淺談高性能混凝土耐久性的特點及應(yīng)用

魏 濤 張漢璐

（德州市交通工程監(jiān)理公司 山東 德州 253000）

從去年在濰坊到現(xiàn)在青島雙積公路，接觸高性能混凝土也有兩年時間了，對高性能混凝土耐久性有點皮毛認(rèn)識。

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的具有高工作性、高強(qiáng)度、高耐久性的綜合性能優(yōu)良的混凝土。具體是：

1）拌合料呈高塑或流態(tài)、可泵送、不離析，在大沽河特大橋40米箱梁混凝土坍落度180-220mm，便于澆筑密實；

2）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(xì)裂縫，徐變小；

3）有很高的抗?jié)B性。其中高工作性是高性能混凝土必須具備的首要條件，即高流動性、高抗分離性、高間隙通過性、高填充性、高密實性、高穩(wěn)定性；并同時具備低成本的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。高性能混凝土具有很豐富的技術(shù)內(nèi)容，其核心是保證耐久性。

1 混凝土工程耐久性不足的后果

混凝土工程因其工程量浩大，將會因耐久性不足對未來社會造成極為沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)我從網(wǎng)上搜索的資料美國一項調(diào)查顯示，美國的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程總價值約為6萬億美元，每年所需維修費(fèi)或重建費(fèi)約為3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已有損壞，平均每年有150-200座橋梁部分或完全坍塌，壽命不足20年；美國共建有混凝土水壩3000座，平均壽命30年，其中32%的水壩年久失修。

美國對二戰(zhàn)前后興建的混凝土工程，在使用30-50年后進(jìn)行加固維修所投入的費(fèi)用，約占建設(shè)總投資的40%-50%以上。中國20世紀(jì)50-60年代所建設(shè)的混凝土工程已使用40余年，如果我國混凝土工程的平均壽命按30-50年計，在今后的10-30年內(nèi)，為了維修建國以來所建基礎(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用，將是極其巨大的。

目前，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模宏大，每年高達(dá)2萬億元人民幣以上，約30-50年后，這些工程也將進(jìn)入維修期，所需的維修費(fèi)或重建費(fèi)將更為巨大。作為21世紀(jì)的高性能混凝土，更要從提高混凝土耐久性入手，以降低巨額的維修和重建費(fèi)用。

2 影響混凝土耐久性的主要因素

一般混凝土工程的使用年限約為50-100年，不少工程在使用10-20年后，有的甚至使用9年以后，即需要維修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能滿足耐久性(超耐久)要求的根本原因，在于混凝土本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

首先，為滿足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而導(dǎo)致混凝土的孔隙率很高，約占水泥石總體積的25%-40%，特別是其中毛細(xì)孔占相當(dāng)大部分，毛細(xì)孔是水分、各種侵蝕介質(zhì)、氧氣、二氧化碳及其它有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，引起混凝土耐久性的不足。

其次，水泥石中的水化物穩(wěn)定性不足。水泥水化后的主要化合物是堿度較高的高堿性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。此外，在水化物中還有數(shù)量很大的游離石灰，它的強(qiáng)度極低，穩(wěn)定性極差，在侵蝕條件下，是首先遭到侵蝕的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必須減少或消除這些穩(wěn)定性低的組分，特別是游離石灰。

3 提高混凝土耐久性的技術(shù)途徑

如前分析，要提高混凝土的耐久性，必須降低混凝土的孔隙率，特別是毛細(xì)管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但是如果純粹的降低用水量，混凝土的工作性將隨之降低，又會導(dǎo)致?lián)v實成型工作困難，同樣造成混凝土結(jié)構(gòu)不致密，甚至出現(xiàn)蜂窩等宏觀缺陷，不但混凝土強(qiáng)度降低，而且混凝土的耐久性也同時降低。目前減少孔隙率的途徑往往是摻入高效減水劑。

3.1 摻入高效減水劑

在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減小水灰比，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)嚢韬螅瑫a(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，就必須在拌和時相應(yīng)地增加用水量，這樣就會促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙。當(dāng)加入減水劑后，減水劑的定向排列，使水泥質(zhì)點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，同時使水泥絮凝狀的絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來，因而達(dá)到減水的目的。

3.2 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(礦渣、粉煤灰等)中含有大量活性二氧化硅及活性三氧化二鋁，它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化矽酸鈣，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。有些超細(xì)礦物摻料，其平均粒徑小于水泥粒子的平均粒徑，能填充于水泥粒子之間的空隙中，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透路。

3.3 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)收縮和干縮過大引起的開裂，水化熱過性過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿集料反應(yīng)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。限制或消除從原材料引入的堿、硅酸、氯離子等可以引起結(jié)構(gòu)破壞和鋼筋蝕物質(zhì)的含量，加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)生，提高混凝土的耐久性。

3.4 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)，都與水灰比這個因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實條件下，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，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)代的高性能混凝土中，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，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)。

4 結(jié)論

高性能混凝土在配制上的特點是低水灰比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，必須對骨料的含泥量進(jìn)行嚴(yán)格控制，除水泥、水和骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物集料和高效減水劑，減少水泥用量，減少混凝土內(nèi)部孔隙率，減少體積收縮，提高強(qiáng)度，提高耐久性。

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)：GBJ10-89混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑出版社，2002.

［2］孫忠義，王建華.公路工程試驗工程師手冊[Z].人民交通出版社，2004.

［3］獎?wù)龢s.建筑施工工程手冊[Z].中國建筑工業(yè)出版社，2006.