混凝土耐久性影響因素分析

鄭州科技學(xué)院 杜曉 方付慧

混凝土耐久性影響因素分析

鄭州科技學(xué)院 杜曉 方付慧

混凝土的使用已有一百多年的歷史，隨著混凝土應(yīng)用的加深，人們對它的認(rèn)識(shí)也越來越深。經(jīng)過多年的實(shí)踐，工程人士發(fā)現(xiàn)，即使混凝土強(qiáng)度再高，但若耐久性差、壽命短，則仍滿足不了工程的需求。實(shí)際施工中，對混凝土的要求也由強(qiáng)度向耐久性轉(zhuǎn)變，對混凝土耐久性的研究已成為一個(gè)熱門課題。

混凝土的耐久性實(shí)際上是指混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，它包括抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕、抗碳化、抗堿-骨料反應(yīng)及抗鋼筋銹蝕能力等方面，其影響因素既有環(huán)境溫濕度、周圍介質(zhì)等外因，也有混凝土自身的化學(xué)組成及孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙大小等內(nèi)因。外部介質(zhì)或者在混凝土表面直接發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，破壞混凝土結(jié)構(gòu)；或者通過孔隙滲透至混凝土內(nèi)部，破壞混凝土結(jié)構(gòu)。對于混凝土結(jié)構(gòu)的破壞來說，最關(guān)鍵的就是材料與水的相互作用。沒有水（或水蒸氣），混凝土就不會(huì)有滲透、凍融、碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)等現(xiàn)象發(fā)生，所以混凝土的滲透性、吸水性、吸濕性及親水性等，都是影響其耐久性的關(guān)鍵因素。影響混凝土滲透性、吸水性、吸濕性的關(guān)鍵因素是混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，影響其親水性好壞的是混凝土的化學(xué)組成。本文，筆者主要從混凝土的化學(xué)成分和礦物組成、混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)等方面，討論了它們對混凝土耐久性的影響。

一、水泥的化學(xué)成分、礦物組成對混凝土耐久性的影響

普通混凝土的基本組成中，最容易與外界環(huán)境發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的是膠凝材料水泥。水泥的化學(xué)成分、礦物組成是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素。

1.水泥化學(xué)成分對混凝土耐久性的影響。水泥成分復(fù)雜，含有SiO2，Al2O3，MgO，CaO，F(xiàn)e2O3等多種氧化物，其中以前4種含量為主，其化合鍵的強(qiáng)度由前到后依次降低。混凝土的耐久性主要是指其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這與膠凝材料化學(xué)組成的穩(wěn)定性密切相關(guān)。化學(xué)成分的穩(wěn)定性又可分為受外界環(huán)境和微觀結(jié)構(gòu)影響較小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和受外界環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大的表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與水泥中氧化物的化學(xué)鍵強(qiáng)度成正比例關(guān)系，即水泥中SiO2含量越多、CaO含量越少（硅鈣比越大），就越不易與侵入的介質(zhì)反應(yīng)，混凝土結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與化學(xué)鍵強(qiáng)度并不完全成正比例關(guān)系，它還和化學(xué)組分是否易與外部介質(zhì)發(fā)生作用有關(guān)。當(dāng)外界沒有能與其發(fā)生作用的介質(zhì)時(shí)，表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一樣，都隨化學(xué)鍵強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)；當(dāng)外界有能與其發(fā)生作用的腐蝕介質(zhì)時(shí)，化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面因斷鍵形成的表面能也越大，就越容易發(fā)生反應(yīng)，穩(wěn)定性就越差。

2.水泥礦物組成對混凝土耐久性的影響。水泥礦物組成中有C3S，C2S，C3A，C4AF等礦物，改變這些礦物含量的比例（也可以包括摻入混合材的比例）不僅會(huì)影響混凝土早期強(qiáng)度，還會(huì)影響混凝土的耐久性。對混凝土耐久性影響較大的是其水化產(chǎn)物中的水化硅酸鈣和氫氧化鈣，水化硅酸鈣具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，氫氧化鈣相對不穩(wěn)定。C2S與C3S相比，水化生成的水化硅酸鈣凝膠的硅鈣比相對較高，同時(shí)生成的Ca（OH）2數(shù)量也相對較少。因此，水泥的礦物組成中，C2S的含量越多，C3S的含量越少，越有利于提高混凝土的耐久性。

二、材料的孔隙結(jié)構(gòu)對混凝土耐久性的影響。

材料的孔隙結(jié)構(gòu)是指材料的孔隙大小和孔隙分布情況，它也是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素。材料的孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系到材料的滲透性、吸濕性和吸水性，其中滲透性對混凝土耐久性的影響最大。外部介質(zhì)通過滲透進(jìn)入材料內(nèi)部，進(jìn)而引起凍融、酸堿鹽腐蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料等反應(yīng)，從而降低混凝土的耐久性。

1.孔隙大小對耐久性的影響。混凝土中的孔隙大致可分為4類：超微孔（半徑r≤5 nm）、微毛細(xì)孔（5 nmr>100 nm）、非毛細(xì)孔（r≥10 000 nm）。其中，大毛細(xì)孔和非毛細(xì)孔之間的孔隙稱為過渡大孔。這些孔隙當(dāng)中，有的對混凝土耐久性的影響為正面效應(yīng)，有的為負(fù)面效應(yīng)。

（1）超微孔。超微孔（主要是凝膠孔）是對混凝土耐久性最有利的孔。超微孔由于孔徑細(xì)小，冰點(diǎn)很低（-40～-50℃），具有較好的抗凍性；孔徑細(xì)小則不會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)作用，因此不會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)孔滲透現(xiàn)象和混凝土自收縮增大現(xiàn)象，具有較好的抗?jié)B性和抗裂性。具有超微孔結(jié)構(gòu)的混凝土孔隙率很低，因此具有很高的強(qiáng)度和不透水性。故超微孔對混凝土耐久性的影響是利遠(yuǎn)大于弊，總體來說正面效應(yīng)較大。

（2）微毛細(xì)孔。微毛細(xì)孔對混凝土耐久性影響最不利。這種孔隙首先能產(chǎn)生毛細(xì)孔凝結(jié)現(xiàn)象，增強(qiáng)吸濕性；其次能產(chǎn)生較大的毛細(xì)孔壓力（在很多情況下這種壓力遠(yuǎn)大于水壓力或因濃度差產(chǎn)生的壓力）和毛細(xì)孔滲透力，使混凝土表層滲透速率和常壓滲透速率（指混凝土在沒有水壓差或溶液濃度差存在的常壓狀態(tài)下，因毛細(xì)作用而引起的滲透速率。）加大，并使混凝土自收縮增大。故微毛細(xì)孔會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)混凝土特別是暴露于大氣中的混凝土的抗凍性、抗裂性、耐化學(xué)腐蝕性和鋼筋的耐蝕性以及混凝土的表層抗?jié)B性和常壓抗?jié)B性全面下降。混凝土的抗凍性和抗?jié)B性作為混凝土的兩個(gè)最重要特性，受微毛細(xì)孔影響最大。因此，由上述分析可知，微毛細(xì)孔對混凝土耐久性的影響弊遠(yuǎn)大于利，總體來說負(fù)面效應(yīng)較大。

（3）大毛細(xì)孔。大毛細(xì)孔對混凝土耐久性的影響比較有利。因?yàn)榇竺?xì)孔雖然較微毛細(xì)孔孔隙率高，但能降低毛細(xì)孔壓力和毛細(xì)孔滲透力，減少混凝土自收縮裂縫，提高其抗?jié)B性。大毛細(xì)孔沒有毛細(xì)孔凝結(jié)現(xiàn)象，不會(huì)吸收空氣中的水分，反而可以將自身內(nèi)部的水分釋放到空氣中，從而提高混凝土的抗凍性和大氣穩(wěn)定性。

通過上述分析可知，隨著孔徑由小變大，3種孔隙對混凝土耐久性的影響從有利轉(zhuǎn)為不利，再從不利轉(zhuǎn)為有利。孔隙增大至過度大孔、非毛細(xì)孔時(shí)，對耐久性的影響仍是從有利轉(zhuǎn)為不利，再轉(zhuǎn)為有利的循環(huán)效應(yīng)。孔隙半徑區(qū)間與混凝土耐久年限的關(guān)系如圖1所示。

圖1 孔隙半徑區(qū)間與混凝土耐久年限的關(guān)系

2.孔隙大小的影響因素。影響孔隙大小的因素是多方面的，如水泥細(xì)度、水灰比、外加劑、施工質(zhì)量等,這些都是間接影響混凝土耐久性的重要因素。

（1）水泥細(xì)度。提高水泥中的細(xì)顆粒含量可以增加水化速度，進(jìn)而提高混凝土早期強(qiáng)度，但會(huì)增加混凝土的自收縮，同時(shí)也會(huì)影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。研究表明，水泥顆粒中小于5μm的細(xì)顆粒含量增多時(shí)能明顯改變混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土中的大毛細(xì)孔數(shù)量減少，微毛細(xì)孔數(shù)量增多。如前所述，微毛細(xì)孔對混凝土耐久性的影響是最不利的，且有實(shí)驗(yàn)表明，在氣干狀態(tài)下（與實(shí)際使用環(huán)境條件相近），水泥中細(xì)顆粒含量越多，所制得的混凝土試塊在毛細(xì)孔壓力作用下的滲透高度和滲透速率也隨之增加。滲透性越好，耐久性就越差。因此，水泥顆粒中細(xì)顆粒含量過多會(huì)降低混凝土使用壽命。

（2）水灰比。水灰比也會(huì)影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。眾所周知，水灰比越大，水泥硬化后，內(nèi)部因水分蒸發(fā)而留下的孔隙越多，強(qiáng)度越低。水灰比還會(huì)影響混凝土的耐久性，有研究表明，氣干狀態(tài)下，混凝土早期滲水速率和滲水高度均隨水灰比增大而減小。即水灰比越低，混凝土滲透性越強(qiáng)，相應(yīng)的耐久性就越差。因此并不是水灰比越低越好，盲目降低水灰比雖能增加混凝土強(qiáng)度，但會(huì)增強(qiáng)其滲透性，因此對耐久性不利。

（3）外加劑。外加劑主要使用引氣劑。加入引氣劑可以生成大量封閉的微小氣泡，改善孔隙結(jié)構(gòu)，提高耐久性。

（4）施工質(zhì)量。施工質(zhì)量的控制主要是指加強(qiáng)施工中的攪拌、振搗、養(yǎng)護(hù)控制，避免出現(xiàn)蜂窩狀的孔洞。

三、結(jié)論

1.對因水泥化學(xué)成分、礦物組成影響的混凝土耐久性問題，主要通過增加氧化物SiO2的含量，提高礦物組成中C2S含量，控制C3S和C3A含量，來達(dá)到提高硅鈣比的目的，從而提高混凝土的穩(wěn)定性。

2.對因孔隙結(jié)構(gòu)引起的混凝土耐久性問題，首先可以通過控制水泥顆粒中細(xì)粉含量來控制混凝土耐久性，而加入經(jīng)超細(xì)粉磨的混合材，更可以制得以超微孔為主要孔隙的超密實(shí)混凝土。其次，可以通過調(diào)整混凝土的水灰比，使其既滿足強(qiáng)度要求，又滿足耐久性要求。施工時(shí)控制好各段工序的施工質(zhì)量，必要時(shí)可加入引氣劑，但引氣劑摻量必須加以嚴(yán)格控制。

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