混凝土的耐久性分析

蒲建國（1 西安建筑科技大學，陜西 西安 710055；2 酒泉職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 酒泉 735000）

自波特蘭水泥問世以來，混凝土材料及其應用技術(shù)得到不斷發(fā)展。與其它材料相比，混凝土可按要求澆筑成型，經(jīng)濟、節(jié)能，而且是最耐久的材料之一。混凝土的這些特點使它成為現(xiàn)代土木工程中不可缺少、用量最大、用途最廣的建筑材料。而混凝土的耐久性目前引起了各國政府及科研機構(gòu)的重視。

1 混凝土的耐久性不足造成的后果

混凝土從低強度到高強度的發(fā)展歷程中，科研技術(shù)人員把主要精力集中到了混凝土的強度上。因環(huán)境作用，混凝土結(jié)構(gòu)造成過早失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外屢見不鮮，并有愈演愈烈之勢。根據(jù)國內(nèi)外資料，在日本許多港灣建筑、橋梁等，建成后不到10年時間，混凝土表面即出現(xiàn)開裂、剝落，鋼筋銹蝕外露[1]。由美國國家材料顧問委員會提交報告報道大約253000 座混凝土橋梁的橋面板出現(xiàn)不同程度的破壞。Gerwick、Khanna 和Shayan、Quick 等人分別報道了一些國家的海底隧道、海洋樁基和鐵路軌枕過早出現(xiàn)嚴重劣化的現(xiàn)象[2]。在我國建設部于20 世紀90年代組織了對國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)建筑在使用25～30年后即需大修，相對于房屋建筑來說，處于露天環(huán)境下的橋梁耐久性與病害狀況更為嚴重。

2 混凝土耐久性破壞機理分析

混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。影響混凝土耐久性主要有內(nèi)部因素、外部因素、混凝土的體積穩(wěn)定性、受力等因素[3]，下面作具體分析。

2.1 混凝土的碳化破壞機理

混凝土碳化是一個復雜的物理化學過程，指空氣中的 CO2氣體與混凝土中液相的 Ca(OH)2作用，生成 CaCO3和H2O的中性化過程，此外，水化硅酸鈣以及未水化的硅酸三鈣和硅酸二鈣也要消耗 CO2氣體。碳化使混凝土的孔隙率降低，密實度提高，因而對混凝土的力學性能和構(gòu)件的受力性能有明顯的影響?；炷撂蓟饕痄摻钿P蝕的問題。

2.2 混凝土的凍融破壞機理

混凝土的凍融破壞國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究工作，混凝土凍融破壞問題在我國北方較為普遍，凍融破壞是引起北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性喪失的主要原因。在去冰鹽存在時,凍融破壞會被大大加速。1945年P(guān)owers 提出的靜水壓假說和Helmuth 一起提出滲透壓假說?；炷羶?nèi)部的空隙起著主要的作用，混凝土凍融破壞主要取決于混凝土自身的空隙大小。混凝土孔溶液中溶有鉀、鈉等離子，比普通水的冰點低，當環(huán)境溫度降到-1～-1.9℃,混凝土空隙中的水從大孔開始結(jié)冰，逐漸擴展到小孔，在溫度低于-12℃時毛細孔水結(jié)冰，體積膨脹9%產(chǎn)生靜水壓力，水在混凝土毛細孔中結(jié)冰造成的凍脹開裂使混凝土的彈性模量、力學性能嚴重下降，可看到裂縫和剝蝕。

2.3 混凝土的堿-骨料反應

堿-骨料反應（簡稱AAR）主要有兩種類型：堿－硅酸反應和堿－碳酸鹽反應[4]。一般在混凝土澆筑后2、3年或者更長時間，混凝土中堿與骨料中活性組分發(fā)生的膨脹性反應,主要引起混凝土的膨脹和開裂，混凝土的微結(jié)構(gòu)被改變，從而導致失去強度、彈性模和耐久性，嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性，并且反應一旦發(fā)生很難阻止，又被稱為混凝土的“癌癥”。如1984年北京建成的三元立交橋橋墩,1990年就在橋的潮濕部位發(fā)現(xiàn)有堿骨料反應而損壞的現(xiàn)象。

2.4 化學侵蝕

混凝土的化學侵蝕結(jié)構(gòu)處在有侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境時,會發(fā)生一系列化學和物理反應,而逐步受到侵蝕。硫酸鹽侵蝕是混凝土化學侵蝕中最廣泛、最普遍的形式，是典型的膨脹性侵蝕。硫酸根離子與鋁酸鹽組分發(fā)生化學反應，C3A的水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣和水化單硫鋁酸鈣都能與石膏發(fā)生反應生成水化三硫鋁酸鈣（鈣礬石），在腐蝕初期，有新生成的鹽結(jié)晶體的體積增長，使混凝土孔隙率變小，密實度提高，強度有所提高，在后期由于大量膨脹性產(chǎn)物在孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的膨脹應力不斷增長，使孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，導致混凝土被破壞。

3 提高混凝土耐久性的技術(shù)措施

3.1 正確選擇混凝土材料和配合比

1）優(yōu)選水泥品種

不同品種的水泥對化學結(jié)合能力、強度的形成、耐腐蝕性、耐凍性、抗?jié)B性和延緩碳化的能力有很大差別，一般環(huán)境條件下，宜選用低水化熱和含堿量低的水泥，不宜選用早強的水泥[5]。目前世界范圍內(nèi)正在研制開發(fā)生產(chǎn)的高貝利特水泥（HBC），是一種比較理想的用于配制耐久混凝土的水泥品種。其抗凍性能優(yōu)于同樣標號的普通硅酸鹽水泥，同時還有良好的抗化學侵蝕性能和抑制堿骨料反應的能力。

2）重視骨料的質(zhì)量

根據(jù)混凝土耐久性的需要，選用的骨料之地要堅硬，具有足夠的強度，且具有穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì)，選用堅硬、致密和高強度的骨料至關(guān)重要，且骨料的含泥量符合標準要求。對于凍融循環(huán)等嚴酷環(huán)境下，粗骨料的最大粒徑不宜超過25mm，不超過保護層的2/3，對于重要工程采用的骨料應作堿活性檢驗。

3）控制水灰比和水泥用量

水灰比關(guān)系混凝土的空隙率的多少，影響CO2在孔隙中的擴散程度和混凝土的碳化速度，控制水灰比是為了減少混凝土拌合料凝固后多余的水逸出產(chǎn)生的毛細孔道和空隙,減小滲透性,防止凍融破壞和破壞結(jié)構(gòu)表面的美觀。水泥用量要保證混凝土的密實性，不低于最小用量，確定最佳水泥用量和水灰比。

4）配制高性能混凝土

高性能混凝土是指采用普通原材料、常規(guī)施工工藝，通過摻加外加劑和摻合料配制而成，具有耐久性、工作性、各種力學性能、適用性、體積穩(wěn)定性與經(jīng)濟合理性綜合性能的混凝土[6]。拌合料呈高塑或流態(tài),可泵送，不離析，便于澆筑密實；在凝結(jié)硬化過程中和硬化后的體積穩(wěn)定，水化熱低，不產(chǎn)生微細裂縫，徐變小,有很高的抗?jié)B性。

3.2 加強施工管理

在施工階段，檢查骨料的含水量，減少用水量；針對大體積混凝土的澆筑應采取相應澆注和養(yǎng)護措施,防止產(chǎn)生裂縫；嚴格按照施工操作規(guī)程有序的進行振搗，提高混凝土密實度和抗?jié)B性,并且做好混凝土的養(yǎng)護工作。對于混凝土構(gòu)件應防止過早的拆模及支撐，嚴格按照規(guī)范的標準操作，以免給混凝土的耐久性造成隱患。對于特殊的季節(jié)及特殊條件下進行的施工，因根據(jù)不同的環(huán)境采取相應的措施，確?；炷恋馁|(zhì)量滿足施工要求。

4 結(jié)語

提高混凝土的耐久性是保持國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，隨著我國近幾年大規(guī)模的基礎(chǔ)設施建設，混凝土耐久性的問題也得到各級主管部門及科研院所的重視，混凝土的研究開發(fā)技術(shù)也得到了相應的提高，高性能混凝土在各類工程中得到了廣泛的應用。

[1]馮乃謙,邢鋒.《高性能混凝土結(jié)構(gòu)》機械工業(yè)出版社，2000年.1-2

[2]P.K.Mehta.耐久性—影響未來的關(guān)鍵問題，清華大學土木工程系建材教研室編，高強混凝土與高性能混凝土譯文集（第五冊）2000年：10 一19

[3]黃志山,王大超.混凝土的耐久性[C].全國高性能混凝土和礦物摻合料的研究與工程應用技術(shù)交流會論文集.2006.51-57

[4]吳中偉,廉慧珍.《高性能混凝土》[M]北京：中國鐵道工業(yè)出版社，1999.231-232

[5]張譽等編著.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海：科學技術(shù)出版社，2003.303-305

[6]吳中偉.高性能混凝土—綠色混凝土[J].混凝土與水泥制.2000（1）.1-6