混凝土組成材料對(duì)混凝土耐久性的影響

高 飛（常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德415000）

混凝土的強(qiáng)度和耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)施工中往往把混凝土的抗壓強(qiáng)度作為主要技術(shù)指標(biāo)而對(duì)混凝土的耐久性重視不夠[1]。

混凝土是各類建筑工程中用途最廣，用量最大的建筑材料之一。如果混凝土工程耐久性不足，在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)造成結(jié)構(gòu)不同程度的損壞，并因此對(duì)未來社會(huì)造成極為沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)美國(guó)一項(xiàng)調(diào)查顯示，美國(guó)的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程總價(jià)值約為6萬美元，每年所需維修費(fèi)或重建費(fèi)用約3千億美元。美國(guó)對(duì)二戰(zhàn)前后修建的混凝土工程，在使用30～50年后進(jìn)行加固維修所投入的費(fèi)用，約占建設(shè)總投資的40%～50%以上[2]。中國(guó)50～60年代所建設(shè)的混凝土工程已使用40余年，如果我國(guó)混凝土工程的平均壽命30～50年計(jì)，在今后的10～30年內(nèi)，為了維修建國(guó)以來所建基礎(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用，將是極其巨大的。

目前，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模宏大，每年投資高達(dá)2萬億元人民幣以上，約30～50年后，這些工程也將進(jìn)入維修期，所需的維修費(fèi)用或重建費(fèi)將更加巨大。因此提高混凝土的耐久性，對(duì)延長(zhǎng)混凝土建筑物的使用年限、節(jié)約國(guó)家投資，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

混凝土的耐久性是指組成混凝土的材料在使用過程中或在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，抵抗其自身及環(huán)境因素造成的侵蝕和破壞，保持原有性能不變的能力。吳中偉指出混凝土耐久性是一個(gè)綜合概念，主要指抗?jié)B性、抗凍性、抗碳性、抗化學(xué)侵蝕及堿集料反應(yīng)等多種破壞因素的綜合作用[3、4]。蒲心誠(chéng)認(rèn)為以波特蘭水泥為基礎(chǔ)的現(xiàn)代低強(qiáng)度混凝土要提高其耐久性，在于改善其結(jié)構(gòu)和優(yōu)化其水化產(chǎn)物組成兩方面。而在實(shí)際工作中則要求混凝土組成材料質(zhì)量、配合比、施工養(yǎng)護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等四方面密切配合才能從整體上保證混凝土耐久性。

造成混凝土損壞和破壞的原因有外部環(huán)境條件、混凝土內(nèi)部缺陷及混凝土組成材料。提高混凝土的耐久性必須從減少混凝土內(nèi)部缺陷和改善其組成材料著手，以改善混凝土性能，提高混凝土質(zhì)量，減少或降低混凝土內(nèi)部缺陷，延長(zhǎng)混凝土建筑物的使用年限。

1 混凝土組成材料對(duì)耐久性的影響

1.1 水泥

1.1.1 水泥強(qiáng)度

隨著現(xiàn)代混凝土高強(qiáng)度需求的不斷提高，我國(guó)實(shí)行水泥新標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007取代相應(yīng)舊標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)水泥的強(qiáng)度進(jìn)一步提高，迫使水泥廠以提高C3S和比表面積來提高水泥的強(qiáng)度，形成了所謂的“三高”水泥。

近年來國(guó)外許多專家根據(jù)實(shí)際調(diào)查研究認(rèn)為，混凝土結(jié)構(gòu)不斷增多的開裂現(xiàn)象與上述趨勢(shì)有關(guān)，認(rèn)為增加C3S含量和細(xì)度，雖能提高早期強(qiáng)度，但對(duì)混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性和工作性能并無好處?！案呒?xì)度、高C3S含量、高強(qiáng)度”所謂的“三高”水泥對(duì)混凝土產(chǎn)生裂縫的不利影響越來越大。

“三高”水泥，加上現(xiàn)代混凝土的低水膠比、高水泥用量，一方面造成混凝土的溫度收縮、自收縮和干燥收縮增加，抗裂性下降、混凝土的微結(jié)構(gòu)不良、抗腐蝕性差。另一方面，混凝土早期強(qiáng)度的提高使得混凝土早期彈性模量提高，受約束時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)混凝土早期強(qiáng)度提高使得其早期徐變減少，無法緩解這種應(yīng)力，而產(chǎn)生早期裂縫。內(nèi)部不可見的微裂縫在混凝土長(zhǎng)期使用過程中繼續(xù)發(fā)展，造成混凝土耐久性降低，對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能極為不利。

1.1.2 水泥含堿量

對(duì)水泥含堿量的控制，以往主要從控制堿骨料反應(yīng)的角度提出要求。但工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，不管是否有活性骨料存在，堿的影響首先表現(xiàn)在增加混凝土的開裂傾向。美國(guó)墾務(wù)局的R.Burrows曾對(duì)104種大壩混凝土面板進(jìn)行了53年的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)盡管有活性骨料且水泥具有高含堿量，但開裂處卻沒有堿骨料反應(yīng)產(chǎn)物，混凝土也并沒有膨脹，說明這種開裂首先是由于水泥的高含堿量所引起的收縮，而不是堿骨料反應(yīng)。低堿水泥能降低混凝土的收縮變形[5]，當(dāng)含堿量低于0.6%Na2O當(dāng)量時(shí)，水泥抗裂性明顯增加。

1.2 砂、石集料

選擇質(zhì)量、級(jí)配良好、技術(shù)條件合格的砂、石集料，是保證混凝土耐久性的重要條件。在骨料的相關(guān)技術(shù)參數(shù)中，我國(guó)工程界相對(duì)看重的是骨料強(qiáng)度和含泥量等指標(biāo)，而忽視了骨料粒形和級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響。級(jí)配良好的骨料，能減小混凝土孔隙率，提高混凝土密實(shí)度，對(duì)減小水泥漿用量，提高混凝土的體積穩(wěn)定性，減少混凝土的收縮變形等，起著重要作用[1][2]。

一般天然骨料的強(qiáng)度，對(duì)于普通混凝土來說是足夠的，而骨料的其他性能如吸水性、熱膨脹系數(shù)等對(duì)混凝土耐久性則有重要影響。吸水率大的骨料，配制的混凝土?xí)休^大的長(zhǎng)期收縮，從而影響混凝土的抗裂性。

對(duì)粗集料而言，粗骨料的級(jí)配和粒形不好，必然要加大混凝土的膠凝材料總量和用水量，不僅增加混凝土的收縮，而且會(huì)增加混凝土的滲透性和有害介質(zhì)在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)，降低混凝土耐久性。當(dāng)級(jí)配滿足要求，主要考慮混凝土強(qiáng)度因素時(shí)，可在允許的最大粒徑范圍內(nèi)盡量選用較大粒徑；但當(dāng)耐久性作為主要因素考慮時(shí)，骨料的最大粒徑盡量取小一些，最大粒徑較小時(shí)，混凝土的抗?jié)B性提高；此外，粗骨料中應(yīng)盡量減少針、片狀顆粒及活性骨料的存在，以提高混凝土強(qiáng)度，減少混凝土因變形、脹縮及堿-骨料反應(yīng)等引起的混凝土劣化，這都有助于提高混凝土的耐久性。

1.3 活性礦物摻料

普通混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)定性不足，是混凝土不能超耐久的另一因素。馮乃謙、蒲心誠(chéng)等學(xué)者認(rèn)為，活性礦物粉體加入普通混凝土以后，具有微觀填充作用，能夠填充水泥顆粒間和界面的空隙，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密，阻斷了可能形成的滲透通道，使混凝土抗?jié)B性大幅提高，水和侵蝕介質(zhì)難以進(jìn)入混凝土內(nèi)部。從而大幅提高了混凝土的耐久性。更重要的是，由于火山灰活性成分反應(yīng)的進(jìn)行，游離石灰不但可以減少或消除，而且增加了低堿性水化硅酸鈣，使水泥石中膠凝物質(zhì)質(zhì)量及數(shù)量得到提高，并且水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu)和界面區(qū)性能也得到大幅改善，因此混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性以及耐久性均得以大幅提高。

研究表明將粉煤灰、礦渣粉和硅粉等復(fù)合使用，能彌補(bǔ)單摻之不足，各組分顆粒形態(tài)、細(xì)度、化學(xué)組成均有不同，能產(chǎn)生相互緊密填充、相互激發(fā)、相互補(bǔ)充，對(duì)水泥石的孔隙及界面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，提高混凝土致密性、降低碳化對(duì)混凝土的負(fù)面影響。為有效改善混凝土抗化學(xué)侵蝕性能，粉煤灰最佳替代量一般應(yīng)在20%以上。但是大摻量礦物摻合料混凝土只有在低水膠比時(shí)才能提高混凝土強(qiáng)度及耐久性。

1.4 混凝土外加劑

混凝土外加劑摻加量小，對(duì)混凝土性能改善作用大，在混凝土中合理?yè)郊泳哂袦p水率高、坍落度損失小、適量引氣、能明顯改善或提高混凝土耐久性[8]。合理的使用外加劑及礦物細(xì)粉能保持混凝土拌合物較高施工性能，并能大幅度的降低水膠比，減少混凝土水及水泥用量，改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)提高混凝土強(qiáng)度、抗摻性、抗凍性、抗侵蝕性均有良好效果。

2 混凝土組成材料配合比對(duì)耐久性的影響

混凝土最大水膠比和最小膠凝材料用量的限制，是混凝土設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)中為保證混凝土耐久性的常用做法。

2.1 控制混凝土的水膠比

水膠比的大小是決定混凝土密實(shí)性的主要因素，它不但影響混凝土的強(qiáng)度，而且也嚴(yán)重影響其耐久性。人們總認(rèn)為[2]大體積混凝土的溫升直接與水泥用量成正比，而忽視了水膠比的影響，實(shí)際上隨著水膠比降低，水泥水化速度迅速降低，單位質(zhì)量水泥水化放熱隨之降低，對(duì)混凝土溫差引起的體積穩(wěn)定性問題大有幫助。低水膠比能提高混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)體積穩(wěn)定性，提高混凝土綜合性能[6]；水膠比過大必然會(huì)使混凝土裂縫及變形增加，過大的水膠比尤其不利于使用礦物摻和料混凝土的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)展，同時(shí)嚴(yán)重影響混凝土的耐久性與強(qiáng)度。故必須根據(jù)工程實(shí)際情況嚴(yán)格控制水膠比，一般情況下現(xiàn)代混凝土通過外加劑及礦物細(xì)粉復(fù)配技術(shù)可以使水膠比控制在0.4左右甚至更低，當(dāng)然水膠比降低，混凝土表面易因自干燥收縮產(chǎn)生裂縫，因此低水膠比混凝土應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.2 控制混凝土的漿骨比

混凝土中膠凝材料的用量是決定混凝土強(qiáng)度及耐久性的重要因素。減少單方混凝土中膠凝材料用量有利于降低混凝土的滲透性能，減少收縮量，保證混凝土的體積穩(wěn)定性，提高混凝土耐久性。我國(guó)對(duì)低水膠比混凝土的膠凝材料用量過去一直偏高，甚至有高到550kg/m3以上的，而國(guó)外有規(guī)程規(guī)定膠凝材料用量不應(yīng)超過475kg/m3。

通過控制漿骨比可以控制混凝土中膠凝材料的用量，如前所述保持和控制混凝土漿骨比的穩(wěn)定必然要保證骨料級(jí)配良好，含泥量低。漿骨比過小，將導(dǎo)致混凝土拌合物施工性能過差，混凝土密實(shí)度嚴(yán)重降低，耐久性下降；漿骨比過大，除改變骨料界面結(jié)構(gòu)，使混凝土強(qiáng)度降低外，水泥及用水量的增加，會(huì)導(dǎo)致混凝土硬化過程中收縮增大，混凝土表面及內(nèi)部裂縫增加，造成混凝土耐久性過早降低。因此在實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制漿骨比來保證混凝土的長(zhǎng)期性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

“工程質(zhì)量、百年大計(jì)”，混凝土耐久性是影響工程使用壽命的主要問題，應(yīng)針對(duì)影響混凝土耐久性的主要因素：混凝土組成材料自身及環(huán)境因素造成的抗?jié)B性降低、凍融破壞、碳化破壞、介質(zhì)侵蝕破壞、堿集料反應(yīng)、鋼筋銹蝕等的復(fù)合侵蝕和破壞的作用，從提高和改善混凝土組成材料及其配比入手，結(jié)合工程具體情況采取如下措施，提高混凝土耐久性。

①合理選擇使用堿含量小、水化熱低，干縮性小、抗腐蝕性、抗凍性能好的水泥品種；②合理的摻加活性礦物摻料與外加劑，不盲目追求工程工期及混凝土的高早期強(qiáng)度；③選擇粒形、級(jí)配良好的骨料。④加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證混凝土組成材料質(zhì)量及配比合理的同時(shí)，加強(qiáng)混凝土澆搗與養(yǎng)護(hù)，采用新技術(shù)、新成果。只有多方面工作相互配合，多管齊下，才能從整體上改進(jìn)和提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

[1]莆心誠(chéng).超高強(qiáng)高性能混凝土[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2004.7-27

[2]吳中偉，廉慧珍. 高性能混凝土[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.27-32

[3]盧木.混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J].工業(yè)建筑.1997,27(5):1-6

[4]吳中偉 混凝土耐久性綜合癥及其防治[J].混凝土.1991,4:4-8

[5]威德曼德F.H.Wittmann編著，馮乃謙譯.高性能混凝土—材料特性與設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1997.21-23

[6]李繼業(yè)，劉福勝.新型混凝土實(shí)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.北京.2005，1-18