水工混凝土強度與耐久性改善措施研究

張安生

(盤山縣水利建筑工程處，遼寧 盤錦 124000)

實踐表明，強度和耐久性是反映水工混凝土質(zhì)量的重要參數(shù)，以往的水利工程比較注重強度而較少考慮耐久性能[1]。實際上，水工混凝土的耐久性體現(xiàn)了正常條件下水利工程長效運行的能力，直接決定著水工結(jié)構(gòu)的使用年限。近年來，氣候環(huán)境的改變和工程結(jié)構(gòu)的老化使得人們越來越關(guān)注耐久性問題[2-5]。原材料的含量及性質(zhì)在一定程度上決定了水工混凝土強度與耐久性，施工工藝與混凝土質(zhì)量也密切相關(guān)。因此，為提高水工混凝土強度和耐久性必須掌握原材料的質(zhì)量要求、作用及其性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上合理選擇原材料和施工工藝。

1 水工混凝土強度的改善措施

水利工程對水工混凝土有力學(xué)性能、抗凍性、抗?jié)B性等多種性能要求，強度與這些性能直接相關(guān)[6]。一般地，水工混凝土強度越高則其抗侵蝕介質(zhì)侵入、抗風(fēng)化、不透水性和剛性就越好，但干縮性、脆性也較大，很容易出現(xiàn)斷裂。所以，主要用強度來評價工程質(zhì)量狀況。

受力破壞時水工混凝土大多發(fā)生在水泥與骨料的分界面上，即出現(xiàn)黏結(jié)面破壞，且強度較低的水泥石破壞形式也比較常見。水工混凝土中骨料最先發(fā)生破壞的概率最小，這是由于黏結(jié)面和水泥石的強度遠遠小于骨料強度。因此，骨料表面的黏結(jié)強度及水泥石的強度與水灰比、水泥等級、骨料性質(zhì)直接相關(guān)，并決定了水工混凝土強度。

1.1 水泥強度等級與水灰比

水泥作為活性組分與混凝土強度密切相關(guān)，相同配合比情況下水泥等級越高則配制成的混凝土強度越高；水泥類型相同時，水灰比直接決定了混凝土強度。這是由于水泥水化所需的結(jié)合水僅占水泥質(zhì)量的20%左右，但拌合物拌制過程中，為獲取必要的流動性一般需要較多的水，即保證一定的水灰比。混凝土內(nèi)部存在的氣孔或水泡使得其抵抗荷載的斷面大大減小，孔隙周邊還可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。所以，同一水泥標號條件下，水灰比越小則強度越高。

另外，膠空比Pc或毛細管孔隙X也會影響水泥膠砂強度，其計算公式為：Pc=W/C-0.36a、X=0.68a/(0.32+W/C)，其中a為水化程度，W/C為水灰比。然而，實際上很難估計或測定以上指標值，并且任何水灰比程度下充分密實的水工混凝土都是由水膠比決定的。

外觀形狀和骨料與水泥石之間的黏結(jié)力密切相關(guān)，即同一水灰比與水泥標號情況下，選用卵石配置的結(jié)構(gòu)強度要低于碎石。

1.2 養(yǎng)護濕度與溫度

水泥水化速度取決于周圍環(huán)境的溫度，初期水化速度快、強度增長也快，但初期的水化速度過快會使得水化產(chǎn)物不均勻分布，水泥石的薄弱點集中分布在水化物稀疏的部位，使得結(jié)構(gòu)整體強度明顯下降；水化物稠密的區(qū)域水泥粒子周圍包裹的水化物會阻礙水化反應(yīng)，不利于后期強度的增強。在較低的養(yǎng)護溫度條件下，因水化緩慢具有相應(yīng)的擴散時間，能夠保證水泥石中水化產(chǎn)物的均勻分布，可為后期強度發(fā)展創(chuàng)造有利條件。溫度繼續(xù)降低至零點以下時混凝土內(nèi)的大部分水分結(jié)冰，冰與水泥顆粒無法發(fā)生反映，水化終止則強度也不再提升。另外，結(jié)冰膨脹還會產(chǎn)生作用于孔隙的巨大壓力，從而破壞毛細管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對結(jié)冰前混凝土已獲取的強度帶來損失。如果氣溫升高并開始融化，如此凍融循環(huán)使得內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，并進一步擴大增長，加之早期強度低很容易被凍壞。所以，早期混凝土要特別防止受凍。

水泥水化取決于周圍環(huán)境的濕度，合適的溫濕度能夠保證水化的正常進行和強度發(fā)展；若濕度不足會發(fā)生失水干縮，水泥水化作用受到影響甚至水化終止。水泥水化生成的凝膠吸附了混凝土中大量的自由水，這使得內(nèi)部參與水化的水分不斷減少，混凝土強度明顯降低，因未完成水化作用使得混凝土滲水增大，結(jié)構(gòu)疏松出現(xiàn)干縮裂紋，其耐久性受到較大影響。

因此，必須維持一定的溫濕度，促使水泥順利進行硬化。混凝土凝結(jié)后要在表面覆蓋草袋等，通過不斷澆水也可以防止不正常收縮的發(fā)生。夏季要按時澆水保持一定的適度，冬季采取有效的保溫，也有工程選用塑料薄膜的方法進行養(yǎng)護。

1.3 混凝土齡期

正常養(yǎng)護情況下，隨著齡期的延長混凝土強度不斷提高，7-14d齡期內(nèi)混凝土強度增長較快，28d齡期后增長變慢。混凝土的成熟度N(℃·d)是指溫度與歷時乘積的總和，成熟度與強度之間存在復(fù)雜的關(guān)系，不僅與養(yǎng)護制度、溫度等因素有關(guān)，還取決于混凝土的質(zhì)量和水泥的性質(zhì)。歷時內(nèi)未出現(xiàn)干燥失水，初始溫度處于可控區(qū)間時，混凝土成熟度與強度的對數(shù)表現(xiàn)出線性關(guān)系。

綜上分析，水工混凝土強度受諸多復(fù)雜因素的綜合影響，對于水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和養(yǎng)護必須全面考慮各種因素，從滿足工程使用要求出發(fā)做出科學(xué)合理、經(jīng)濟適用的方案。

2 水工混凝土耐久性改善措施

水工混凝土耐久性就是受外部或內(nèi)部多種因素作用，工程結(jié)構(gòu)發(fā)生演變最終失去其使用功能，即所謂的失效。一般地，引起耐久性失效的原因有鋼筋銹蝕、化學(xué)腐蝕、抗凍和堿集料反映等。水工混凝土耐久性在一定程度上取決于鋼筋保護層厚度和混凝土養(yǎng)護施工質(zhì)量，還是確定鋼筋混凝土保護層厚度和材料耐久性能的重要參數(shù)，有效的排水措施可以降低不利因素作用。

混凝土既要有足夠的強度確保能夠安全地承受荷載作用，還要考慮具體的使用要求以及周圍的自然環(huán)境，使其具備一定的特殊性能，例如混凝土承受壓力水作用時要具備一定的抗?jié)B性，遭受環(huán)境水侵蝕時要具備相應(yīng)的抗侵蝕能力，高溫環(huán)境下要具備一定的耐熱性能等。另外，在使用環(huán)境條件下要求混凝土性能保持一定穩(wěn)定性。因此，可將混凝土能夠維持結(jié)構(gòu)正常安全運行的能力稱為耐久性，一般包括鋼筋銹蝕、抗侵蝕、抗凍抗?jié)B、抗碳化和堿骨料反應(yīng)性能。

“百條禁令”是宿州公司安全管理與7S、強基管理相結(jié)合的一項創(chuàng)新成果，是關(guān)于防人身傷害安全管理客觀規(guī)律認識的高度概括和經(jīng)驗總結(jié)，是知行合一安全文化實踐發(fā)展的最新形式，是廣大干部員工集體智慧的結(jié)晶。它的出現(xiàn)，為電力企業(yè)防人身傷害工作指明了方向，提供了利器，成為反違章工作的強力抓手。

2.1 抗凍性

水工混凝土的抗凍性就是受凍融作用，在飽水情況下仍然維持其完整性的能力，齡期越長則抗凍性越好。水泥水化的不斷進行使得混凝土內(nèi)部可凍結(jié)的水分越來越少，水中溶解鹽濃度逐漸增加，其冰點也隨之下降，混凝土抗凍融能力有所提高。因此，將混凝土凍結(jié)前的養(yǎng)護時間延長能夠改善其抗凍性。一般地，采用快凍法測試混凝土的抗凍性能。其中，采用密實混凝土或加入防凍劑、減水劑和引氣劑的混凝土是最為有效的提高抗凍性的方法。

2.2 抗?jié)B性

水工混凝土的抗?jié)B性是在壓力作用下其抗水滲透作用的能力，直接決定了其抗侵蝕性和抗凍性。實踐表明，水工混凝土的內(nèi)部構(gòu)造、孔隙大小及其密實程度與抗?jié)B性密切相關(guān)。因振搗不密實產(chǎn)生蜂窩、孔洞、內(nèi)部孔隙和毛管通路等都會降低抗?jié)B能性。目前，影響抗?jié)B性因素主要有水泥品種、水灰比、養(yǎng)護方法、骨料粒徑、摻合料和外加劑等，具體如下：

1)水泥品種：水工混凝土抗性性與水泥性質(zhì)、品種有關(guān)，細度越大則孔隙率越低，相應(yīng)的抗?jié)B性也就越好。

2)水灰比：一般地，水灰比越大則抗?jié)B性越差，成型密實時其抗?jié)B性能主要受水泥品質(zhì)的影響。

3)養(yǎng)護方法：水工混凝土潮濕養(yǎng)護時的抗?jié)B性要優(yōu)于蒸汽養(yǎng)護，干燥環(huán)境下早期混凝土失水過多易出現(xiàn)收縮裂縫，使得其抗?jié)B性有所下降。

4)骨料粒徑：同一水灰比條件下，骨料最大粒徑越大則混凝土抗?jié)B性越差，因為水泥漿與骨料界面處易形成裂縫，骨料粒徑較大時邊緣處很容易產(chǎn)生空穴。

5)摻合料：將適量摻合料摻入水工混凝土中，可以發(fā)揮其界面、微骨料、活性和形態(tài)效應(yīng)，通過細化內(nèi)部孔隙改善混凝土密實度以及界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，提高其抗?jié)B性。

6)外加劑：摻入適量的外加劑有利于改善混凝土可以行及密實性，相應(yīng)的抗?jié)B性也會提高。

7)齡期：齡期越長則混凝土抗?jié)B性越好，隨著水泥水化的進行混凝土密實度不斷增加。

2.3 抗侵蝕性

水工混凝土處于腐蝕環(huán)境下就會發(fā)生侵蝕，一般有強堿、硫酸鹽、鎂鹽、氯離子和軟水等侵蝕類型。所用水泥的密實度、孔隙狀況與抗侵蝕性相關(guān)，環(huán)境水很難侵入孔隙封閉或密實度較高的混凝土中，故具有較強的抗侵蝕性。目前，主要通過改善孔隙結(jié)構(gòu)和密實度、減小水灰比、合理選擇水泥品種等措施提高水工混凝土抗侵蝕性。

2.4 堿骨料反應(yīng)

為有效減小堿骨料反應(yīng)所采取的方法如下：①有條件的地區(qū)可以采用非活性骨料；②無法選用無活性骨料時要嚴格控制總堿含量，砂石料的堿含量要符合現(xiàn)行標準要求，為了減少堿含量也可選用低堿水泥；③摻入粉煤灰、礦粉等活性混合料時，可在一定程度上抑制堿骨料反應(yīng)；④水分作為反應(yīng)的必要條件，所以要盡量控制水分的滲入。

2.5 混凝土碳化

混凝土碳化降低了內(nèi)部堿度，破壞了鋼筋表面的保護膜使其發(fā)生銹蝕，故碳化有不利作用。另外，碳化使得混凝土的收縮速度加快，著主要是碳酸鈣在無壓力處沉淀和氫氧化鈣晶體在干縮應(yīng)力下溶解所致。水泥用量不變時水灰比越低則碳化速度越慢，水灰比不變時水泥用量越高則越難碳化，二氧化碳濃度越大則碳化速度越快。在相對濕度100%或水中，由于水分填滿孔隙通道抑制了二氧化碳的滲入，所以碳化終止?；炷撂幱诟稍锃h(huán)境下時，因缺少所必需的水分碳化也會停止。所以，濕度處于50%-75%范圍時一般認為碳化最快。

綜上分析，水工混凝土耐久性涉及施工、設(shè)計、材料和環(huán)境等諸多復(fù)雜因素，為改善混凝土耐久性必須考慮各方面因素。通過嚴格的施工質(zhì)量、正確的材料選擇和科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等保證混凝土耐久性，并且要注重施工過程中的維護和管理。

3 結(jié) 語

水工混凝土強度和耐久性影響因素多而復(fù)雜，為了保證水工結(jié)構(gòu)質(zhì)量必須全面掌握混凝土的性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上科學(xué)設(shè)計和應(yīng)用。強度與耐久性密切相關(guān)，在本質(zhì)上內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水灰比有關(guān)。對于充分密實的混凝土，水灰比和孔隙率越低則混凝土強度越高；同時，孔隙率越低則抗?jié)B性越好，相應(yīng)的耐久性越好。在高性能水工混凝土中摻入高效減水劑、活性礦物材料等，既可以改善內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，還能夠消除或較小游離氧化鈣濃度，從而改善混凝土強度和耐久性。另外，在不考慮內(nèi)部破壞因素的情況下，混凝土強度越高則抗外界離子侵蝕破壞的能力越強。

在配制上，高性能水工混凝土既要選用優(yōu)質(zhì)骨料、水、水泥等原材料和低水灰比外，還必須摻入適量的高效減水劑和礦物集料，減少水泥用量、體積收縮和內(nèi)部孔隙率，提高強度和耐久性?？傮w而言，改善水工混凝土耐久性勢必成為未來的發(fā)展趨勢。