影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境因素

張陽+丁爽

（1.濟南新世界陽光發(fā)展有限公司 250022；2.濟南市城市道路橋梁管理處 250022）

摘 要：混凝土結(jié)構(gòu)作為暴露在自然環(huán)境中的一種建筑物，在使用過程中不可避免的因受環(huán)境影響而性能下降。本文闡述了自然環(huán)境對考慮混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的合理性，從環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、侵蝕離子濃度、風(fēng)與降水量及環(huán)境pH值等方面對影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的環(huán)境因素進行了分析，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：混凝土，耐久性，環(huán)境因素

前言

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是一個綜合性的問題，受環(huán)境、材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)四個層次多種因素的影響。結(jié)構(gòu)在使用期間可能遇到各種暴露條件，混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境是影響其耐久性的最重要也是最直接的因素。由于結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的千差萬別，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性劣化也根據(jù)環(huán)境的不同表現(xiàn)出不同的侵蝕特征，如混凝土碳化、氯離子侵蝕、凍融破壞、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應(yīng)以及其他物理、化學(xué)或生化作用等侵蝕破壞機理。

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境因素包括環(huán)境氣候條件與環(huán)境侵蝕介質(zhì)兩個方面，主要的影響因素包括溫度、濕度、降水以及二氧化碳、氯鹽、二氧化硫、硫酸鹽、碳酸等。本文針對不同的環(huán)境因素綜合考慮其對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響，并最終確定需要考慮的環(huán)境因素。

一、環(huán)境與混凝土對環(huán)境作用的響應(yīng)

外界環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)的影響是從表面開始并逐步向結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴展的，環(huán)境溫度、濕度對混凝土內(nèi)部的影響過程其實是一個傳熱、傳質(zhì)的過程，自然環(huán)境指標和混凝土內(nèi)微環(huán)境指標是不相同的[1]。結(jié)構(gòu)性能的退化是受其內(nèi)部微環(huán)境的直接影響。

基于以下三個方面的考慮，利用自然環(huán)境來考慮混凝土的耐久性對于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計研究是合理的：

（1）不管外部環(huán)境條件的影響如何（溫度、降水時段或降水時長等），或是混凝土對其響應(yīng)的滯后性或一致性，從大的趨勢上講，在較長的時間段內(nèi)（如壽命期），混凝土內(nèi)的飽水度與外界環(huán)境的相對濕度是相對一致的。因此，相對濕度大或者降水豐沛的環(huán)境中，混凝土內(nèi)的孔隙水飽和度也相應(yīng)較高。

（2）對于環(huán)境溫度和濕度，長期以來的研究都是把混凝土所處的周圍環(huán)境氣候條件作為混凝土內(nèi)部的微氣候條件來考慮的，大量研究根據(jù)外部環(huán)境參數(shù)，基于試驗研究或現(xiàn)場檢測等建立了一系列的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停绱罅康幕炷撂蓟疃阮A(yù)測模型和氯離子侵蝕深度預(yù)測模型。

（3）作為混凝土耐久性的環(huán)境影響因素，研究關(guān)心的是一個大的趨勢，如劣化程度，而不著眼于影響指標——壽命、侵蝕深度等的精確預(yù)測。

二、環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響

環(huán)境條件是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境區(qū)劃工作中考慮的重點，其中，溫濕度更是首先要考慮的部分。

（1）環(huán)境溫度

碳化反應(yīng)受溫度影響較大，在CO2濃度和環(huán)境相對濕度相同的條件下，溫度升高，碳化速度加快[2]。發(fā)生凍融循環(huán)時，溫度越低，降溫速度越快，一定時間內(nèi)發(fā)生的凍融循環(huán)次數(shù)越多，則對結(jié)構(gòu)的破壞越大。對于硫酸鹽侵蝕環(huán)境，溫度升高將導(dǎo)致SO2-4擴散速度提高，同時也能加快反應(yīng)速度，但溫度過高或溫度過低將會影響水泥水化過程與硫酸鹽的侵蝕機理。堿-集料反應(yīng)中每一種反應(yīng)性集料都有一個溫度限值，在該溫度以下，膨脹值隨溫度增高而增大，當超過該溫度限值時，隨溫度升高反應(yīng)膨脹值明顯下降。溫度對于混凝土滲透性具有雙重影響，但總體上來，講氯離子的擴散系數(shù)隨溫度的升高而增大。

（2）環(huán)境相對濕度

混凝土表面接觸水分時，水可通過滲透和吸附使內(nèi)部空隙水增加，相對濕度的交化決定了混凝土孔隙水飽和度的大小，相對濕度大或者降水豐沛的環(huán)境中，混凝土內(nèi)的飽水度也相應(yīng)較高。環(huán)境濕度對混凝土碳化速度有很大影響，國內(nèi)外碳化資料表明，碳化速度與相對濕度的關(guān)系呈拋物線狀[3]，有研究認為導(dǎo)致混凝土碳化速度最快的相對濕度為65%。對于氯離子侵蝕條件，構(gòu)件表面氯離子通過吸收、擴散、滲透等途徑向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)倪^程都需要孔隙水作為載體?；炷恋目箖瞿芰Ω炷恋娘査群突炷恋呐R界飽水度有關(guān)，環(huán)境濕度較大的地區(qū)對混凝土的抗凍能力要求則較高。對于硫酸鹽侵蝕環(huán)境，一般認為由于干濕循環(huán)產(chǎn)生了結(jié)晶壓力，使混凝土膨脹開裂，硫酸鹽的侵蝕速度加快。國外長期的對比研究表明，混凝土經(jīng)過一年的干濕循環(huán)侵蝕破壞程度大致相當于8年的浸泡侵蝕破壞程度。濕度越大，堿.集料反應(yīng)越嚴重，要阻止堿.集料反應(yīng)，相對濕度必須低于50%。

（3）侵蝕離子濃度

離子的擴散是由濃度差引起的，混凝土表面相應(yīng)離子的濃度越高，內(nèi)外濃度差越大，則擴散至混凝土內(nèi)部的離子越多。CO2濃度越高，碳化速度越快。近海陸地上結(jié)構(gòu)表面的氯離子濃度隨著海水表層氯離子濃度和風(fēng)速的增大而增大，隨離海岸距離的增加而減小。氯離子的存在會對碳化速度產(chǎn)生影響[4]。在一定濃度條件下SO2-4濃度越大則構(gòu)件抗力衰減速率越大，當SO2-4離子濃度不同時，反應(yīng)機理發(fā)生變化，生成物也不同。

（4）風(fēng)與降水量

風(fēng)壓能夠加速氣體、水和侵蝕性介質(zhì)在混凝土內(nèi)部的擴散和滲透，目前對于各種侵蝕環(huán)境下的研究能夠完整考慮風(fēng)的影響的模型比較少見。相對濕度與降水的強度和頻率存在著一定的相關(guān)性[5]，通常降水豐沛的地區(qū)相對濕度也較大。

（5）環(huán)境pH值

隨著侵蝕溶液pH值的下降，混凝土的抗侵蝕能力下降。侵蝕溶液pH值的變化會使侵蝕反應(yīng)不斷變化，對pH值小于8.8的酸雨和城市污水，即使摻用超塑化劑和活性摻合料也難以避免混凝土遭受侵蝕。

三、結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境因素對其耐久性劣化具有決定性的作用，無論是實際環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)的考慮，還是耐久性的科學(xué)研究，均需要明確環(huán)境條件這個前提。本文指出了外部環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的合理性，綜合分析了環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

參考文獻：

[1] 馬文彬，李果.自然氣候條件下混凝土北部溫濕度相應(yīng)規(guī)律研究陰.混凝土與水泥制品，2007（2）：18-21.

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[3] 蔣清野.混凝土碳化數(shù)據(jù)庫與混凝土碳化分析[R].攀登計劃一鋼筋銹蝕與混凝土凍融破壞的預(yù)測模型1997年度研究報告，1997.

[4] 李林.客運專線高性能混凝土箱梁氯離子耦合作用下碳化壽命研究[D].北京，北京交通大學(xué)，2008.

[5] 秦琰琰，李柏，張沛源.降水的雷達反射率因子與大氣相對濕度的相關(guān)關(guān)系研究[J].大氣科學(xué)，Vo1.30 No.2，2006.