正確認(rèn)識(shí)混凝土，提高混凝土的耐久性

>摘要：

自從硅酸鹽水泥問(wèn)世以來(lái)，在土建工程中混凝土已成為當(dāng)今用途最廣、用量最大的建筑結(jié)構(gòu)材料之一，它的質(zhì)量直接關(guān)系到工程的質(zhì)量、使用壽命以及人民的生命、財(cái)產(chǎn)的安全。然而，由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn)，特別是某些混凝土工程在短期內(nèi)遭受嚴(yán)重破壞的慘痛教訓(xùn)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性越來(lái)越引起建筑管理部門和設(shè)計(jì)、施工部門的重視。因此提高混凝土的耐久性不僅對(duì)于發(fā)揮建筑的功能性很重要，而且從環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等角度來(lái)看同樣具有非常重要的意義。

一、混凝土的概述及分類

混凝土是指膠凝材料、水、粗、細(xì)骨料，必要時(shí)摻入一定數(shù)量的化學(xué)外加劑和礦物混合材料，按適當(dāng)?shù)谋壤渲茫?jīng)均勻攪拌，密實(shí)成型和養(yǎng)護(hù)，硬化而成的人造石材。它是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一，具有原料豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因而使其用量越來(lái)越大。同時(shí)混凝土還具有抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，強(qiáng)度等級(jí)范圍寬等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使其使用范圍十分廣泛，不僅在各種土木工程中使用，就是造船業(yè)，機(jī)械工業(yè)，海洋的開(kāi)發(fā)，地?zé)峁こ痰龋炷烈彩侵匾牟牧稀；炷量梢园床煌臉?biāo)準(zhǔn)分類：

（一）按膠凝材料分類

無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土，如水泥混凝土、石膏混凝土、硅酸鹽混凝土、水玻璃混凝土等；有機(jī)膠結(jié)料混凝土，如瀝青混凝土、聚合物混凝土等。此外，無(wú)機(jī)與有機(jī)復(fù)合的膠體材料混凝土，還可以分聚合物水泥混凝上和聚合物輯靛混凝土。

（二）按表觀密度分類

混凝土按照表觀密度的大小可分為：重混凝土、普通混凝土、輕質(zhì)混凝土，這三種混凝土不同之處就是骨料的不同。重混凝土是表觀密度大于2500公斤/立方米，用特別密實(shí)和特別重的集料制成的。如重晶石混凝土、鋼屑混凝土等，它們具有不透x射線和γ射線的性能；常由重晶石和鐵礦石配制而成。普通混凝土即是我們?cè)诮ㄖ谐Ｓ玫幕炷粒碛^密度為1950～2500Kg/立方米，主要以砂、石子和水泥配制而成，是土木工程中最常用的混凝土品種。輕質(zhì)混凝土是表觀密度小于1950公斤/立方米的混凝土。

（三）按使用功能分類

結(jié)構(gòu)混凝土、保溫混凝土、裝飾混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防輻射混凝土等。

（四）按施工工藝分類

離心混凝土、真空混凝土、灌漿混凝土、噴射混凝土、碾壓混凝土、擠壓混凝土、泵送混凝土等。按配筋方式分有：素（即無(wú)筋）混凝土、鋼筋混凝土、鋼絲網(wǎng)水泥、纖維混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土等。

對(duì)于建筑而言混凝土是一種充滿生命力和無(wú)限潛力的材料。如今隨著混凝土組成材料的不斷發(fā)展，人們對(duì)材料復(fù)合技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷提高。對(duì)混凝土的性能要求也不僅僅局限于抗壓強(qiáng)度，而是在強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，更加注重混凝上的耐久性、變形性能等綜合指標(biāo)的平衡和協(xié)調(diào)。同時(shí)，建筑設(shè)備水平的提升，新型施工工藝的不斷涌現(xiàn)和推廣，使混凝土技術(shù)適應(yīng)了不同的設(shè)計(jì)、施工和使用要求。因此立足當(dāng)前原材料，然后采用科學(xué)、合理、可行的技術(shù)線路、技術(shù)手段配制出滿足設(shè)計(jì)要求、施工工藝要求和使用要求的優(yōu)質(zhì)混凝土至關(guān)重要。

二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)狀

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可靠性在規(guī)定的目標(biāo)使用期內(nèi)不低于規(guī)范要求，不需花費(fèi)大量的資金維修與加固，長(zhǎng)期保持安全強(qiáng)度和外觀完整性的能力。混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命要求一般為40-50年，有的要求上百年。正由于對(duì)耐久性認(rèn)識(shí)不足，我國(guó)的很多混凝土結(jié)構(gòu)在使用不到20-30年，就出現(xiàn)了耐久性破壞，有的甚至不到5年就需要大修。這種情況之所以存在，主要是由于沒(méi)有按混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的要求正確選擇原材料的品種，施工中不遵循規(guī)章，水灰比失控及振搗、養(yǎng)護(hù)欠妥導(dǎo)致的。也不可否認(rèn)，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員偏重于從結(jié)構(gòu)的承載力角度考慮問(wèn)題，缺乏對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的充分認(rèn)識(shí)，也是一個(gè)重要原因。

三、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素

（一）混凝土的凍融破壞

處于水和寒冷共同作用下的地區(qū)，混凝土建筑物的破壞是以凍融破壞為主要因素。混凝土的凍害是由于當(dāng)結(jié)構(gòu)處于冰點(diǎn)以下環(huán)境時(shí)，部分混凝土內(nèi)空隙中的水將結(jié)冰，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，此種膨脹應(yīng)力如超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，即可導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生破壞。混凝土的抗凍性能與混凝土內(nèi)部的氣孔結(jié)構(gòu)和氣泡含量多少密切相關(guān)。氣孔越少越小，破壞作用就越小，封閉氣泡越多，抗凍性就越好。影響混凝土抗凍性的因素，除了氣孔結(jié)構(gòu)和含氣量外，還與混凝土的飽和度、水灰比、混凝土的齡期、集料的空隙率及其間的含水率有關(guān)。

（二）堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)也叫堿硅反應(yīng)，是指混凝土中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開(kāi)裂的現(xiàn)象。因堿骨料反應(yīng)時(shí)間較為緩慢，短則幾年，長(zhǎng)則幾十年才能被發(fā)現(xiàn)，所以堿骨料反應(yīng)給混凝土工程帶來(lái)的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。破壞形成主要有兩種：堿硅酸反應(yīng)和堿碳酸鹽反應(yīng)。堿硅酸反應(yīng)是指堿性溶液與骨料中的硅酸類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成凝膠體。堿碳酸鹽反應(yīng)是水泥水化物中的堿與骨料中的碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，骨料中的陶土礦和結(jié)晶狀巖石的存在會(huì)影響反應(yīng)的加速。

（三）鋼筋銹蝕破壞

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是世界上應(yīng)用最普遍、范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式，鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過(guò)早破壞，已經(jīng)成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的一大災(zāi)害。在鋼筋混凝土中，混凝土為鋼筋提供了堿性環(huán)境，當(dāng)保護(hù)層混凝土碳化或厚度不足時(shí)，鋼筋在一定的環(huán)境條件下將發(fā)生銹蝕，削減鋼筋的斷面同時(shí)鐵銹膨脹可引起混凝土開(kāi)裂，破壞混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力，削弱混凝土與鋼筋的共同工作，降低結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼筋銹蝕破壞被專家明確地將排在影響混凝土耐久性因素的首位，而來(lái)自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。如韓國(guó)曾發(fā)生一系列建筑破壞、倒塌事件，其中很多也與“鹽害”有關(guān)。在我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到6年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開(kāi)裂、剝落。北京、天津的許多立交橋因?yàn)槔涮烊鳆}化冰雪也日益暴露出嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問(wèn)題，不得不斥巨資修復(fù)。

（四）混凝土的抗?jié)B性和抗腐蝕性

已有的研究表明，影響混凝土耐久性的各種破壞過(guò)程幾乎都與其孔隙組成有密切關(guān)系，根本上取決于混凝土的滲透性，因此獲得高耐久性與長(zhǎng)壽命的混凝土關(guān)鍵是提高抗?jié)B性。混凝土的抗?jié)B性，指混凝土抵抗壓力水滲透的能力。混凝土阻礙液體向其內(nèi)部流動(dòng)的能力越好，混凝土的抗?jié)B性越好。混凝土的耐久性與水和其它有害化學(xué)液體流入其內(nèi)部的數(shù)量、范圍等有關(guān)，因此抗?jié)B性能高的混凝土，其耐久性就高。同樣，混凝土的抗腐蝕性能取決于本身微觀結(jié)構(gòu)，尤其是漿體的孔隙率。

由于高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率較普通混凝土有明顯改善，因此與漿體中水或侵蝕介質(zhì)侵入過(guò)程中有關(guān)的物理和化學(xué)侵蝕作用就會(huì)削弱。所以高性能混凝土比普通混凝土更耐久，更能抵抗環(huán)境腐蝕介質(zhì)的破壞。

四、提高混凝土耐久性的措施

“工程質(zhì)量、百年大計(jì)”混凝土耐久性是影響工程使用壽命的主要問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)影響混凝土耐久性的主要因素：凍融破壞、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕破壞、抗?jié)B性和抗腐蝕性等，根據(jù)工程具體情況采取相應(yīng)措施，提高混凝土的耐久性。

（一）做好混凝土的防凍融工作

首先，應(yīng)調(diào)配適用于在0℃左右的混凝土，選擇適當(dāng)品種的水泥是提高混凝土抗凍的重要手段。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)使用早強(qiáng)硅酸鹽水泥。該水泥水化熱較大，且在早期放出強(qiáng)度最高。其次，降低水灰比、稍增水泥用量，從而增加水化熱量，縮短達(dá)到臨界強(qiáng)度的時(shí)間。使用引氣技術(shù)（加引氣劑）。但是，由于引入空氣微泡會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，加之市場(chǎng)上引氣劑品種繁多，質(zhì)量參差不齊，故在工程使用時(shí)應(yīng)慎重選用。此外還有蓄熱法、外部加熱法、摻抗凍外加劑等方法。

（二）控制混凝土原材料總堿量

要控制水泥的含堿量，由于混凝土中堿的來(lái)源不僅是從水泥而且還從混合材、外加劑、水甚至有時(shí)從骨料例如海砂中來(lái)，因此還要控制混凝土各種原材料總堿量，這比單純控制水泥含堿量更重要。摻混合材或某些活性混合材也可緩解、抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)。此外，隔絕水和濕空氣的來(lái)源，也能有效地隔絕水和空氣的來(lái)源，可以取得緩和堿骨料反應(yīng)對(duì)工程損害的效果。

（三）減輕鋼筋銹蝕破壞

可以采用防護(hù)材料或外部措施，如采用噴塑鋼筋、鋼筋表面涂鋅、混凝土中摻加緩蝕劑、混凝土表面涂刷防護(hù)層、采用聚合物浸漬混凝土表層以及設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)施等。保證有足夠的混凝土保護(hù)層厚度，混凝土澆筑要密實(shí)，控制混凝土拌和物中的氯鹽含量，及時(shí)維修損壞的和有裂縫的混凝土。在生產(chǎn)工藝方面，要減少蒸汽、有害氣體在結(jié)構(gòu)四周的溢散，對(duì)有侵蝕性氣體、粉塵作用的廠房，應(yīng)加強(qiáng)自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)。

（四）加強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性和抗腐蝕性

混凝土滲透性與耐久性之間有著密切的關(guān)系，混凝土獲得高耐久性與長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是提高混凝土的抗?jié)B性。因此，對(duì)已有建筑來(lái)說(shuō)，表面處理是一種簡(jiǎn)單有效的方法。摻加高效減水劑，在保證混凝土拌和物所需工作性的同時(shí)，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙率，特別是毛細(xì)孔隙率大幅度降低。摻入高效活性礦物摻和料，如硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，有效地阻斷可能形成的滲透通道，提高混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土自身抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力。在我國(guó)侵蝕性介質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)危害最嚴(yán)重的應(yīng)是氯鹽的影響，提高混凝土抗氯離子滲透能力的措施是限制水灰比，保證最低水泥用量以確保堿度，摻入適量?jī)?yōu)質(zhì)摻和料如粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰等。以上主要說(shuō)了前面提到的四個(gè)方面，其實(shí)影響混凝土的耐久性還有很多方面，其措施也就還有很多。如原材料選擇問(wèn)題、碳化問(wèn)題等，這里就不一一列舉。

五、結(jié)論

目前，提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性已經(jīng)成為全世界關(guān)注的重大課題，尤其是我國(guó)正處于大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的歷史性時(shí)期，加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能保證基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的安全性和外觀性，最大限度地發(fā)揮混凝土結(jié)構(gòu)的使用價(jià)值。因此，提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)工程使用壽命，盡量減少維修重建費(fèi)用是建筑行業(yè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵。

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【作者單位：湖北工程學(xué)院城市建筑學(xué)院】