水工混凝土耐久性影響因素分析及防治措施

陳雯龍

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊 830000）

1 前言

混凝土由于具有原料簡單、易澆筑成型，適應(yīng)性強(qiáng)、性價比高、綜合能耗低的優(yōu)點(diǎn)，在水利工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，是水利工程建設(shè)中用途最為廣泛的一種建筑材料。在混凝土應(yīng)用的初期，人們一直認(rèn)為混凝土是非常耐久的材料，對混凝土耐久性缺乏足夠的認(rèn)識。但隨著混凝土在工程建設(shè)中的大量使用，逐漸發(fā)現(xiàn)在一些環(huán)境中混凝土過早發(fā)生損壞，后期維修費(fèi)用大，工程達(dá)不到設(shè)計要求的使用年限，甚至有些工程不得不提前拆除重建，給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。據(jù)資料統(tǒng)計：我國早期建設(shè)的一些處于惡劣環(huán)境的水利工程，工程使用不到15～20年混凝土就發(fā)生凍脹和侵蝕性破壞，需花費(fèi)大量的人力和物力進(jìn)行維修，以保證工程的安全運(yùn)行；特別是一些海港碼頭，由于海水的侵蝕破壞，一般在10年就造成混凝土表層脫落、鋼筋銹蝕，需大修。水利工程由于其所處環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，對混凝土耐久性要求更高，因此提高混凝土的耐久性、延長工程使用壽命，減少工程維修費(fèi)用是水利工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 混凝土耐久性的技術(shù)指標(biāo)

混凝土耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境和及材料內(nèi)部因素的作用下，在設(shè)計要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)巨大資金對其加固和處理以保證其安全、使用功能和外觀要求的能力。它是混凝土的一個綜合性指標(biāo)，主要包括抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性、抗腐蝕性、抗堿骨料反應(yīng)等性能，它是混凝土結(jié)構(gòu)的基本功能之一，也是混凝土安全性。適用性、耐久性三個環(huán)節(jié)中比較薄弱的一個環(huán)節(jié)，它的好壞將直接影響到工程的使用壽命。

3 影響混凝土耐久性的主要因素

3.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土在自然環(huán)境中，空氣和水中的CO2氣滲透到混凝土內(nèi)，與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)為：Ca（OH）2＋CO2＝CaCO3＋H2O。由于碳化后混凝土的堿度降低，使混凝土空隙中存在飽和氫氧化鈣堿性介質(zhì)在鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4（稱為鈍化膜）對鋼筋保護(hù)作用逐漸降低，當(dāng)碳化超過混凝土的保護(hù)層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，造成鋼筋銹蝕破壞；另外混凝土碳化還會加劇混凝土收縮，使混凝土產(chǎn)生裂縫，從而造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

3.2 混凝土的凍融

混凝土的凍融破壞必須滿足以下兩個條件：一是混凝土處于飽水狀態(tài)，二是外界氣溫正負(fù)變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)。吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成。一是當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力；二是當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的遷移和重分布引起的滲管壓，由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。另外凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當(dāng)混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，最后甚至完全喪失。

3.3 混凝土的化學(xué)侵蝕

水利工程由于其所處自然環(huán)境的復(fù)雜性，經(jīng)常受到侵蝕介質(zhì)的作用，引起水泥石發(fā)生一系列化學(xué)和物理反應(yīng)，使混凝土逐步受到侵蝕，嚴(yán)重時造成水泥石強(qiáng)度降低，甚至破壞。常見的化學(xué)腐蝕主要有軟水侵蝕、碳酸腐蝕、硫酸鹽腐蝕、鎂鹽腐蝕等。軟水侵蝕是指混凝土在軟水環(huán)境中，混凝土中的Ca（OH）2在水流及壓力水流的作用下，不斷溶解流失，造成混凝土空隙增加，強(qiáng)度降低，引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞；碳酸腐蝕是指混凝土所處環(huán)境水中CO2含量較高時，在水流及壓力水流的作用下，混凝土碳化后形成的CaCO3與含碳酸的水反應(yīng)形成可溶性Ca（HCO3）2不斷溶解流失，形成碳酸腐蝕，造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞；硫酸鹽腐蝕是指建筑物基礎(chǔ)地層中或地下水中的的SO42－與水泥石的固態(tài)水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化硫鋁酸鈣，造成水泥石體積膨脹而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞；鎂鹽腐蝕是指地下水中的的 Mg2＋與水泥石中的Ca（OH）2反應(yīng)生成松軟和無膠結(jié)能力的氫氧化鎂，降低了混凝土密度，造成混凝土強(qiáng)度的破壞。

3.4 混凝土的堿——骨料反應(yīng)

混凝土的堿－骨料反應(yīng)是指混凝土空隙中的堿溶液與混凝土骨料中活性礦物質(zhì)在水環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)，造成混凝土發(fā)生體積膨脹、開裂、甚至破壞。其危害作用很難根治，被譽(yù)為 “混凝土癌癥”。

堿性物質(zhì)主要來自水泥熟料，骨料中活性礦物質(zhì)主要是活性SiO2、硅酸鹽、碳酸鹽等。

混凝土的堿－骨料反應(yīng)主要有三種型式：一是堿－硅反應(yīng)，二是堿－硅酸鹽反應(yīng)，三是堿－碳酸鹽反應(yīng)。其中最為常見的是堿－硅反應(yīng)，當(dāng)水泥熟料中的堿性物質(zhì)含量較高時，同時使用了含有活性SiO2、的粗骨料，水泥中堿性物質(zhì)水化后形成的氫氧化鈉和氫氧化鉀與骨料中的活性SiO2、發(fā)生反應(yīng)，在骨料表面形成復(fù)雜的堿－硅酸凝膠體，該凝膠體具有吸水后體積無限膨脹的特點(diǎn)，在潮濕環(huán)境中，不斷膨脹的凝膠體將引起混凝土的膨脹、開裂、最終引起混凝土自身結(jié)構(gòu)的破壞。

3.5 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響水工鋼筋混凝土耐久性的重要因素，造成鋼筋銹蝕的主要原因是當(dāng)混凝土碳化至鋼筋表面和混凝土開裂時，鋼筋失去了堿性混凝土的保護(hù)，鈍化膜對鋼筋的保護(hù)作用逐漸減小甚至消失，鋼筋表面成活化狀態(tài)，在水、氧和CL－作用下，在混凝土裂縫處，首先出現(xiàn)鋼筋坑蝕，進(jìn)而發(fā)展為鋼筋環(huán)向銹蝕，最終沿鋼筋縱向形成片狀銹蝕，由于氫氧化鐵 （鐵銹）體積比原金屬體積膨脹2～4倍，片狀銹蝕體積膨脹造成沿鋼筋布置方向產(chǎn)生混凝土保護(hù)層裂縫，同時由于鋼筋銹蝕造成鋼筋有效截面積的減少，影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用功能，進(jìn)而造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

4 提高混凝土耐久性的主要措施

提高混凝土耐久性就是要提高混凝土的抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性、抗腐蝕性以及防止混凝土的堿－骨料反應(yīng)和鋼筋銹蝕。由于混凝土是由水泥、水和骨料經(jīng)攪拌、澆筑和硬化過程的一種水硬性建筑材料，水泥石在硬化過程，為保證其施工工作性，拌和水量偏大，水灰比偏高，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的空隙占水泥石體積的25%～40%，其中毛細(xì)孔占大部分，這些空隙是水分、侵蝕介質(zhì)和其他有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，是造成混凝土耐久性不足的主要原因；其次由于水泥石中的水化物穩(wěn)定性差，特別是含堿量較高的水泥，在水化物中存在大量的游離石灰，其強(qiáng)度極低，穩(wěn)定性極差，在侵蝕介質(zhì)的作用下，容易造成水泥石的破壞。因此為提高混凝土的耐久性，需從材料選擇、工程設(shè)計和工程施工等方面采取措施，具體措施如下：

4.1 合理選擇原材料

水泥作為混凝土的膠結(jié)材料，其物質(zhì)組成和特性直接影響到混凝土的耐久性，水泥品種的選擇應(yīng)根據(jù)水工建筑物所處工程環(huán)境和使用部位，選擇含堿量小、水化熱低、干縮性小、抗熱性、抗?jié)B性、抗凍性、抗腐蝕性性能好的水泥。對于處于干燥環(huán)境中的混凝土，不宜使用火山灰水泥；對具有抗凍要求的混凝土，應(yīng)優(yōu)先使用普通水泥，不宜使用火山灰水泥；對具有抗?jié)B要求的混凝土，不宜使用礦渣水泥；對大體積混凝土，為減少由于水化熱過高引起的混凝土裂縫，造成的混凝土中空隙增加，降低其耐久性，應(yīng)優(yōu)先使用低熱水泥，如粉煤灰水泥和礦渣水泥；對于處于受侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中的混凝土，應(yīng)根據(jù)侵蝕介質(zhì)類型、濃度，采用專門的特種水泥，如為防止SO42－離子的腐蝕，可采用抗硫酸鹽水泥。

為保證混凝土的強(qiáng)度要求，骨料必須選擇質(zhì)地致密，具有足夠強(qiáng)度的混凝土骨料，尤其是混凝土粗骨料，應(yīng)控制骨料中有害物質(zhì)的含量。骨料的選擇應(yīng)考慮骨料的堿活性，防止堿－骨料反應(yīng)對混凝土的破壞。為提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性，盡量選擇具有抗蝕性能好，吸水性能差的骨料，選擇合理的級配，提高混凝土拌和物的和易性，提高混凝土的密實(shí)度，以提高耐久性。

混凝土拌和用水量和水灰比直接影響到混凝土的強(qiáng)度，拌和用水應(yīng)控制水質(zhì)和水量，應(yīng)對拌和用水進(jìn)行水質(zhì)化驗，檢測水中SO42－離子、Mg2＋離子、CL－離子的含量，防止上述有害物質(zhì)對水泥石和鋼筋的侵蝕。

4.2 摻用高效減水劑和引氣劑

減水劑又稱水泥分散劑，是一種表面活性物質(zhì)。水泥加水拌和后，由于顆粒間分子的作用，產(chǎn)生許多絮狀物，形成一種凝聚結(jié)構(gòu)，其中包含了一部分拌和水。當(dāng)加入減水劑后，這些表面活性劑定向吸附在水泥顆粒表面，加大了水泥顆粒間的靜電排斥力，使水泥顆粒相互分散，并破壞了其凝聚結(jié)構(gòu)，使凝聚體包裹的游離水被釋放出來，增加了混合物的流動性。因此高效減水劑的使用可減少拌和用水量，降低水灰比，減少了水泥石中細(xì)微空隙的數(shù)量，提高了混凝土的密實(shí)度，從而提高了混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性。研究資料表明，在水泥用量不變的情況下，可節(jié)約拌和水量10%～15%，混凝土強(qiáng)度提高15%～20%。

引氣劑是一種憎水性表面活性劑，溶于水，加入混凝土拌和物中，在攪拌過程中產(chǎn)生大量的微小氣泡，提高混凝土的和易性，阻斷混凝土內(nèi)部微小空隙的通道，提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性。

研究資料表明，在水泥用量不變的情況下，可節(jié)約拌和水量8%左右，抗凍性大幅提高。另外由于氣泡的存在，減少了結(jié)構(gòu)斷面的有效面積，使提高混凝土強(qiáng)度有所降低。目前多采用引氣性高效減水劑，即提高了混凝土抗?jié)B性、抗凍性，又減少拌和用水量，又使混凝土強(qiáng)度有所提高。

4.3 預(yù)防鋼筋銹蝕

對水工鋼筋混凝土常采用以下處理預(yù)防處理措施：一是在混凝土表面涂沫保護(hù)隔離層，將混凝土內(nèi)部可能的滲漏通道封閉起來，防止周圍環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)通過混凝土內(nèi)部的細(xì)微空隙滲透進(jìn)去引起鋼筋銹蝕。常采用環(huán)氧基液涂層、乳化瀝青涂層等；二是涂層鋼筋，將鋼筋保護(hù)起來。常用的方法是環(huán)氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環(huán)氧樹脂粉末在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹脂防腐保護(hù)層，可長期保護(hù)鋼筋免遭侵蝕性介質(zhì)的腐蝕；三是積極研究開發(fā)新產(chǎn)品，采用耐銹鋼筋、阻銹鋼筋等。

4.4 采用高性能混凝土

普通混凝土水泥石中水化物穩(wěn)定性不足，是影響混凝土耐久性的重要因素。高性能混凝土就是在普通混凝土中摻入高效活性礦物摻料，以改變水泥石中膠凝材料的組成。高效活性礦物摻料 （粉煤灰、礦粉和硅粉）中含有的大量活性SiO2和活性AL2O3能與水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰和高堿水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿水化硅酸鈣，達(dá)到消除游離石灰的目的。另外由于有些超細(xì)礦粉顆粒平均粒徑小于水泥顆粒的平均粒徑，它可充填到水泥石的空隙當(dāng)中，堵塞水泥石中可能的滲漏通道，使水泥石更加密實(shí)。因此采用高性能混凝土可有效提高混凝土的耐久性。

4.5 混凝土設(shè)計中考慮的保護(hù)措施

工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境設(shè)計相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度，以防止外界介質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部腐蝕鋼筋。對容易產(chǎn)生破壞的部位，可根據(jù)規(guī)范要求，加大混凝土保護(hù)層厚度；混凝土結(jié)構(gòu)宜盡量采用整體澆筑，少留施工縫，如預(yù)留施工縫，其結(jié)構(gòu)型式和位置不應(yīng)損害混凝土耐久性要求；另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土裂縫開展寬度，防止裂縫開展寬度過寬導(dǎo)致鋼筋腐蝕，影響混凝土耐久性。

4.6 混凝土施工中考慮的保護(hù)措施

（1）混凝土施工中應(yīng)采用兩次攪拌法、裹砂法等拌制混凝土，保證混凝土的均勻性；

（2）應(yīng)根據(jù)工地現(xiàn)場的氣候條件，嚴(yán)格控制混凝土配合比，提高混凝土拌和物的和易性，提高混凝土的強(qiáng)度，減少拌和用水量；

（3）另外應(yīng)嚴(yán)格遵守混凝土的振搗制度，防止過振和漏振造成的混凝土不密實(shí)。

由于混凝土的破壞由表面開始，因此在混凝土終凝前采用原漿抹面壓光，提高混凝土密實(shí)度，降低混凝土表面的滲透性。

5 結(jié)語

提高混凝土耐久性是一個綜合性問題，涉及環(huán)境、材料、設(shè)計、施工等諸多因素。只有正確進(jìn)行工程設(shè)計，合理利用材料，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量以及必要的工程管理和維護(hù)，才能保證混凝土耐久性。

1 周謙 .關(guān)于混凝土耐久性問題的探討 .土工基礎(chǔ)，2005年10月，第19卷第5期

2 陳改新 .混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢 .中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2009年6月，第7卷第2期

3 王雪，隋云勝，劉秀華 .提高混凝土耐久性的措施 上海建材2003年第3期