混凝土水害問題探析

山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013

1 前言

混凝土是一種由膠凝材料（其中最廣泛使用的是水泥）、粗骨料、細(xì)骨料、水、摻和料和外加劑等材料按一定比例配制，經(jīng)過拌合、澆筑塑形和養(yǎng)護(hù)等工藝，硬化形成的人造石材。混凝土具有優(yōu)良的抗壓性能，目前配置C80 混凝土技術(shù)已經(jīng)比較成熟。發(fā)展高和高性能混凝土是混凝土研究的主要方向?；炷僚c鋼材彈性模量非常接近，因此能夠與鋼材協(xié)同工作，發(fā)展成為當(dāng)代最主要的土木工程材料之一。混凝土拌制離不開水，養(yǎng)護(hù)也需要水。水對混凝土也具有反作用，需要采取多種措施預(yù)防混凝土水害發(fā)生。

2 水泥、水、混凝土

水泥是混凝土主要的膠凝材料。水泥品種不同，其化學(xué)成分也各不相同。硅酸鹽類水泥主要化學(xué)成分是三氧化二鋁Al2O3、三氧化二鐵Fe2O3、二氧化硅SiO2、和氧化鈣CaO，主要礦物成分是鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3簡式C4AF）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡式C3A）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡式C2S）、，硅酸三鈣（3CaO·SiO2，簡式C3S）、。地球上水以氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)的形式廣泛存在，液態(tài)水覆蓋面積約占地球表面積的四分之三。常態(tài)下水的純凈物是透明狀無色無味的液體，主要成分是H2O。由于水與其他物質(zhì)不可避免地接觸，發(fā)生了水化、水解、電離等作用，導(dǎo)致水中不同程度溶解著各種鹽類化合物，充斥著各種帶電離子。天然水中最常見有碳酸根離子（CO32-）、碳酸氫根離子（HCO3-）、硫酸根離子（SO42-）、氯離子（Cl-）、硝酸根離子（NO3-）、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、以及及其他一些離子。水泥與水混合后，在凝結(jié)硬化的過程中，中間物有3CaO 2SiO2H2O、3CaO Al2O36H2O、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O、CaO·Fe2O3·H2O 和Ca（OH）2，發(fā)生的是水化折疊反應(yīng)，生成的混凝土是一種成分非常復(fù)雜的非勻質(zhì)多孔性材料。

3 水對混凝土材料的影響

（1）通過水泥與水反應(yīng)產(chǎn)物分析，混凝土中水泥石主要組成物質(zhì)是各種水合物及Ca（OH）2。水合物在不同環(huán)境溫度下，形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，體積也會(huì)隨之發(fā)生變化。在較高溫下水化時(shí)，Ca（OH）2、水化硫鋁（鐵）酸鈣（三硫型和單硫型）的成分變化不大，但晶體尺寸將較大［1］。

（2）水在混凝土形成過程中發(fā)揮著重要作用，在后期強(qiáng)度形成過程中同樣不可或缺。一般認(rèn)為，混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（20±2℃、濕度為95%的標(biāo)養(yǎng)室或不流動(dòng)的飽和Ca（OH）2溶液中）養(yǎng)護(hù)28d［2］，能夠達(dá)到100%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。但水化作用是一個(gè)緩慢的過程，可能會(huì)伴隨混凝土的一生，與混凝土的干濕狀況有很大關(guān)系。為了防止混凝土凝固過程中表面產(chǎn)生收縮裂縫，還需要加強(qiáng)混凝土表面灑水養(yǎng)護(hù)。

4 混凝土中水的存在形式

（1）結(jié)晶水。水分子與其他分子水合在一起，以結(jié)晶水形式存在于混凝土內(nèi)部。以結(jié)晶狀態(tài)存在的水相對比較穩(wěn)定。

（2）吸附水。吸附水也稱凝膠水，存在于膠凝材料中。因凝膠材料的孔隙多且小，這部分水存量多，存在狀態(tài)也比較穩(wěn)定。

（3）毛細(xì)水。毛細(xì)水存在于混凝土毛細(xì)孔中，在低溫下能夠被凍結(jié)。根據(jù)毛細(xì)水凍結(jié)的相關(guān)理論公式［3］，毛細(xì)水凍結(jié)溫度與毛細(xì)水的密度、表面張力以及毛細(xì)管的曲率半徑有關(guān)。水的密度、水的表面張力以及毛細(xì)管的曲率半徑不同，毛細(xì)水的冰點(diǎn)也不相同。也就是說，影響毛細(xì)水凍結(jié)的因素主要有兩個(gè)：一個(gè)是水的性質(zhì)，另一個(gè)是混凝土自身結(jié)構(gòu)的密室程度。

（4）游離水。游離水存在于固體顆粒之間的的封閉空腔中，也稱自由水。由于混凝土特殊的多孔結(jié)構(gòu)，游離水在混凝土存量較大。游離水在低溫下能夠被凍結(jié)，常溫下容易蒸發(fā)，高溫下則被汽化，因此低溫、常溫和高溫條件下都會(huì)對混凝土都會(huì)產(chǎn)生不利影響。游離水在凍結(jié)和汽化時(shí)因體積膨脹而產(chǎn)生內(nèi)壓，常溫蒸發(fā)后則在混凝土內(nèi)部形成空腔，對混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成削弱，降低混凝土的耐久性和其他性能。

5 水對混凝土的破壞

5.1 物理性腐蝕

（1）普通混凝土的非勻質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，容易被環(huán)境水滲透?；炷脸渌笤诶錈峤惶孀饔孟?，反復(fù)發(fā)生凍融破壞。毛細(xì)水能夠在毛細(xì)管中逆重力方向移動(dòng)，加速滲透和破壞過程。

（2）鹽類溶液滲透到混凝土表面的裂隙和毛細(xì)孔中，由于干濕交替，鹽類溶液低溫蒸發(fā)濃縮，析出白毛狀或梭柱狀結(jié)晶，對裂隙和毛細(xì)管產(chǎn)生內(nèi)壓，引發(fā)鹽類結(jié)晶性脹裂，促使混凝土由表及里，逐層破裂疏松脫落［4］。

5.2 化學(xué)性腐蝕

（1）水中SO42-濃度過高時(shí)，SO42-與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成難溶的CaSO4和石膏。發(fā)生反應(yīng)后較發(fā)生反應(yīng)前體積增大，產(chǎn)生內(nèi)部壓應(yīng)力，造成混凝土破壞。但是，當(dāng)SO42-濃度過低時(shí)，水泥石中的鋁酸三鈣與Ca（OH）2、SO42-發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后生成固相硫鋁酸鈣晶體，體積增大較反應(yīng)前更加明顯，產(chǎn)生的內(nèi)部壓應(yīng)力產(chǎn)生顯著破壞作用破壞。

（2）水中的鎂鹽（如MgSO4、MgCl2等）、氯鹽（CaCl2、MgCl2等）與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成物分別為Mg（OH）2和CaCl2。Mg（OH）2膠體膠結(jié)力非常差，CaCl2則易溶于水。這兩種產(chǎn)物都容易被滲透水帶走而流失，使混凝土變得更加疏松多孔，強(qiáng)度逐漸降低，加速其他作用破壞。

（3）如果不含或僅含少量重碳酸鹽（含HCO-的鹽）的水與水泥石長期接觸，在滲透水的作用下，混凝土中的Ca（OH）2隨水逐漸流失，溶液中的Ca（OH）2濃度不斷降低，形成溶出性破壞。

（4）水中溶解的CO2超過Ca（HCO3）2平衡所需，混凝土表面的Ca（HCO3）2會(huì)溶解于水中，引發(fā)混凝土有效成分流失，造成混凝土累積性破壞。

（5）水中含有大量Hz+，各種酸與Ca（OH）2作用后，生成相應(yīng)的鈣鹽，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引發(fā)混凝土破壞。

6 混凝土水害解決思路

6.1 對混凝土自身進(jìn)行強(qiáng)化

通過加強(qiáng)對原材料、配合比、攪拌運(yùn)輸、澆筑振搗和成品保護(hù)的管理，控制水灰比，提高混凝土的密實(shí)度。通過摻加各種外加劑，減少混凝土中水的用量，減少混凝土中自由水的含量，同時(shí)封閉堵塞混凝土中的毛細(xì)孔道，達(dá)到結(jié)構(gòu)自防水的要求［1］，防止由毛細(xì)水、自由水和外界水侵入造成的凍融交替脹性裂損。

6.2 用水選擇

無論是在成型階段還是在后期階段，在整個(gè)生命周期內(nèi)，水對混凝土影響都非常大。無論是混凝土拌合用水，還是養(yǎng)護(hù)用水，必須符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63）要求。對有疑問的水進(jìn)行水質(zhì)檢驗(yàn)時(shí)，必須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和規(guī)定的檢驗(yàn)程序進(jìn)行［4］。實(shí)際上，對混凝土有害的成分不僅僅來源于水，還有可能來源于骨料、外加劑和礦物摻合料中，在水媒介的作用下，對混凝土造成破壞。

6.3 混凝土生成過程中的保護(hù)和后期保護(hù)

6.3.1 混凝土生成過程中的保護(hù)

要注意對混凝土施工縫和變形縫的細(xì)部處理，防止發(fā)生滲漏水。要注意加強(qiáng)對混凝土強(qiáng)度成長期間的養(yǎng)護(hù)：首先養(yǎng)護(hù)用水的水質(zhì)要達(dá)標(biāo)，防止用水不當(dāng)造成對混凝土的硫酸鹽（SO42-）侵蝕、鎂鹽（Mg2+）侵蝕、軟水（（少HCO-環(huán)境））侵蝕、碳酸鹽侵蝕（富CO2環(huán)境）和一般酸性（富H+環(huán)境）侵蝕；其次，要選擇合理養(yǎng)護(hù)方法。養(yǎng)護(hù)應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，尤其應(yīng)注意開始7d的養(yǎng)護(hù)，防止混凝土表面發(fā)生收縮裂縫和其他裂縫破壞。

6.3.2 對混凝土的后期保護(hù)

做好混凝土結(jié)構(gòu)外防水，降低動(dòng)水壓力，隔絕阻斷水流入侵混凝土，同時(shí)防止混凝體中水分流失形成新的孔隙。針對不同周圍環(huán)境，對混凝土表面進(jìn)行適當(dāng)形式的保護(hù)，既能改善混凝土干濕狀況，又能防止混凝土在同空氣中的水蒸氣和CO2接觸后出現(xiàn)由表及里的碳化現(xiàn)象，影響混凝土的使用壽命。

7 結(jié)語

混凝土的質(zhì)量與用水關(guān)系十分密切，正確使用水對混凝土而言十分重要。