2.3 內(nèi)部物質(zhì)膨脹因素

內(nèi)部物質(zhì)膨脹因素包括堿-骨料反應(yīng)、凍融及鋼筋銹蝕。

2.3.1 堿-骨料反應(yīng)

1.堿-骨料反應(yīng)機理

堿-骨料反應(yīng)是指混凝土中的堿（包括外界滲入的堿）與骨料中的活性礦物成分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，會導(dǎo)致混凝土膨脹開裂等現(xiàn)象的發(fā)生。

堿-骨料反應(yīng)機理如下：

1）水泥與水化學(xué)反應(yīng)后形成的水泥石中含有堿性物質(zhì)氫氧化鈣。

2）氫氧化鈣與砂子中的二氧化硅（SiO₂）、微晶白云石、變形石英反應(yīng)，生成堿性溶液（KOH和NaOH）。

3）堿性溶液與骨料中的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成膠凝體。

4）膠凝體吸水后體積會膨脹，達到原體積的3倍，從而對其周圍的混凝土形成壓力，當(dāng)膨脹壓力足夠大時，膠凝體周圍的混凝土將會被脹裂。

2.堿-骨料反應(yīng)類型

堿-骨料反應(yīng)有兩種類型：堿-硅型和堿-碳型，即堿硅酸反應(yīng)和堿碳酸反應(yīng)。

（1）堿-硅酸反應(yīng) 堿-硅酸反應(yīng)是堿與具有活性的二氧化硅SiO₂（微晶氧化硅）反應(yīng)生成硅膠體。含有活性二氧化硅的骨料包括：蛋白石、黑硅石、燧石、鱗石英、玻璃質(zhì)火山巖、玉髓及微晶或變質(zhì)石英、黏土質(zhì)等。

（2）堿-碳酸反應(yīng) 堿-碳酸反應(yīng)是指堿與碳酸鹽骨料中的活性白云石晶體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅膠體的過程。

含有活性碳酸鹽的骨料包括：白云質(zhì)類石灰?guī)r、黏土質(zhì)頁巖、白云石質(zhì)、石灰石和含有方解石和黏土的細粒等。

2.3.2 凍融

把瓶子里裝滿水放在冰柜里凍，瓶子會脹裂，因為水結(jié)冰后體積增加9%，在封閉空間里會形成對周圍約束體的壓力。

混凝土凍融破壞的根本原因是混凝土孔隙里的水凍結(jié)膨脹，早期凍融破壞理論是：當(dāng)混凝土孔隙內(nèi)溶液體積大于孔隙容積91%時，就開始出現(xiàn)凍脹壓力。

但由于混凝土內(nèi)部分布著諸多大大小小的孔隙，許多孔隙是相通的，不是全封閉空間，裂縫形成機理比瓶子凍脹開裂更復(fù)雜一些。準確地說，凍融裂縫是靜水壓力和滲透壓力聯(lián)合反復(fù)作用的結(jié)果。

（1）靜水壓力 混凝土內(nèi)的水結(jié)冰膨脹，會擠壓毛細孔中未結(jié)冰的水向外遷移，如此產(chǎn)生靜水壓力，作用于水泥石孔壁上，反復(fù)作用后導(dǎo)致孔壁破壞。另外，骨料，特別是大顆粒骨料內(nèi)的水結(jié)冰膨脹時，也會擠出尚未結(jié)冰的水，形成靜水壓力。

（2）滲透壓力 混凝土孔隙內(nèi)含有弱堿溶液，隨著溫度下降，大孔先結(jié)冰，孔內(nèi)尚未結(jié)冰的水溶液的堿濃度提高，與毛細孔等小孔還未開始結(jié)冰（即堿濃度未提高）的水溶液形成濃度差，如此，形成了堿離子和水分子的相向運動，即大孔的堿離子向堿濃度小的小孔運動，小孔的水分子向堿濃度高的大孔運動，水分子和堿離子的滲透阻力和速率不同，水滲透得更快更多，大孔中水增加，滲透壓力產(chǎn)生。

在靜水壓力和滲透壓力聯(lián)合作用下，混凝土開始出現(xiàn)細微裂縫。隨著多次凍融反復(fù)作用，裂縫由細變寬、由短變長、由各自獨立變成互相連通，如此疲勞作用，最終形成凍融破壞。

影響混凝土凍融性能的混凝土孔隙包括：

1）毛細孔，約占混凝土體積的10%~15%。

2）水化反應(yīng)后多余水分蒸發(fā)時留下的孔隙。

3）混凝土攪拌、振搗過程中形成的氣孔。

4）混凝土振搗泌水形成的孔隙。

5）振搗不好導(dǎo)致的蜂窩。

6）混凝土各種收縮裂縫。

7）混凝土各種膨脹裂縫，如堿-骨料反應(yīng)裂縫等。

毛細孔是凍融破壞的主要發(fā)生點，是“作案”現(xiàn)場；而2）~7）的孔隙和裂縫使混凝土滲水，是凍融破壞的最重要因素——水——的通道。

凍融裂縫發(fā)生在潮濕和凍融交替頻繁的環(huán)境中。有的建筑在向陽面反而發(fā)生凍融破壞，而更冷的背陰面卻沒有問題。

最容易發(fā)生凍融破壞的部位是混凝土構(gòu)件邊角部位、積雪積冰積水部位和水位變化區(qū)域。

混凝土孔隙越少，抗凍融性越好。混凝土毛細孔之外的孔隙和裂縫的多少與混凝土質(zhì)量有直接關(guān)系。降低水灰比，摻加減水劑和粉煤灰，提高密實度、養(yǎng)護好是提高混凝土抗凍融性的主要措施。

構(gòu)件和構(gòu)造設(shè)計中，應(yīng)對積雪積冰積水的部位設(shè)計好通暢的排水構(gòu)造和防水構(gòu)造，并盡可能避免小斷面的凸出構(gòu)造和尖角。

2.3.3 鋼筋銹蝕因素

鋼筋因氧化銹蝕生成鐵銹，體積會膨脹2~4倍，如此會使鋼筋保護層脹裂。從鋼筋與混凝土的界面處裂開，由里及外，導(dǎo)致保護層脫落。

導(dǎo)致混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的原因包括：碳化作用、氯鹽作用、保護層過薄、保護層混凝土不密實及其他原因裂縫等。

1.碳化

混凝土碳化機理在本章2.2.6節(jié)已經(jīng)介紹了。碳化會導(dǎo)致混凝土收縮，更重要的是，碳化會降低混凝土堿性，破壞鋼筋鈍化膜，使鋼筋容易銹蝕。

水泥是高堿性物質(zhì)，水化反應(yīng)后在鋼筋表面生成鈍化膜，保護鋼筋不銹蝕。但鈍化膜必須在高堿性環(huán)境中才會穩(wěn)定，當(dāng)pH值小于11.5時就開始不穩(wěn)定了，當(dāng)pH值小于8.5時，已經(jīng)生成的鈍化膜會逐漸破壞，鋼筋銹蝕就會展開。

2.氯鹽

氯離子對鋼筋鈍化膜具有很強的破壞性，是最危險的侵蝕介質(zhì)。侵入混凝土內(nèi)部的氯離子會依附在鋼筋鈍化膜處，使該處pH降到4以下，并在腐蝕處與未腐蝕鋼筋之間形成電位差，即腐蝕電池作用，加劇腐蝕。氯離子還會加速陽性極化作用（即去極化作用），提高導(dǎo)電性，加劇腐蝕。

本書彩插圖C-14就是海邊混凝土柱因氯離子侵入導(dǎo)致嚴重銹蝕，把整個混凝土保護層都脹裂脫落的實例，可見氯鹽侵蝕的危害性。

氯離子源于混凝土內(nèi)部或外部。混凝土內(nèi)部的氯離子與骨料和水有關(guān)，如使用海砂或氯離子含量高的水等。外部鹽的侵蝕主要是鹽堿地區(qū)的土壤侵蝕混凝土基礎(chǔ)或海風(fēng)海浪侵蝕混凝土所致。

3.鋼筋保護層過薄

鋼筋保護層過薄（小于設(shè)計規(guī)定的保護層厚度）縮短了碳化路徑，使水分容易滲入，與鋼筋發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

4.保護層不密實

鋼筋保護層混凝土不密實使得二氧化碳和水分容易滲入，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

5.其他原因形成的裂縫

各種收縮裂縫、膨脹裂縫和荷載作用形成的裂縫都可能成為進水通道，導(dǎo)致鋼筋銹蝕脹裂。