一、現有的案例
說到混凝土的壽命,不得不提到羅馬的萬神廟了。
以下信息摘自百度百科(圖片來自網絡,侵删):
古羅馬城中心供奉衆神的廟宇,建于公元120~124年間,古羅馬建築的代表作之一。
萬神廟平面為圓形,上覆穹頂。這個古代世界最大的穹頂直徑 43.3米,正中有直徑 8.92米的圓洞。基礎、牆和穹頂都用火山灰水泥制成的混凝土澆築。作為骨料的石塊,在下面的硬而重,在上面的軟而輕。穹頂上部混凝土的比重隻有基礎比重的三分之二。基礎底寬7.30米,牆和穹頂底部厚6米,穹頂頂部厚1.50米。穹頂内表面作凹格以減輕重量,共5排,每排28個。牆上除大門外有7個凹室,也能起減少施工量的作用。牆裡和穹頂裡都有磚券,結構作用不明顯,可能出于施工需要。
二、混凝土的耐久性
以下主要從鋼筋混凝土的角度論述。
要延長混凝土結構的使用壽命,其實就是提高混凝土結構的耐久性。影響混凝土結構耐久性的因素主要有:(1)混凝土材料;(2)保護層厚度;(3)裂縫;
根據《混凝土結構耐久性規範》,混凝土結構在設計時首先應考慮工作環境,具體可按下表劃分:
然後根據混凝土的環境、需要正常使用的年限,确定混凝土材料、保護層厚度、裂縫控制等級。
1、混凝土材料
混凝土的材料主要是指針對不同的工作環境,選擇不同的水泥、添加劑、摻料,以達到相應的功能。例如,摻料采用粉煤灰,可以提高混凝土的抗滲性能,這在很多水工結構及橋墩結構中得到應用。
另外最重要的就是選擇合适的水泥,下表即為不同種類水泥的适用情況:
2、保護層厚度
影響混凝土耐久性的幾個化學反應主要涉及以下三個概念:氯離子侵蝕、碳化、堿骨料反應。
2.1 氯離子侵蝕
氯離子主要存在于海洋環境,另外就是非法使用海砂。另外還有一種常識性的做法也會對混凝土産生氯離子侵蝕,就是為了化冰而在路面、橋面撒鹽。
通常情況下,混凝土内部含有大量氫氧根離子,是呈堿性的,會在鋼筋表面形成鈍化膜。但由于氯離子侵入,導緻氫氧根離子減少,使混凝土的PH值降低,破壞鋼筋表面的鈍化膜。因為鈍化膜的破壞不均勻,在鋼筋表面形成電位差,引起鋼筋鏽蝕。
2.2 碳化
混凝土是利用水泥水化反應與粗細骨料(砂石)膠結形成抗壓性能優越的固體材料。由于水化反應是一個漫長的過程,因此内部長期處于堿性狀态,對鋼筋具有保護作用(見1.1節)。碳化反應與氯離子侵蝕的情況類似,空氣中存在的二氧化碳與混凝土中的氫氧根離子中和,破壞鋼筋的鈍化膜。(注:碳化有利的一面是提高混凝土表面的強度)
混凝土碳化深度可以采用酚酞試劑測試,若表面已經碳化,則酚酞試劑不會變色,可以根據不變色的區域來測定碳化深度。
2.3 堿-骨料反應
堿-骨料反應是指水泥中的堿性氧化物含量較高時,會與骨料中所含的二氧化矽發生化學反應 ,并在骨料表面生成堿-矽酸凝膠,吸水後會産生較大的體積膨脹,導緻混凝土脹裂現象。因此要嚴格控制水泥、外加劑等成分中的堿含量。
2.4 控制保護層厚度
保護層即最外側鋼筋至混凝土結構表面的距離。在無法改變外界環境的情況下(無法避免與氯離子或二氧化碳接觸),增加保護層厚度可以有效地延長氯離子和碳化侵入至鋼筋表面的時間,這一點可以從《混凝土結構設計規範》控制不同使用年限混凝土結構保護層厚度上看出。環境越差,使用年限越長,保護層就越厚。
2.4 裂縫
混凝土一旦出現裂縫,則氯離子和二氧化碳可以直接與鋼筋接觸,空氣中的氧氣和水分也可以直接到達鋼筋表面,使鋼筋迅速生鏽。因此混凝土結構的裂縫控制 尤為重要。通常考慮裂縫時,混凝土結構的截面和鋼筋都是受裂縫寬度這個因素控制。
目前已經有人在研究可自愈的混凝土,混凝土中含有一種特殊的菌類,一旦混凝土開裂,水分進入後這些菌就會被激活,填充裂縫部位。我認為這個對提高混凝土耐久性具有很好的作用。
時間比較倉促,就寫這麼多吧。
19.12.06補充
圖片文字翻譯:古羅馬混凝土由一種能夠抵抗微裂紋的火山灰砂漿将粗糙的火山凝灰岩和磚塊粘接在一起形成的,這是混凝土長壽和耐久的關鍵。
圖片是采集自羅馬圖拉真集市1900年以前的混凝土樣本,加州大學伯克利分校和康奈爾大學都有團隊在研究。
至于有人說什麼金字塔啊萬神廟啊各種古代建築都是騙局,我表示反對。當然,對現有曆史遺迹的修複和保護是無可厚非的。不過還是得欽佩古人的智慧!
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