[摘要] 本文从提高混凝土的抗冻性及抗腐蚀性方面探讨外露混凝土结构质量保障问题。
[关键词] 外露混凝土结构; 抗冻性; 抗腐蚀性
[中图分类号] TU323.5 [文献标识码] B [文章编号] 1673- 1093(2008)02- 0048- 03
伴随着中国经济的迅猛发展, 大规模的建筑工程在中国兴建。工程中广泛应用的材料是混凝土建筑结构。一般建筑使用寿命30~50 年。因此混凝土结构的耐久性逐渐引起了人们的重视。混凝土结构的耐久性是指混凝土抵抗气候变化化学侵蚀等任何其他破坏过程的能力。在寒冷地区或处于饱和状态的环境中混凝土结构的抗冻性及抗腐蚀性, 对于混凝土结构建筑物在设计, 施工, 管理使用过程中应多加考虑。特别是近年来因混凝土结构耐久性方面设计施工的不足造成了许多事故和经济损失。首先应引起结构设计人员重视的是现行的混凝土结构设计规范(GB50010- 2002) 对不同使用环境下结构混凝土的耐久性做了明确的规定.常用的室内建筑混凝土结构( 相当于混凝土规范中一类的环境类别) 基本不受冰冻影响,一般也不会长期受到水份浸泡, 根据国内混凝土结构耐久性状态的调查, 一类环境设计使用年限为50年, 基本上可得到保证, 因此在设计上对混凝土结构, 除了要求满足承载力极限状态及正常使用极限状态外, 没有抗冻性要求,一般也不会出现混凝土腐蚀问题.但对于处于二、三类环境中的混凝土结构构件, 如电杆,桥梁,水池,护岸,挡土墙, 机场道面及外露地下室外墙壁等, 就受到冻融循环的作用,有的经常处于水饱和状态.这些构件,就出现了严重腐蚀性破坏及渗漏问题.因此对这些特殊结构的混凝土质量及混凝土用料应有特殊的要求.这种特殊要求就是混凝土应具备必要的抗冻性和防腐蚀性。
1 提高混凝土的抗冻性
我国地域辽阔, 有相当大的部分处于严寒和和寒冷地区。混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一, 严重影响了建筑物的长期使用和安全运行, 笔者经常看到混凝土立交桥的接缝处, 因缝隙流下的雨水雪水而产生的冻融破坏, 导致桥墩混凝土脱落, 钢筋外露现象。现行的混凝土规范第3.4.5 条: 严寒及寒冷地区的潮湿环境中, 结构混凝土应满足抗冻要求, 混凝土抗冻等级应符合有关标准要求。按笔者对这一条文的理解, 对于处于二、三类环境的混凝土结构, 在作结构设计时, 应对结构混凝土提出明确的抗冻要求, 以避免因设计考虑不周出现混凝土构筑物冻融破坏责任事故。
我们注意到混凝土结构设计规范对结构混凝土耐久性提出的基本要求, 是针对不同的环境类别对水灰比, 水泥用量, 混凝土强度等级等都有量化指标。但涉及到具体的项目如何实现并达到混凝土的抗冻等级还得参考有关标准要求, 关于混凝土的抗冻性指标, 目前道路工程有明确的规定, 在道路工程中有具体要求,所列的有关指标如表1。
表1 中只列出为保证抗冻性所用水泥的最小用量,对水泥品种没有具体标明.这主要是道面混凝土工程一般都强调使用硅酸盐水泥,或普通硅酸盐水泥. 水泥品种对混凝土的抗冻性有很大的影响,这是设计和施工容易忽视的问题, 根据《混凝土》杂志总第74 期刊出的一份资料表明,其它条件
相同,由于水泥品种的差异,混凝土的抗冻性差异是很大的.用不同水泥制作的混凝土,经过150 次冻融循环后,有关数据如表2 所示。
按相关规定强度损失率小于25%既可满足抗冻等级要求, 从表2 看出,水泥不掺添加剂时,混凝土的抗冻性以硅酸盐水泥混凝土最好,其抗冻性指标能达到150~200 这个等级, 普通硅酸盐水泥与矿渣水泥混凝土的抗冻性基本相似,其抗冻性指标都在100 以下, 所以在严寒地区,当混凝土构件有抗冻性要求时,宜采用硅酸盐水泥,也不必使用添加剂, 若使用掺合材水泥,即使是普通硅酸盐水泥,也须掺用膨胀剂,以提高混凝土的抗冻性。对矿渣水泥来说当膨胀剂为4%~8%时强度损失率为10.3%~7.2%, 小于25%, 当膨胀剂
12%时强度损失率为28.2%大于25%不满足要求,掺量合适时,矿渣水泥混凝土的抗冻性已达硅酸盐水泥混凝土水平。
因此基本结论是: 当使用硅酸盐水泥时, ( 从表2 可以看出强度损失率仅为9%) , 混凝土既具有足够的抗冻性, 不必掺用添加剂。其它水泥混凝土需要保持足够的抗冻性, 需使用膨胀剂。但膨胀剂掺量不得大于8%~12%。
2 提高混凝土的抗腐蚀性
混凝土的腐蚀问题,是水泥中的碱(主要是钠及钾)与骨料中的活性物质作用生成凝胶, 混凝土固化后,遇水浸润这些凝胶膨胀造成混凝土崩解破坏, 所以造成混凝土腐蚀性反应的首要因素是水泥中碱含量过高,又由于混凝土经常受到水分浸润造成的。
1982 年至1984 年由北京某构件厂生产的预应力钢筋混凝土铁路桥梁188 孔, 用于山东兖石线上。1991 年调查了183 孔, 其中无裂缝的仅6孔, 裂缝宽度一般在0.2mm~0.4mm 之间, 最大的达0.7mm。预制构件系采用高碱纯硅酸盐水泥, 混凝土的碱含量约6.5Kg/m3, 虽然强度非常高, 但仍然开裂严重。用北京地区的碱活性集料与高碱水泥生产的预制构件在河北的京秦线、陕西三原铁路工务段和江西景德镇的铁路桥梁上使用破坏同样严重。同时生产的铁路轨枕用于北京站、上海站、贵阳站、镇江站也是同样结果。
山东潍坊机场建于1984 年, 混凝土的碱含量约3.9Kg/m3。九十年代初调查, 开裂的跑道达33.3%, 在实验室仔细鉴定证明, 该机场主要为碱碳酸盐反应引起的破坏。北京许多五十年代中期建造的大型工业厂房, 早已裂痕累累列为危险建筑。1959 年建成的人民大会堂、西效展览馆、北京站梁柱明显开裂, 已经修复多次。1978、1979 年告竣的朝阳门、建国门立交桥损伤严重。1980 年投入使用的西直门立交桥已经加固。1984 年铺成的京秦铁路桥梁损伤84.67%。1990 年交付的国家林匹克体育中心已经大规模修补等等。以上工程主体结构一次使用寿命均不到50 年, 有的不到20 年甚至不到10 年。
混凝土的腐蚀问题, 在上世纪60 年代前出现较少.主要是那时水泥基本是立窑生产的,水泥料在煅烧过程中,粘土中的碱份随烟尘外逸,水泥中的碱含量较低, 到70 年代以后,水泥多用回转窑生产,这是水泥生产的进步,它节约能耗,又使水泥熟料均匀, 但带来的问题是,水泥熟料中的碱份不能随烟尘外逸,而是集存在水泥熟料中,因此水泥的碱含量相应增大。
当时基建工程界没有察觉到这个问题,因此从上世纪70 年代起, 某些经常外露在大气中的混凝土构造物,陆续出现了黄斑龟裂甚至完全失稳的现象.直到90 年代,问题暴露更多了,引起了人们震惊.在1991 年,召开了一次国内建材界权威的座谈会,才弄清了混凝土腐蚀现象的本质,结论就是水泥中碱含量过多,造成了混凝土的腐蚀现象, 这次座谈会虽然弄清了问题的实质,但问题并没有彻底解决,原因是当前水泥质量标准中,还没有限制碱含量的要求, 如果某项工程需要使用低碱水泥,只能与生产厂家协商解决, 它的造价相应就提高了.因此我们需要谋求各种手段,来解决混凝土的腐蚀问题。
混凝土的腐蚀性反应, 是水泥中的碱与石材(骨料)中某些物质的反应,通称为碱- 骨料反应。最近十多年的事实表明,国内外用石灰石为骨料的混凝土,大量出现腐蚀现象,并发展迅猛, 这些年国外的报导,以石灰石为骨料的水泥混凝土道面出现了“D”开裂问题, 唐明述院士对此问题作了评述.评述中指出,“国外的研究只涉及到骨料的物理特征,对某些化学作用(如膨胀的碱- 碳酸盐反应等)的忽视值得深思,在密苏里州的研究中,已证实了高碱水泥(0.8%)能更早引起“D”开裂, 国内出现的大量混凝土腐蚀事例,其中也不乏是用石灰石为骨料。由此可见, 混凝土中用石灰石做骨料, 其可能产生腐蚀性反应的风险性, 就比用花岗岩石高得多。
混凝土用水泥除了强度及抗冻性方向的考虑外,裸露于大气中,经常受到水分浸润的混凝土,需要用低碱水泥, 当能保证混凝土强度时,不宜采用过高标号的水泥,也可以考虑采用掺合材水泥。混凝土用的骨料,在花岗岩碎石与石灰岩碎石供应条件无大差异时, 宜采用花岗岩或砂岩碎石,需采用石灰石时,宜从源头上在石场剔出带白云石的石块, 一些水泥厂用的石场,都有专人在石料中剔出白云石,以保证水泥中镁含量不超标,所以这项工作是能够做的。
据了解, 我国某机场混凝土跑道已发现碱骨料反应开裂, 某大型城市公路立交桥建成刚5 年,其潮湿部位开裂已经取样证实为碱骨料反应。由于近几年来我国水泥外加剂等情况的发展变化,混凝土碱骨料反应问题已构成我国土建工程的一大潜在危害, 希望我国的建筑、市政、交通等有关混凝土工程的设计、施工工程技术人员对此问题给予应有的重视, 采取可能做到的各种措施, 预防碱骨料反应对工程的损害。
综上所述, 对混凝土结构耐久性问题, 应引起有关设计, 施工, 管理人员的注意, 并提出如下建议:
( 1) 对于处于二, 三类环境中的混凝土结构,在设计文件中, 应对这类混凝土构件的抗冻性标准提出明确的要求。
( 2) 不同的水泥品种抗冻性能不一样, 设计,施工人员应区别对待, 审慎使用。
( 3) 处于二, 三类环境中的混凝土的骨料应优先采用花岗岩和砂岩, 不宜采用石灰石。
[参考文献]
[1]王岩等《混凝土》总第74 期.道面混凝土掺膨胀剂研究.
[2] 唐明述等《混凝土与水泥制品》(1994)混凝土道面D 开裂研究评述.
[3]混凝土结构设计规范(GB 50010- 2002).
