湿环境中或水中硬化的混凝土，不但总孔隙率降低，而且孔径也较小。这就增加了混凝土密实性，提高了混凝土的抗渗性；
（4）水泥的品种、性质也影响混凝土的抗渗性能。水泥的细度越大，水泥硬化体孔隙率越小，强度就越高，则其抗渗性越好；
（5）在混凝土中掺入某些外加剂，如减水剂等，可减小水灰比，改善混凝土的和易性，因而可改善混凝土的密实性，即提高了混凝土的抗渗性能；
2.3 碱骨料反应
混凝土中的碱与混凝土中的活性骨料发生反应，生成膨胀性物质，导致混凝土发生膨胀破坏，称为碱骨料反应。这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，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”。
2.3.1 破坏原因
碱骨料反应主要可分为碱与硅酸、碱与碳酸盐及碱与硅酸盐三种反应。
（1）碱-硅酸反应：是分布最广、研究最多的碱骨料反应，该反应是指混凝土中的碱组分与骨料中的活性SiO2之间发生的化学反应，其结果是导致骨料被侵蚀，生成碱-硅酸凝胶，并从周围介质中吸收水分而膨胀，导致混凝土开裂。
（2）碱-碳酸盐反应：是指混凝土中的碱与碳酸盐矿物产生化学反应引起混凝土的地图状开裂。碱-碳酸盐反应是孔溶液中的碱与骨料中的白云石之间的反应。这一反应不是发生在骨料颗粒与水泥砂浆的表面，而是发生在骨料颗粒的内部，水镁石Mg（OH）2晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土的内部应力，导致混凝土开裂。
（3）碱-硅酸盐反应：是指混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间间距增大，骨料发生膨胀，致使混凝土膨胀开裂。
2.3.2 影响因素
从碱骨料反应发生的条件出发，分析该种破坏的影响因素主要是：
（1）活性骨料：引起混凝土碱骨料反应的主要因素是混凝土中含有碱活性的骨料。因此在施工中尽量选择无碱活性的骨料，在不得不采用具有碱活性的骨料时，应严格控制混凝土中总的碱量；
（2）活性掺合料：掺用活性掺合料，如硅灰、矿渣、粉煤灰（高钙高碱粉煤灰除外）等，对碱骨料反应有明显的抑制效果。活性掺合料与混凝土结构中的碱起反应，反应产物均匀分散在混凝土中，而不是集中在骨料表面，不会发生有害的膨胀，从而降低了混凝土的含碱量，起到抑制碱骨料反应的作用；
（3）水分：碱骨料反应要有水分，如果没有水分，反应就会大为减少乃至完全停止。因此，要防止外界水分渗入混凝土结构中以减轻碱骨料反应的危害。
2.4 混凝土的碳化
混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳气体渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应生成碳酸钙和水，使混凝土碱度降低的过程，这一过程又称混凝土的中性化。
2.4.1 破坏原因
碳化的化学反应式为：
Ca（OH）2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O
混凝土的碳化反应结果有两个方面：一方面，反应生成碳酸钙和其他固态物质会堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续CO2的扩散，使混凝土密实度提高；另一方面，孔隙中的Ca(OH)2浓度及PH值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。
2.4.2 影响因素
影响混凝土碳化的因素有很多，但概括其主要因素有两方面，一方面是材料因素，另一方面是环境条件因素。
（1）材料方面：不同的水泥，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，直接影响水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度有着重要的影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土的碳化速度越慢。不同的骨料品种和粒径级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响混凝土的密实性。其材质致密坚实，级配好的骨料混凝土，其碳化的速度较慢。水灰比的角度，在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，其混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害物质较多的侵入混凝土内部，加快混凝土的碳化。
（2）环境条件：温度对混凝土碳化表现在当温度下降较大时，混凝土表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，使得混凝土表面开裂，为二氧化碳和水分渗入创造条件，加速混凝土碳化；另外，温度高时，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其余氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的照射加速了其反应的碳化速度。另外，影响混凝土碳化程度的因素还有养护方法和龄期，混凝土强度，相对湿度，CO2浓度等等。
2.5 钢筋锈蚀
混凝土中水泥水化后，会生成碱性的氢氧化钙，导致混凝土孔隙中的水分有很高的碱性，在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，因此在正常情况下钢筋不会锈蚀；但钝化膜一旦破坏，在有足够水和氧气条件下会产生电化腐蚀。混凝土中钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，同时向周围混凝土孔隙中扩散。混凝土中的钢筋锈蚀后，一方面会使钢筋有效截面减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋混凝土之间的粘结作用下降。
2.5.1 破坏原因
混凝土中钢筋锈蚀的实质是电化学腐蚀。主要表现为钢筋在外部介质作用下发生电化学反应，逐步生成氢氧化铁（即铁锈）等，铁锈的体积会比原金属增大2~4倍，产生膨胀压力，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。
2.5.2 影响因素
钢筋锈蚀的开始是从钢筋周围的钝化膜破坏开始的，因此影响混凝土结构钢筋锈蚀的因素主要有：
（1）混凝土液相pH值：钢筋锈蚀速度与混凝土液相pH值有密切关系。当pH值大于10时，钢筋锈蚀速度很小；而当pH值小于4时，钢筋锈蚀速度急剧增加。
（2）混凝土密实度和保护层厚度：混凝土越密实，破坏性介质越不容易进入混凝土腐蚀钢筋；保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，因此世界各国规范对保护层厚度都作了规定。
（3）水泥品种和掺合料：粉煤灰等矿物掺合料能降低混凝土的碱性，从而影响钢筋锈蚀破坏。
2.6 化学侵蚀
一些侵蚀性介质，比如酸、碱、硫酸盐、压力动水等，侵入混凝土，可能会造成混凝土的化学腐蚀。化学腐蚀主要有三类，分别为溶出性侵蚀、溶解性侵蚀和膨胀性侵蚀。
2.6.1 产生原因
（1）溶出性侵蚀：对于一些密实性较差、渗透性较大的混凝土，在一定压力的流动水中，水化产物Ca（OH）2会不断溶出并流失。Ca（OH）2的溶出使水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解、溶出，这些水化产物的溶出使混凝土的强度不断降低。
（2）溶解性侵蚀：溶解性侵蚀分为酸侵蚀和碱侵蚀两类。当环境水的PH值小于6.5时，会对混凝土造成酸侵蚀；由于水泥的水化会生成碱性物质，因此混凝土中呈碱性，当碱在一定的浓度（15%以下）、温度（低于50℃）时，碱对混凝土的侵蚀作用很小，但是对于高浓度的碱溶液或者熔融状碱会对混凝土产生侵蚀作用。
（3）膨胀性侵蚀：硫酸盐与混凝土的水化产物发生化学反应，对混凝土产生膨胀破坏作用，是典型的膨胀性侵蚀。
2.6.2 影响因素
结构的密实程度和孔隙特征对混凝土化学侵蚀会有所影响；结构密实和孔隙封闭的混凝土，环境水不易侵入，故其抗侵蚀性较强。
根据对影响混凝土耐久性的主要因素的分析,就可以找出提高混凝土耐久性的主要技术途径。如上分析,要提高混凝土的耐久性,必须降低混凝土的孔隙率,特别是毛细管孔隙率,最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果纯粹的降低用水量,混凝土的工作性将随之降低,又会导致捣实成型共所困难,同样造成混凝土结构不致密,甚至出现蜂窝等宏观缺陷,不但混凝土强度降低,而且混凝土的耐久性也同时降低。目前提高混凝土耐久性基本有以下几种方法:
3.1 原材料的选择
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,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。水泥强度并非是决定混凝土强度和性能的唯一标准,如用较低标号水泥同样可以配制高标号混凝土。因此,工程中选择水泥强度的同时,需考虑其工程性能。
3.2集料与掺合料
集料的选择应考虑其碱活性,防止碱集料反应造成的危害,集料的耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度;大量研究表明了掺粉煤灰,矿渣,硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能,改善混凝土内孔结构,填充内部空隙,提高密实度,高掺量混凝土还能抑制碱集料反应。
3.3 混凝土的设计应考虑耐久的要求
混凝土配比的设计 配合比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。
3.4混凝土工程施工应考虑结构耐久性
混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法,裹砂法,裹砂石法等工艺,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土强度,减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝,收缩裂缝,施工裂缝,建立混凝土的浇筑振捣制度,提高混凝土密实度和抗渗性,重视混凝土振捣后的表面工序,并加强养护,以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝,施工裂缝至关重要,应加强施工质量管理,特殊季节施工的混凝土结构,尚应采取特殊措施。
3.5 结构的日常维护
结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。
