水分對普通混凝土性能的影響

荊可歆（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

水是混凝土的重要組成材料。水分從與水泥、砂、石按一定比例拌和成混凝土漿開始，到硬化混凝土完成結(jié)構(gòu)使命，直至完全破壞為止，水分在其中始終扮演著重要角色，發(fā)揮著重要作用。水使水泥水化成為凝膠體，并賦予混凝土拌合物澆注時的和易性；空隙水的含量對混凝土的長期強(qiáng)度有顯著影響；水也是混凝土發(fā)生收縮開裂的主要原因；一些有害介質(zhì)（如氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽等）是通過水滲入混凝土內(nèi)部造成其性能劣化，也可使混凝土中的鋼筋銹蝕，加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞；飽水混凝土在凍結(jié)時，孔隙水結(jié)冰對混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生凍融損害；水的存在也是混凝土碳化、堿骨料反應(yīng)的條件。本文討論水分對混凝土主要性能的影響。

1 混凝土中水的存在方式

硬化水泥石結(jié)構(gòu)中存在的水分有游離水、毛細(xì)孔水、凝膠水和結(jié)晶水四類。游離水存在于各種固體顆粒之間，賦予混凝土拌合物流動性，提供混凝土中水泥水化、維持與外界使用環(huán)境濕度下相平衡的含水量，這些水分在負(fù)溫下可凍結(jié)。毛細(xì)孔水存在于毛細(xì)孔中，相對游離水容易保存，提供混水泥后期水化所需的水分。凝膠水存在于各種水化物中，如C-S-H凝膠水等，在自然條件下不結(jié)冰。結(jié)晶水是水化產(chǎn)物Ca(OH)2和鈣礬石等晶體中所存有的水分，也是不凍結(jié)水。

混凝土硬化后，多余的水分要么存在于內(nèi)部，要么蒸發(fā)出來。在混凝土體內(nèi)形成孔隙和毛細(xì)管通道，改變了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)?；炷羶?nèi)部的水分可與水泥進(jìn)行二次水化反應(yīng)，提高其密實(shí)程度。另外，當(dāng)混凝土表面的細(xì)微裂縫與水接觸，水與此處未水化的水泥顆粒水化或裸露的Ca(OH)2發(fā)生碳化形成CaCO3，從而使得裂縫自愈合。

2 水分在混凝土內(nèi)部的運(yùn)動規(guī)律

由于水泥石中存在可溶性離子，所以混凝土中的水分不是純水，而是水溶液。含有侵蝕介質(zhì)的水溶液在混凝土內(nèi)部的運(yùn)動是一個復(fù)雜過程，總體有三種侵入方式：滲透、毛細(xì)吸附和擴(kuò)散。這三種方式所需的一個共同條件就是在混凝土孔隙里必須有水分存在。

3 水分對混凝土漿和易性的影響

水分對混凝土拌合物和易性的影響主要體現(xiàn)在單位用水量上。保持水灰比不變，單位用水量實(shí)際決定了水泥漿的數(shù)量多少。單位用水量少時，水泥漿數(shù)量少，集料顆粒之間缺少足夠的粘結(jié)物質(zhì)，混凝土拌合物的粘聚性較差，易出現(xiàn)混凝土拌合物的離析和崩塌現(xiàn)象，混凝土本身不易密實(shí)成型；單位用水量過多時，水泥漿數(shù)量過多，將會出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，混凝土拌合物的粘聚性和保水性常常隨之惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重的泌水、分層、流漿，致使混凝土拌合物產(chǎn)生離析。

試驗(yàn)表明，采用一定集料時，如果保持單位水量不變，在實(shí)用范圍內(nèi)，單位水泥用量增減不超過50～100kg，混凝土拌合物的坍落度可大致保持不變。這個規(guī)律即“李斯恒用水量定則”，它給混凝土配合比設(shè)計(jì)帶來方便，即通過固定單位用水量，混凝土拌合物的坍落度基本保持不變，在此條件下適當(dāng)變化水灰比，就可配制出不同強(qiáng)度而坍落度相近的混凝土。

在實(shí)際工程中，常常通過添加適當(dāng)?shù)耐饧觿﹣碚{(diào)節(jié)水分對混凝土拌合物和易性的影響。

4 水分對混凝土強(qiáng)度的影響

“水灰比定則”表明水泥強(qiáng)度和水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素。

僅從水灰比來看，水泥充分水化所需的水灰比在23%左右。但實(shí)際上，以這樣的水灰比拌制混凝土?xí)r，混合料過于干硬，即使在一定的振搗條件下也難以成型密實(shí)，混凝土存在較大的孔隙率，強(qiáng)度下降。所以常加入較多的水分以使混凝土拌合物獲得必要的流動性。但當(dāng)用水量較大時，即使充分搗實(shí)的混凝土，也會由于硬化過程中部分水分的損失而形成了一些孔的結(jié)構(gòu)，并有部分水分殘留在混凝土中形成孔穴或蒸發(fā)后形成氣孔。它們大大減少了混凝土抵抗荷載的有效截面，且還有可能在孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低混凝土強(qiáng)度。

用水量過多，也容易導(dǎo)致水泥混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生，嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和耐久性。

5 水分對混凝土耐久性的影響

5.1 水分對混凝土的物理作用

1）氣蝕

在水工工程中，流動的水會因氣蝕而對混凝土造成損壞。當(dāng)水流不穩(wěn)定并且與混凝土表面不成切面時會產(chǎn)生氣蝕，致使混凝土表面反復(fù)不斷地遭受局部的高能量沖擊，這種沖擊壓力可高達(dá)700MPa，使混凝土表面出現(xiàn)孔狀剝落，造成表面粗糙而不均勻，并進(jìn)一步加劇混凝土的損壞。

2）液態(tài) — 固態(tài)轉(zhuǎn)化

混凝土內(nèi)部的水分結(jié)冰時體積膨脹達(dá)9%，因此，如果混凝土毛細(xì)孔水含量飽和或接近飽和時，發(fā)生冰凍后，孔壁將會受到很大的壓力而出現(xiàn)裂縫。經(jīng)多次凍融循環(huán)，這種應(yīng)力反復(fù)作用導(dǎo)致裂縫不斷的加劇擴(kuò)大和深入，混凝土便逐步破壞。

3）液態(tài) — 氣態(tài)轉(zhuǎn)化

在建筑物發(fā)生火災(zāi)時，混凝土中的自由水、毛細(xì)孔水，甚至一部分結(jié)晶水都在高溫下由液態(tài)變成氣態(tài)，體積急劇增大。當(dāng)水蒸氣的壓力達(dá)到一定程度時，會使混凝土發(fā)生爆炸；另外，當(dāng)建筑物內(nèi)外的溫度差和濕度差很大時，混凝土殼體的內(nèi)外層不斷發(fā)生液態(tài)水與氣態(tài)水的交換，使混凝土內(nèi)部形成更多的毛細(xì)管通道。

5.2 水分對混凝土的化學(xué)侵蝕作用

1）淡水侵蝕與酸性水侵蝕

在流動淡水或有壓力淡水環(huán)境下，水泥石中的Ca(OH)2溶解度較其他水化物大，很容易被水溶解并帶走。隨著Ca(OH)2不斷被水溶解并帶走，混凝土孔隙率逐步增大，強(qiáng)度逐漸降低。后來堿性高的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石等晶體也相繼分解，直至水泥石崩裂破壞。

當(dāng)水溶液中有一些酸類時，他們在水中完全或部分分解成H+離子和酸根R-離子。H+離子和水泥石中Ca(OH)2的OH-離子結(jié)合成H2O，Ca2+酸根R-離子結(jié)合形成鈣鹽CaR2，消耗了水泥石中的Ca(OH)2，也會導(dǎo)致其他水化產(chǎn)物的分解。

2）混凝土堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)是混凝土原材料中的堿（Na2O或K2O）與骨料中的活性成分反應(yīng)，在混凝土澆筑成型后若干年（數(shù)年至幾十年）逐漸反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，膨脹開裂，導(dǎo)致混凝土失去設(shè)計(jì)性能。堿骨料反應(yīng)包括堿與二氧化硅或堿與碳酸鹽的反應(yīng)。

在堿與二氧化硅的反應(yīng)中，生成具有膠凝能力的凝膠，它吸收大量的水分導(dǎo)致凝膠膨脹，混凝土開裂。

2ROH+nSiO2—R2O·nSiO2·H2O

在堿與碳酸鹽（含有少量黏土白云石）的反應(yīng)中，反應(yīng)生成物與水泥石中的Mg(OH)2繼續(xù)反應(yīng)生成ROH，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行。反應(yīng)本身體積并不膨脹，而是碳酸鹽包裹的黏土暴露出來吸收水分，導(dǎo)致膨脹破壞的。

CaCO3·MgCO3+2ROH—Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3

R2CO3+Ca(OH)2—2ROH+CaCO3

在混凝土結(jié)構(gòu)工作過程中沒有水的條件下，則沒有堿骨料反應(yīng)的環(huán)境。即使這種反應(yīng)已經(jīng)發(fā)展到對混凝土造成傷害，但只要維持混凝土的干燥，就可將該反應(yīng)中止。

3）硫酸鹽侵蝕

大氣中、水中或土壤中都可能含有硫酸鹽類物質(zhì)。硫酸鹽對水泥混凝土的腐蝕，主要是溶液中的SO42-和水泥石中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成體積劇烈膨脹的鈣礬石，導(dǎo)致混凝土開裂的過程。在這個其中，水分仍然是反應(yīng)的主要成分和載體。

4）水分對混凝土中鋼筋的銹蝕作用

（1）水分對鋼筋的銹蝕作用

研究混凝土耐久性時，鋼筋銹蝕是一個主要方面，其受很多因素的影響，其中混凝土中的水分是一個很重要的因素。

鋼筋銹蝕只有在水和氧都存在的條件下才能發(fā)生。鋼筋開始銹蝕時，電子從陽極區(qū)域的鐵分子中脫離，向陰極移動；氧與水反應(yīng)形成的氫氧根離子（OH-）與鐵離子（Fe2+）生成氫氧化亞鐵，再進(jìn)一步形成氫氧化鐵，最后生成鐵銹。

陽極：Fe—2e-+Fe2+

陰極：O2+2H2O+2e-—4OH-

從上述反應(yīng)可看出，水直接參與了鋼筋的銹蝕反應(yīng)，是反應(yīng)物之一；另外，水是電子從陽極移動到陰極的載體。所以，水是鋼筋銹蝕的必要條件。

如果攜帶氯離子的水分進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，當(dāng)鋼筋表面的氯離子濃度達(dá)到一定程度時，孔隙中的含有鹽類的水就會起到電極的作用而引發(fā)鋼筋銹蝕。

Fe2++2Cl-+4H2O—FeCl2·4H2O

FeCl2·4H2O—Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O

在富氧條件下，F(xiàn)e(OH)2進(jìn)一步被氧化成Fe(OH)3

Fe(OH)2+2H2O+2O2—Fe(OH)3

水是該過程中形成電化學(xué)電池不可缺少的物質(zhì)。若混凝土結(jié)構(gòu)處于完全干燥環(huán)境中，即使鋼筋表面氯離子濃度較高，鋼筋也很難開始銹蝕。

（2）水分對鋼筋的銹蝕速率的影響

混凝土中的水分對鋼筋銹蝕有雙重作用：一方面影響混凝土中氧氣的擴(kuò)散速度，另一方面則影響混凝土的電導(dǎo)率。水分越多，混凝土的導(dǎo)電性越好，鋼筋的電化學(xué)銹蝕就越快。大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于干燥環(huán)境下，服役幾十年也不會發(fā)生鋼筋銹蝕。而當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于濕度較大的環(huán)境下，尤其是處于干濕交替的環(huán)境或漏雨、滲水部位，鋼筋銹蝕一般較快。

6 結(jié)語

水是混凝土重要的組成成分。它是水泥水化的反應(yīng)物，并生成產(chǎn)生強(qiáng)度的水化物；它賦予新拌混凝土漿施工和易性，養(yǎng)護(hù)時也確保了混凝土的正常硬化。硬化混凝土特殊的微觀結(jié)構(gòu)是水分可以在其內(nèi)部自由移動，同時也導(dǎo)致有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部并擴(kuò)散，給碳化、凍融循環(huán)、堿骨料反應(yīng)、水泥石腐蝕以及鋼筋銹蝕提供了反應(yīng)條件和環(huán)境，并成為載體。充分認(rèn)識這些問題，對于提高或改善混凝土性能，在一定條件下盡量避免水分對混凝土的破壞會有幫助。正確把握水分對混凝土主要性能的影響，對于提高混凝土的使用性能和延長使用壽命都具有重要意義。

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