提高混凝土耐久性的原理與實(shí)踐

陳 明

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑系，中國(guó) 重慶402160）

混凝土是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一。 混凝土具有原料豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因而使其用量越來(lái)越大；同時(shí)混凝土還具有抗壓強(qiáng)度高，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，使其使用范圍十分廣泛。

混凝土抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能的考核指標(biāo)和工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。通常情況，混凝土的強(qiáng)度越高，其結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度也越高，抵抗外界的侵蝕或其它各種破壞能力就越強(qiáng)。 也就是說(shuō)，從理論上講，強(qiáng)度越高，耐久性越好。 但在實(shí)際上，由于高水泥用量在早期和后期易產(chǎn)生裂紋.裂紋對(duì)耐久性是致命傷害混凝土結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)裂縫，就有可能由于凍融、化學(xué)腐蝕和其中的鋼筋銹蝕等使混凝土的質(zhì)量劣化。可見(jiàn)，混凝土的強(qiáng)度過(guò)低固然對(duì)耐久性不利，但過(guò)高也會(huì)給耐久性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。 高強(qiáng)并不一定就有高耐久性?；炷恋臐B透性也是對(duì)耐久性的影響的一個(gè)重要指標(biāo)，混凝土抗?jié)B性越好，混凝土的耐久性越好。這是因?yàn)樵S多有害物質(zhì)是因?yàn)殡S介質(zhì)滲透到混凝土內(nèi)部而起破壞作用的。 例如，凍融損壞、鋼筋銹蝕及至堿骨料反應(yīng)都是由于水及腐蝕性物質(zhì)滲入到混凝土內(nèi)部而對(duì)混凝土產(chǎn)生破壞作用。 提高混凝土的抗?jié)B性，除混凝土本身具有極低的滲透性以外。 從實(shí)際意義上來(lái)說(shuō)，避免混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋和裂縫是更為重要的。向混凝土中引入大量均勻的微小封閉氣泡能夠有效地改善混凝土的耐久性。 因?yàn)樵诨炷潦軆鰰r(shí)，氣泡能夠容納水而使冰凍產(chǎn)生的壓力得以釋放；氣泡還能容納混凝土內(nèi)部的有害應(yīng)力并使之得到緩解；對(duì)各種有害物質(zhì)的滲入起到阻隔作用，以及有利于降低堿骨料反應(yīng)的危害性膨脹等。 因此，向混凝土中摻引氣劑已成為提高耐久性的基本措施。下面介紹提高混凝土耐久性的幾種基本方法：

1）摻入高效減水劑：在保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，盡可能降低用水量，減少水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。水泥在加水?dāng)嚢韬?，?huì)產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)。在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時(shí)相應(yīng)地增加用水量，這樣就會(huì)促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過(guò)多的孔隙。 當(dāng)加入減水劑的定向排列，使水泥質(zhì)點(diǎn)表面均帶有相同電荷。 在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時(shí)使水泥絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來(lái)，因而達(dá)到減水的目的。 許多研究表明，當(dāng)水灰比降低到0.38 以下時(shí)，消除毛細(xì)管孔隙的目標(biāo)便可以實(shí)現(xiàn)，而摻入高效減水劑，完全可以將水灰比降低到0.38 以下。

2）摻入高效活性礦物摻料：普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。 在普通混凝土中摻入活性礦物的目的， 在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成。活性礦物摻料中含有大量活性Si02 及活性Al203，它們能和水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的游離石灰及高鹼性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反映，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低鹼性水化矽酸鈣，從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離石灰的目的，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透路。此外，還能改善集料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)和界面區(qū)性能。這些重要的作用，對(duì)增進(jìn)混凝土的耐久性及強(qiáng)度都有本質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

3）消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素：除了環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞以外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過(guò)大引起的開(kāi)裂，水化性過(guò)熱過(guò)高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿骨料反映等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必須減小或消除這些結(jié)構(gòu)破壞因素。 加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)生，以提高混凝土的耐久性。

4）保證混凝土的強(qiáng)度：盡管強(qiáng)度與耐久性是不同概念，但又密切相關(guān)，它們之間的本質(zhì)聯(lián)系是基于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，都與水灰比這個(gè)因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實(shí)條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強(qiáng)度不斷提高。與此同時(shí)，隨著孔隙率降低，混凝土的抗?jié)B性提高，因而各種耐久性指標(biāo)也隨之提高。在現(xiàn)在的高性能混凝土中，除摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料，它們不但增加了混凝土的致密性， 而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。 在大幅度提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。 此外，在排除內(nèi)部破壞因素的條件下，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力也越強(qiáng)。

案例： 美國(guó)1999 年施工的一座名為Kauai 教堂的混凝土閥形基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)壽命為一千年。Kauai 教堂為全花崗巖石結(jié)構(gòu)。 其基礎(chǔ)為長(zhǎng)36m，寬17m，厚lm 的閥形混凝土基礎(chǔ)。 要求不能有沉降和開(kāi)裂，否則花崗巖屋頂粱會(huì)脫離柱而掉下來(lái)。因當(dāng)?shù)仡A(yù)拌混凝土廠一天不能供應(yīng)足夠凝土。 而改成上下兩層，層厚0.61m。 該工程為軟土地基，為了控制基礎(chǔ)在施工過(guò)程中潛在的沉降裂縫， 在混凝土基礎(chǔ)下面再挖掘lm 深. 將土層夯實(shí)后墊上lm 厚的礫石層夯實(shí)。 所用水泥性能符合ASTM C150 要求；用5～25mm 連續(xù)粒級(jí)的碎玄武巖石子為粗骨料。 細(xì)度模數(shù)為2.8 的碎花崗巖石屑為細(xì)骨料。 所用的粉煤灰燒失量小于1%；細(xì)度是325 目篩的篩余為25%；需水量比96%；活性指數(shù)為83%。所用外加劑有引氣劑、普通減水劑和高效減水劑等。 經(jīng)試驗(yàn)室多次試配， 所用混凝土配合比基本上能夠滿(mǎn)足150mm 坍落度及其它性能要求，特別是混凝土拌合物凝結(jié)硬化過(guò)程中的溫變收縮。 混凝土下層底板于澆注時(shí)氣溫早上為21℃； 午后為3O℃。 混凝土澆注后8h 終凝。16h 后強(qiáng)度約2MPa。 強(qiáng)制性的水養(yǎng)程序從澆注后的第二天早晨開(kāi)始，這時(shí)可以安全地在底板上行走而不會(huì)造成損害?；炷恋娜肽囟葹?6℃。 在澆注后的24h 內(nèi)混凝土的溫度升高13℃。 其后的6d 內(nèi)以每天1.7℃的速度降低。因此，到28d 早晨準(zhǔn)備澆注上層底板時(shí)混凝土的溫度約為3O℃，強(qiáng)度已達(dá)到9MPa，足以承受上層底板的施工荷載。 上層底板的澆注和養(yǎng)護(hù)程序與下層相同，水養(yǎng)護(hù)持續(xù)兩周。

結(jié)語(yǔ)：混凝土的耐久性是混凝土經(jīng)濟(jì)性能的最重要影響因素。 影響耐久性的混凝土性能有(抗 壓)強(qiáng)度、含氣量和抗?jié)B性等。 混凝土的許多耐久性破壞，如銅筋銹蝕、凍融破壞、化學(xué)腐蝕和堿骨料反應(yīng)等都與這幾項(xiàng)性能有關(guān)。 高強(qiáng)可能具有耐久性，但高耐久性并不一定需要高強(qiáng)。 通過(guò)在混凝土中摻用外加劑、礦物摻合料，設(shè)計(jì)低水膠比，低水泥用量，加強(qiáng)混凝土澆注后的養(yǎng)護(hù)以降低極限溫升，避免出現(xiàn)裂縫等技術(shù)措施，可以施工出具有長(zhǎng)耐久性的混凝土。

［1］徐艷華.建筑結(jié)構(gòu)[M].西安交通大學(xué)出版社，2011（8）.

［2］舒秋華，李世禹.房屋建筑學(xué)[M].武漢理工大學(xué)出版社,ISBN：9787562935155.