2 混凝土耐久性的基本概述
2.1混凝土耐久性的定义
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。
简单地说，混凝土材料的耐久性指标一般包括：抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、混凝土的碳化（中性化）、碱骨料反应。 2.2混凝土耐久性的应用
近10余年来,我国在若干重大工程的建设中已经充分贯彻了“混凝土耐久性设计”理念,并提升到了“强度设计与耐久性设计并重,强度服从耐久性”的认识高度。
长江三峡水利枢纽工程是世界上最大的水利水电工程,具有防洪、发电、航运、供水、养殖等综合功能,对长江和长江流域的自然生态、人文环境、经济发展的影响巨大。水库总库容393亿m3 ,电站总装机容量22400MW,年均发电846.8亿kWh,拦河坝最大坝高183m,混凝土方量2700万m3 。1993年开工后,各方专家对三峡工程混凝土大坝的耐久性和工程安全运行年限进行了广泛的讨论,提出了“三峡大坝混凝土耐久性寿命500年的设计构想”。“确保三峡工程一流质量的建议案”1997年曾被列为全国政协八届五次会议的“一号提案”,引起中央和国家领导人的高度重视,特别召开了关于三峡大坝混凝土耐久性的高层决策会议。在这个会议上,明确提出了三峡大坝的设计思想要突出耐久性设计的概念,同时明确了三峡大坝要采用微膨胀型低碱中热硅酸盐水泥,掺用优质引气剂和优质高效减水剂,确定必须掺用Ⅰ级粉煤灰,尽可能降低用水量,严格控制水胶比,并明确三峡大坝外部混凝土,特别是水位变化区混凝土的抗冻等级要达到F250。为预防混凝土的碱活性骨料反应,采用人工制备的花岗岩骨料,并限定水泥中的含碱量≤0.5%以及混凝土的总碱含量≤2.5kg/m3 ,在施工过程中执行严格的温控防裂措施。防裂关键部位混凝土出机口温度控制在7℃,浇筑温度≤12℃~14℃。三峡工程1994年开始的大坝混凝土配合比优化设计理念就符合高性能混凝土思想,三峡工程采取的提高混凝土耐久性措施。
穿越“世界屋脊”的青藏铁路格拉段全长1180多公里,其中海拔高度大于4000m的路段约965km,穿越多年冻土地带的路段约550km。除格尔木和拉萨外,沿线年平均气温为-2℃~-6℃,极端最高气温为25℃,极端最低气温为-45℃。沿线气候干燥,干湿交替频繁,年日正负温天数高达180d左右,冻融作用强烈,一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀危害。在如此恶劣的自然环境条件下进行铁路工程建设,对混凝土材料的长期耐久性是
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个严峻挑战。为保证工程的长期耐久性使用要求,青藏铁路 明确提出了必须按高性能混凝土原则配制桥隧结构用混凝土的要求:水胶比≤0.4,抗冻耐久性指数0.6~0.9,电通量≤1000库仑,粉煤灰掺量10%~15%,同时掺入多重效能的复合高效外加剂达到高效减水、早强、防冻、引气、增实、保坍、抗硫酸盐腐蚀和抑制碱硅酸反应膨胀的功效。
杭州湾跨海大桥全长36km,其中跨越海域长度近32km。大桥主体结构除南、北航道桥采用钢 箱梁外,其余均为混凝土结构。全桥混凝土用量约250万m3 ,设计使用寿命100年。杭州湾跨海大桥保证混凝土结构的耐久性措施包括:以氯离子扩散系数为混凝土耐久性的主要控制指标,采用大掺量掺合料和低水胶比,低氯离子扩散系数，设置合理的钢筋保护层厚度(承台水变区90mm,桥墩浪溅区60mm);对特殊部位采取附加防护措施,作为目前对耐久性问题认识不足的储备(环氧涂层钢筋、阴极防护、钢筋阻锈剂、表面防护涂层,安装耐久性检测系统进行长期动态跟踪监测和验证评估等)。
南水北调中线工程从湖北丹江口水库陶岔渠首引水至北京团城湖,输水总干线全长1267km,天津干线从河北徐水向东至天津长154km,横跨江、淮、黄、海四大水系的700余条大小河流,是我国实现水资源合理调配的特大型调水工程,沿途需兴建1000多座穿越河流、道路、山体、山冲、谷口等众多复杂地形的水工建筑物。工程的耐久性问题主要有冻融、碳化、碱活性骨料,重点是抑制碱骨料反应,确保工程的长期耐久性。针对华北地区太行山脉和燕山山脉骨料的碱活性比较普遍的现状,工程在开工之前就制订了“预防混凝土工程碱骨料反应技术条例”,规定了骨料碱活性的检验规则(取样、检验方法、检验程序、评定标准)、工程分类(环境、结构分类)、预防措施、混凝土碱含量计算方法、工程管理与验收等。 2.3混凝土耐久性的重要性
高性能混凝土的核心是保证耐久性。耐久性对工程量浩大的混凝土工程来说意义非常重要，若耐久性不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150~200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修；而对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30~50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%~50%以上。回看中国，我国50年代所建设的混凝土工程已使用40余年。如果平均寿命按30~50年计，那么在今后的10~30年间，为了维修这些建国以来所建的基础设施，耗资必将是极其巨大的。而我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿人民币以上。照此来看，约30~50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，高性能混凝土更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。
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混凝土耐久性不足会导致多种不同的问题，如下图为几种常见类型：
图2-1 混凝土表面脱落 图2-2氯离子侵蚀
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3 影响混凝土耐久性的主要因素
影响混凝土耐久性的原因，既有混凝土内部所存在的问题，也有外部不利因素的影 响。引起结构破坏的因素往往是内部和外部共同作用的结果。 3.1 混凝土耐久性的内部因素 3.1.1水灰比
对于混凝土的耐久性，水灰比起着十分关键的作用，它与混凝土的碳化深度、抗冻性、抗渗性及强度有着明显的相关性。水灰比越小，混凝土的孔隙率越低，碳化深度越小，混凝土的强度越高，密实性高，抗渗性越好。工程实验表明，水灰比低于0.6时碳化深度较小，水灰比大于0.7时碳化深度急剧加大。 3.1.2化学反应 1>混凝土的碳化
所谓碳化，指大气中的CO2与混凝土内具有碱性的物质产Ca(OH) 2 发生化学反应，具体反应如下：
CO2+H2O=H2CO3
Ca(OH)2+H2CO3=CaCO3+2H2O 3CaO·SiO3·3H2O+3H2CO3=CaCO3+SiO2·6H2O
几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中，碳化过程会使混凝土碱性降低。当pH<1时钢筋表面在高碱条件下产生的致密氧化膜（钝化膜）遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用。另外，碳化加剧混凝土的收缩，致使混凝土出现裂缝，导致结构的破坏。水泥的品种及标号、水泥的用量、水灰比、混凝土设计强度、环境湿度及CO2 浓度等都会影响混凝土碳化速率。 2>混凝土碱集料反应
碱集料反应指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应，生成的化合物重新排序，吸水产生膨胀压力，致使混凝土开裂，破坏整体结构。碱集料反应主要表现为：水中的碱K2O或Na2O与集料中的活性成分氧化硅、碳酸盐等发生化学反应，生成的化合物重新排序，反应机理如下： 2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O Na2CO3+10H2O=Na2CO3·10H2O 3>其它化学反应。
混凝土在使用中还会受到酸性侵蚀，胶凝状物质水泥石易溶于水的那部分侵蚀产物会溶解掉，但难溶于水的部分产物则留在原处，反应机理如下： CaSiO4+2H2O=CaSO42H2O(二水石膏)
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3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4·2H2O+19H2O=3CaO·Al2O3 ·3CaSO3·3H2O
混凝土制作过程中使用的外加剂可与其中Ca(OH)2和3CaO·Al2O3·6H2O等发生化学反应，生成易溶的CaCl2并伴有大量结晶水析出，所产生的化合物反应物质体积成倍增大，造成混凝土的膨胀破坏。反应机理如下： 2Cl-+Ca(OH)2 =CaCl2+2OH- 3CaO·Al2O3·6H2O+25H2O=3CaO·AlO·3CaCl2·31H2O 3.2 混凝土耐久性的外部因素 3.2.1混凝土的冻融破坏
当结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混凝土的破坏。混凝土发生冻融破坏的最显著特征是表面剥落，严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关，孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。混凝土的饱和度、水灰比、混凝土的龄期、集料的孔隙率及其间的含水率等也会影响混凝土抗冻性。 3.2.2施工因素影响
实际施工过程中，混凝土浇注成型时，振捣不密实会使混凝土内部孔隙增加，降低抗渗性。采用潮湿条件下养护混凝土，水泥水化充分使总孔隙降低，抗渗性会随龄期的增加而提高，混凝土内部的孔隙会有所减小。采用加热养护时，如果温度上升速度过快，或恒温温度过高，就会使混凝土内部水分大量蒸发，水泥水化没有足够的水儿导致孔隙增加，抗渗性降低。混凝土材料本身质量低下，水灰比选择以及骨料级配不当都会导致混凝土性能下降，施工过程中操作不当等人为因素造成的混凝土内部存在的缺陷，都会使混凝土容易遭到破坏。 3.2.3侵蚀介质的腐蚀
除化学介质对混凝土侵蚀，引起混凝土结构破坏外，侵蚀性介质的腐蚀还包括硫酸盐腐蚀、酸腐蚀、生物腐蚀、海水腐蚀以及盐类结晶型腐蚀等。如酸、碱溶液直接接触混凝土时，引起严重的腐蚀；酸雨则大面积地影响着工程结构的耐久性。此外，风沙、持续的超高气温、机械磨损及不可抗拒的偶然因素等也会影响到混凝土的耐久性。
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