混凝土结构耐久性电化学方法--防护修复提升和控制(精)/混凝土结构耐久性学术丛书

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第1章 绪论
　　工程中的混凝土结构耐久性问题一直以来都是工程界和学术界关注的重点。本章就混凝土结构耐久性问题的重要性、成因、劣化阶段和解决方法做了简明扼要的阐述，介绍了传统的混凝土结构耐久性防护与修补方法；给出了传统耐久性的电化学技术和各种相关技术；由此引出本书的写作目的和具体安排。
　　1.1 问题的提出
　　1.1.1 耐久性问题的重要性
　　1824年，阿斯普丁发明了波特兰水泥(一般指硅酸盐水泥)，开始了人类应用混凝土建造建筑物的历史。1849年，钢筋混凝土的问世更是开创了混凝土在建筑结构应用中的新纪元。随着混凝土和钢筋材料性能的不断改善，以及结构理论和施工技术的进步，钢筋混凝土结构得到了飞速的发展，在工业和民用建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、海港等多个工程领域得到了广泛的应用。在中国，钢筋混凝土结构是所有结构形式中应用最多的，而且也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区。据国家统计局统计，2010年全国水泥产量为18.8亿 t，占世界总产量的70%左右，到2019年，水泥产量已达23.5亿t；钢筋产量也由2010年的1.4亿 t上升到2019年的2.5亿 t，10年时间上涨了79.9%，如图1-1所示。
　　图1-1 2010～2019年国内水泥和钢筋年产量
　　Figure 1-1 Total production of cement and steel bar in China from 2010 to 2019
　　随着混凝土结构的大量应用，混凝土结构的耐久性问题也越来越引起人们的重视。混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在环境作用和维修、使用条件下，结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力[1-1]。造成混凝土结构耐久性问题的因素有很多，包括结构自身的原因，如水泥、钢筋等材料的品质与质量，结构有关耐久性的设计，施工的质量等；也包括环境因素，如碳化、腐蚀(氯盐侵蚀)、冻融、碱骨料反应等。造成混凝土结构耐久性的经济损失也是巨大的。据相关数据统计，在美国，1975年总腐蚀损失为700亿美元，其中与钢筋腐蚀有关的占40%；1995年，总腐蚀损失达到3000亿美元，2000年为4400亿美元[1-1]。在英国，30年来的年平均腐蚀损失占全国 GDP的3.5%。英国政府每年在海洋环境对混凝土结构侵蚀破坏问题上投入约20亿英镑。在日本，每年因房屋维修就需要花费400亿日元，其中约21.4%的损失是由钢筋腐蚀导致的。在加拿大，所有桥梁的维修费统计至2005年已达到5000亿美元[1-2]。在我国，1999年全年因腐蚀引起的经济损失就多达1800亿～3600亿元人民币，而钢筋锈蚀所引起的约占40%，损失为720亿～1440亿元人民币。2000年我国公路普查[1-2]，发现有公路危桥9597座，受损路段达到了323451每延米，每年公路桥梁需要维修费用高达38亿元，有6137座铁路桥梁存在不同程度的劣化损害，占铁路桥梁总数的18.8%。2004年《中国腐蚀调查报告》表明，每年建筑腐蚀造成的直接损失约1000亿元，其中氯盐环境的腐蚀占主要部分。“我国腐蚀状况及控制战略研究”阶段性研究成果[1-3]表明，2014年我国腐蚀总成本超过2.1万亿元人民币，约占当年 GDP的3.34%。
　　国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，那么就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元，混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元，严重破坏时采取措施将追加125美元[1-4]。五倍定律不仅说明了耐久性问题造成的损失之大，更强调了耐久性问题应当尽早解决。对于新建的工程项目，应根据其所处的环境，充分考虑在设计使用年限内可能受到的碳化、氯盐侵蚀、冻融等耐久性问题，做好相应的耐久性设计；对既有的混凝土结构建筑，可以采用科学的方法进行耐久性评定和剩余寿命预测，选择正确的处理方法。这将对混凝土结构耐久性理论和工程应用的发展产生积极的影响，具有重要的理论价值和现实的应用意义。
　　1.1.2 耐久性问题的成因
　　混凝土结构耐久性问题的成因有许多，发生腐蚀破坏类型及造成的因素主要包括混凝土腐蚀、碱骨料腐蚀和钢筋腐蚀等，如图1-2所示。
　　图1-2 混凝土结构耐久性腐蚀类型及因素
　　Figure 1-2 Types and factors of corrosion of reinforced concrete structural durability
　　1.混凝土的腐蚀
　　环境中含有CO2等侵蚀性介质，而混凝土的多孔性，决定了它容易被有害气体和溶于水中的有害离子渗入。当混凝土孔隙系统被有害离子侵入时，这些离子就会与混凝土水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，这些产物或者溶于水，导致混凝土材料的损失和削弱；或者产生体积膨胀，使混凝土成为一种易碎的，甚至松散的状态；同时，有些次生产物如钙矾石在生成过程中体积膨胀，含量少时可增进混凝土的密实性，不会产生很大的影响，但如果含量很高，则会造成混凝土的膨胀开裂。
　　2.碱骨料反应
　　碱骨料反应(AAR)是指来自混凝土原材料中的水泥或环境中的碱性物质(Na2O或 K2O等)与骨料中碱活性矿物成分发生化学反应，造成混凝土体积膨胀，甚至开裂。由于骨料的广泛分布，混凝土一旦发生碱骨料反应，破坏将是整体性的。混凝土因碱骨料反应产生的裂缝，同样有利于氯离子和氧侵入内部，加速钢筋锈蚀破坏，进而导致混凝土工程使用寿命显著缩短，严重的可使混凝土完全丧失使用功能。
　　3.冻融破坏
　　冻融破坏是当今世界混凝土破坏的最主要原因之一。它是指混凝土凝固硬化后微孔隙中的游离水，在温度正负交替下，形成膨胀压力及渗透压力联合作用的疲劳应力，使混凝土产生由表及里的剥蚀破坏，并导致混凝土力学性能降低的现象。混凝土发生冻融破坏的必要条件有两个：一是有水渗入使其处于高饱和状态；二是温度正负交替。因此，不难理解混凝土冻融破坏经常发生于寒冷地区的各种海工、水工建筑物；另外，厂房、桥梁和路面等时常接触雨水、蒸汽作用的部分也会受到冻害。混凝土的冻融破坏是寒冷地区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，为使这些工程继续发挥作用和效益，各部门每年都耗费巨额的维修费用，而这些维修费用为建设费用的1～3倍。
　　4.钢筋腐蚀
　　通常情况下，混凝土内部pH一般大于12.5。在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部与混凝土材料中的碱性物质发生中和反应时，就会导致混凝土的pH降低。当混凝土完全碳化后，就出现pH＜9的情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜就会逐渐失效；在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。另外，氯盐污染环境下的钢筋混凝土结构物，造成钢筋活化腐蚀、结构物破坏的主要因素是氯离子。当混凝土与含有氯离子的介质接触时，氯离子会透过混凝土毛细孔到达钢筋表面；由于氯离子具有极强的穿透能力，当钢筋周围的混凝土液相中的氯离子含量达到临界值时，钢筋钝化膜就会发生局部破坏而使钢筋活化，从而为钢筋的腐蚀提供了动力学条件。一般认为，此临界值受混凝土成分、组织与外界环境因素的影响。
　　钢筋腐蚀后，导致混凝土结构性能的劣化和破坏，其主要表现为：钢筋的腐蚀导致钢筋截面积的减少，从而使得钢筋的力学性能下降。大量的试验研究表明，钢筋腐蚀损失1.2%、2.4%和5%时，钢筋混凝土板的承载能力分别下降了8%、17%和25%；钢筋腐蚀损失达60%时，构件承载能力降低到与未配筋构件相近；钢筋腐蚀会导致钢筋和混凝土之间的结合强度下降，从而不能把钢筋所受的拉伸强度有效传递给混凝土。混凝土保护层的破坏一般表现为顺筋开裂、空鼓和层裂。混凝土保护层破坏后，一方面使钢筋与混凝土界面结合强度迅速下降甚至完全丧失，另一方面环境中氯离子、二氧化碳及参加腐蚀反应的氧气、水等介质会长驱直入，钢筋腐蚀速率就大大加快，结构物迅速破坏乃至丧失功能。
　　1.1.3 耐久性的劣化阶段
　　在影响混凝土结构耐久性能衰减的众多因素中，钢筋锈蚀是导致混凝土结构性能退化的最主要原因[1-5，1-6]。从结构全寿命周期的角度来看，结构性能变化可分为五个阶段，都与混凝土结构耐久性密切关联，如图1-3所示。其中，t0为结构建成时刻；t1为钢筋脱钝时刻；t2为混凝土表面开裂时刻；t3为裂缝开展宽度达到限定裂宽所对应时刻；t4为结构达到承载能力极限所对应的时刻；tR为修复时刻；PIenhance、PIdesign、PIcracking、PIservice、PIsafety分别为修复后性能、设计性能、出现开裂时性能、适用性极限性能、安全性极限性能。
　　图1-3 钢筋锈蚀、结构性能随时间变化的关系
　　Figure 1-3 Relationship between steel corrosion and structural property with time
　　1.0～t0阶段的结构建造期
　　结性能主要受设计、施工质量等众多不确定的因素控制。目前主要采用高性能混凝土配合比设计、环氧涂层钢筋、耐蚀钢筋、阴极保护装置以及良好施工质量控制等使