影响混凝土结构耐久性的因素
张阳+丁爽
（1.济南新世界阳光发展有限公司 250022；2.济南市城市道路桥梁管理处 250022）
摘 要：混凝土结构作为暴露在自然环境中的一种建筑物，在使用过程中不可避免的因受环境影响而性能下降。本文阐述了自然环境对考虑混凝土结构耐久性的合理性，从环境温度、环境相对湿度、侵蚀离子浓度、风与降水量及环境pH值等方面对影响混凝土结构耐久性失效的环境因素进行了分析，为后续研究奠定了基础。
关键词：混凝土，耐久性，环境因素
前言
混凝土结构耐久性是一个综合性的问题，受环境、材料、构件、结构四个层次多种因素的影响。结构在使用期间可能遇到各种暴露条件，混凝土结构的服役环境是影响其耐久性的最重要也是最直接的因素。由于结构所处环境的千差万别，混凝土结构的耐久性劣化也根据环境的不同表现出不同的侵蚀特征，如混凝土碳化、氯离子侵蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、碱集料反应以及其他物理、化学或生化作用等侵蚀破坏机理。
影响混凝土结构耐久性的环境因素包括环境气候条件与环境侵蚀介质两个方面，主要的影响因素包括温度、湿度、降水以及二氧化碳、氯盐、二氧化硫、硫酸盐、碳酸等。本文针对不同的环境因素综合考虑其对混凝土结构耐久性的影响，并最终确定需要考虑的环境因素。
一、环境与混凝土对环境作用的响应
外界环境因素对结构的影响是从表面开始并逐步向结构内部扩展的，环境温度、湿度对混凝土内部的影响过程其实是一个传热、传质的过程，自然环境指标和混凝土内微环境指标是不相同的[1]。结构性能的退化是受其内部微环境的直接影响。
基于以下三个方面的考虑，利用自然环境来考虑混凝土的耐久性对于混凝土结构的耐久性设计研究是合理的：
（1）不管外部环境条件的影响如何（温度、降水时段或降水时长等），或是混凝土对其响应的滞后性或一致性，从大的趋势上讲，在较长的时间段内（如寿命期），混凝土内的饱水度与外界环境的相对湿度是相对一致的。因此，相对湿度大或者降水丰沛的环境中，混凝土内的孔隙水饱和度也相应较高。
（2）对于环境温度和湿度，长期以来的研究都是把混凝土所处的周围环境气候条件作为混凝土内部的微气候条件来考虑的，大量研究根据外部环境参数，基于试验研究或现场检测等建立了一系列的经验模型，如大量的混凝土碳化深度预测模型和氯离子侵蚀深度预测模型。
（3）作为混凝土耐久性的环境影响因素，研究关心的是一个大的趋势，如劣化程度，而不着眼于影响指标——寿命、侵蚀深度等的精确预测。
二、环境因素对混凝土结构耐久性的影响
环境条件是混凝土结构耐久性环境区划工作中考虑的重点，其中，温湿度更是首先要考虑的部分。
（1）环境温度
碳化反应受温度影响较大，在CO2浓度和环境相对湿度相同的条件下，温度升高，碳化速度加快[2]。发生冻融循环时，温度越低，降温速度越快，一定时间内发生的冻融循环次数越多，则对结构的破坏越大。对于硫酸盐侵蚀环境，温度升高将导致SO2-4扩散速度提高，同時也能加快反应速度，但温度过高或温度过低将会影响水泥水化过程与硫酸盐的侵蚀机理。碱-集料反应中每一种反应性集料都有一个温度限值，在该温度以下，膨胀值随温度增高而增大，当超过该温度限值时，随温度升高反应膨胀值明显下降。温度对于混凝土渗透性具有双重影响，但总体上来，讲氯离子的扩散系数随温度的升高而增大。
（2）环境相对湿度
混凝土表面接触水分时，水可通过渗透和吸附使内部空隙水增加，相对湿度的交化决定了混凝土孔隙水饱和度的大小，相对湿度大或者降水丰沛的环境中，混凝土内的饱水度也相应较高。环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响，国内外碳化资料表明，碳化速度与相对湿度的关系呈抛物线状[3]，有研究认为导致混凝土碳化速度最快的相对湿度为65%。对于氯离子侵蚀条件，构件表面氯离子通过吸收、扩散、渗透等途径向混凝土内部传输的过程都需要孔隙水作为载体。混凝土的抗冻能力跟混凝土的饱水度和混凝土的临界饱水度有关，环境湿度较大的地区对混凝土的抗冻能力要求则较高。对于硫酸盐侵蚀环境，一般认为由于干湿循环产生了结晶压力，使混凝土膨胀开裂，硫酸盐的侵蚀速度加快。国外长期的对比研究表明，混凝土经过一年的干湿循环侵蚀破坏程度大致相当于8年的浸泡侵蚀破坏程度。湿度越大，碱.集料反应越严重，要阻止碱.集料反应，相对湿度必须低于50%。
（3）侵蚀离子浓度
离子的扩散是由浓度差引起的，混凝土表面相应离子的浓度越高，内外浓度差越大，则扩散至混凝土内部的离子越多。CO2浓度越高，碳化速度越快。近海陆地上结构表面的氯离子浓度随着海水表层氯离子浓度和风速的增大而增大，随离海岸距离的增加而减小。氯离子的存在会对碳化速度产生影响[4]。在一定浓度条件下SO2-4浓度越大则构件抗力衰减速率越大，当SO2-4离子浓度不同时，反应机理发生变化，生成物也不同。
（4）风与降水量
风压能够加速气体、水和侵蚀性介质在混凝土内部的扩散和渗透，目前对于各种侵蚀环境下的研究能够完整考虑风的影响的模型比较少见。相对湿度与降水的强度和频率存在着一定的相关性[5]，通常降水丰沛的地区相对湿度也较大。
（5）环境pH值
随着侵蚀溶液pH值的下降，混凝土的抗侵蚀能力下降。侵蚀溶液pH值的变化会使侵蚀反应不断变化，对pH值小于8.8的酸雨和城市污水，即使掺用超塑化剂和活性掺合料也难以避免混凝土遭受侵蚀。
三、结论
混凝土结构的环境因素对其耐久性劣化具有决定性的作用，无论是实际环境中的工程结构的考虑，还是耐久性的科学研究，均需要明确环境条件这个前提。本文指出了外部环境对混凝土结构耐久性研究的合理性，综合分析了环境因素对混凝土结构耐久性的影响。
参考文献：
[1] 马文彬，李果.自然气候条件下混凝土北部温湿度相应规律研究阴.混凝土与水泥制品，2007（2）：18-21.
[2] 徐道富.环境气候条件下混凝土碳化速度研究[J[.西部探矿工程，2005（10）147-149.
[3] 蒋清野.混凝土碳化数据库与混凝土碳化分析[R].攀登计划一钢筋锈蚀与混凝土冻融破坏的预测模型1997年度研究报告，1997.
[4] 李林.客运专线高性能混凝土箱梁氯离子耦合作用下碳化寿命研究[D].北京，北京交通大学，2008.
[5] 秦琰琰，李柏，张沛源.降水的雷达反射率因子与大气相对湿度的相关关系研究[J].大气科学，Vo1.30 No.2，2006.
