提高復雜環境下混凝土服役壽命的技術措施研究

朱曉萍，邱成江，董興林，余明坤

（1. 海納明川建設工程有限公司 云南 昆明 650000）

（2.云南省建筑科學研究院 云南 昆明 650223）

0 引言

混凝土是一種人造石材，以其整體性好，可塑性好，維護方便成為如今建筑行業用量最大的一種建筑材料。但現有調研表明，我國至少有50%的混凝土建筑提前進入老化階段，即有超過20 億m2的混凝土建筑未達到預期服役壽命[1]；設計服役年限50 年的混凝土工業建筑往往在服役齡期達到25～30 年就需要大修加固[2]。造成這一現象的主要原因是由于混凝土在服役階段會受到凍融、海水侵蝕、有壓水等復雜環境的侵蝕，造成混凝土出現開裂、表層剝落、鋼筋銹蝕甚至是結構失效，大大縮減了混凝土的服役壽命。

如今我國正處于大規模基礎建設階段，尋找切實有效的技術措施提高混凝土在復雜環境下的服役壽命，是保證混凝土工程的安全性、可靠性以及功能要求的重點，對我國工程建設的發展有著重大意義。鑒于此，本文綜述了部分學者為提高惡劣環境下混凝土服役壽命所做的研究，為混凝土結構耐久性設計、施工及維護提供一定的參考。

1 現階段混凝土工程主要遭受的復雜環境

1.1 復雜凍融環境

在寒冷地區的混凝土經常會遭受凍融作用的影響，產生的冰脹壓及水分的滲透壓會導致混凝土出現開裂、表層破壞甚至是失效[3]；而近些年來，為避免冰雪對混凝土路面通行的影響，往往會采用除冰鹽來融化冰雪，這進一步惡化了交通混凝土的服役環境；加上大多混凝土工程不可避免地會遭受到大氣的侵蝕而發生碳化，當在碳化、凍融以及鹽類的共同作用下，混凝土會出現非常嚴重的鹽凍剝蝕破壞[4]，同時鹽類中的有害離子會引起混凝土內鋼筋的銹蝕，從而造成混凝土結構安全性的下降。為確保復雜凍融環境下混凝土的服役壽命，必須提高混凝土的抗滲水性能、抗凍性能、抗氯離子滲透能力以及抗碳化能力[5]。

1.2 復雜鹽類侵蝕環境

我國沿海地區的部分跨海大橋工程、海底隧道工程、近海工程等經常會受到海水或其他含有害離子液體浸泡—干燥—再浸泡—再干燥的干濕循環作用。已有研究表明[6]干濕循環下混凝土的劣化速率遠高于持續浸泡下，而有害介質下的干濕循環會直接導致混凝土表層出現脹裂，抗滲性能下降，從而致使鋼筋銹蝕、混凝土整體強度下降等缺陷。所以為保證鹽類侵蝕環境下混凝土的服役能力，必須提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能、抗氯離子滲透性能以及抗滲性能[7]。

1.3 復雜有壓水環境

對于實際工程中混凝土水壩、水渠、涵管、或混凝土罐體等混凝土建筑來說，服役期間會長期接觸有壓水。混凝土在長期接觸有壓水的情況下容易發生滲漏，造成污染；再者，若水中有害離子過多，則會導致混凝土表層被剝蝕，誘發混凝土內部鋼筋銹蝕，極大地縮短混凝土的服役壽命；再一方面，已有研究表明[8]，若混凝土長期接觸有壓水，將會大大提高混凝土發生堿-骨料破壞的幾率。所以在可能接觸到有壓水的混凝土工程中必須提高混凝土的抗滲能力、抗氯離子滲透能力、抗硫酸鹽侵蝕能力以及抗堿-骨料破壞能力。

2 提高復雜環境下混凝土服役壽命的技術措施

2.1 優化混凝土的配合比

一般來說，混凝土配合比的計算是以強度為主要控制指標，通過鮑羅米公式確定水灰比，然后根據混凝土工作性能的要求確定單位用水量及砂率。已有學者[9]提出在混凝土配合比設計過程中應考慮混凝土的耐久性，以保證混凝土有較好的綜合服役性能。

冷發光[10]通過正交試驗研究了混凝土配合比對混凝土耐久性的影響，結果表明，降低混凝土的水膠比以及減少混凝土的用水量均有利于混凝土的抗滲性，并提出當混凝土的單方用水量應在165～175 kg /m3內時，最有利于延長混凝土的服役壽命。

張杰[11]通過實際工程總結出混凝土配合比設計時應進行多目標優化控制，應該同時考慮混凝土的耐久性、體積穩定性、工作性、力學性、經濟性等，僅局限于單一或部分因素而進行混凝土配合比的設計是不合理的，無法確保混凝土的服役壽命。

劉志偉[12]研究發現，當混凝土的氯離子擴散系數以及孔隙率與混凝土的水灰比、單方水泥用量成正比，進而總結出在混凝土配合比設計時較低的水灰比及較低的單方膠凝材料用量更有利于混凝土的抗氯離子滲透能力以及抗滲能力。

2.2 提高原材料的品質

混凝土作為一種人工石材，其主要原材料有膠凝材料、粗骨料、細骨料以及水，原材料的基本性能對混凝土的服役壽命有著至關重要的影響。水泥是如今混凝土最常用的一種膠凝材料，但為了追求高活性、高強度，現有水泥往往會出現比表面積過大、堿含量偏高、C3S 或C3A 含量過高等現象，使用前述水泥往往會導致混凝土出現早期水化熱過高、開裂等問題，不利于混凝土的服役性能[13]。但張大康[14]認為水泥品質對混凝土耐久性有一定的影響，但不是本質因素，過分地要求使用比表面積較小、早期強度低的水泥會得不償失，需要付出巨大的環境及經濟代價。

粗細骨料是混凝土的重要組成部分，骨料的總質量占比超過混凝土質量的50%，對混凝土服役壽命的影響同樣不可忽略。在拌制混凝土時應盡量避免使用高吸水率骨料，溫欣嵐[15]通過總結試驗發現，使用大吸水率骨料配制的混凝土相比于使用普通吸水率骨料配制混凝土往往會出現坍落度經時損失增大，收縮大、徐變大，抗折強度降低，抗凍性差等不足，所以為保證混凝土的服役壽命應避免使用高吸水率骨料作為混凝土的原材料。同時，陳智[16]提出在選擇骨料方面應配選質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小、配選合理、粒形良好的骨料作為混凝土的原材料，以保證混凝土具有良好的密實程度，從而延長混凝土的服役壽命。

前面我們講到在現代新生活方式下，茶具也變得多樣化，個性化，所謂茶具是生活方式的縮影，未來的茶具繼續圍繞著新式生活方式來設計研發。新式生活不單單是單方面的生活新，而是疊帶使的新。比如旅行便攜茶具，一改匆忙急切的出行，快樂、精致，出行中也具有儀式感。自己的隨身物品，家里的陳設物，居家用具等等，這些東西的優劣，會直接關聯到自己的心情、心靜、情緒，這些因素影響的就太多了。

此外，骨料的含泥量也是影響混凝土服役能力的主要因素之一。封孝信[17]通過試驗與總結得出混凝土骨料含泥量的提高會引起新拌混凝土流動性的下降，同時也會導致混凝土抗壓、抗折能力的降低，抗滲、抗碳化能力的降低以及干縮的增大，縮短混凝土的服役壽命；所以在實際工程中應盡量避免使用含泥量較高的原材料；當無法避免必須使用含泥量原材料時，應該適當提高混凝土單位膠凝材料、外加劑的用量，適當延長攪拌時間，加強泥土的分散性，盡量減小泥土對混凝土的影響。

2.3 摻入合適的摻合料

隨著混凝土科學的發展，有學者研究發現[18]，在拌制混凝土時摻入部分活性工業廢渣能充分發揮廢渣的火山灰活性效應、微集料效應、減水塑化效應及耐久效應，有利于提高混凝土的耐久性能，從而增強混凝土的服役能力。如今在混凝土中常用的摻合料大致有礦渣粉、粉煤灰、硅灰及偏高嶺土[19]，不同的摻合料對混凝土服役性能的提高效果也不盡相同。

粉煤灰就是從火力發電廠煙氣中收集的灰塵。呂娜[20]研究發現，在混凝土內摻入20%的粉煤灰有利于提高混凝土的抗凍性能以及抗氯離子滲透能力，但會降低混凝土的抗碳化能力。楊太文[21]研究總結發現，大摻量粉煤灰混凝土（粉煤灰摻入質量超過膠凝材料總質量40%） 的抗凍性能明顯優于普通混凝土，并且能夠有效地抑制堿骨料反應的發生，同時有著較好的抗硫酸鹽侵蝕能力；但是大摻量粉煤灰混凝土抗鹽凍剝蝕能力較差，在鹽凍環境下使用可能會縮短混凝土的服役壽命，應慎重考慮。

礦渣粉是粒化高爐礦渣，經干燥、粉磨，達到相當細度且符合相當活性指數的粉體。趙順湖[22]通過一些列試驗研究了摻入礦渣粉對混凝土耐久性的影響，結果表明在混凝土內摻入小于50%的礦渣粉有利于提高混凝土抗水滲性以及抗凍性能，同時可以減小混凝土的早期收縮形變。高英力[23]研究發現當礦渣粉摻量在20%以下時，混凝土的抗碳化能力能夠得到提高。閆乙鵬[24]通過RCM 法研究發現在混凝土內摻入適量的礦渣粉可以提高混凝土的抗氯離子滲透能力，有利于保護混凝土內的鋼筋，延長混凝土的服役壽命。

硅灰是冶煉硅鐵和工業硅時產生的副產物，具有活性高、比表面積較大的特點。M.Sharfuddin.Ahmed[25]通過RCPT 法和UCT 法研究發現在混凝土內摻入硅灰可以有效限制氯離子在混凝土內的遷移，有利于混凝土的抗氯離子滲透能力，但是混凝土內硅灰的摻量最好控制在10%以內。王陽[26]通過試驗研究發現在混凝土內摻入10%的硅灰有利于提高混凝土堿骨料反應的抑制能力以及混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

偏高嶺土是高嶺土在適當溫度下脫水形成的無水硅酸鋁，是一種高活性火山灰材料，在水泥水化產物Ca（OH）2的作用下發生火山灰反應，生成的水化產物與水泥類似，起輔助膠凝材料的作用，是優質的活性礦物摻合料[27]。C.S.Poon[28]研究發現在混凝土內摻入偏高嶺土有利于提高混凝土的抗滲能力，并且在低水灰比條件下，偏高嶺土對混凝土抗滲性的提高效果更優于硅灰。蔣國偉[29]研究發現在混凝土內摻入25%的偏高嶺土可以降低混凝土水化的放熱總量；當偏高嶺土的摻入量小于15%時可以提高混凝土的抗碳化能力以及抗凍融能力，對于混凝土在凍融環境下的服役壽命有利。

2.4 采用功能型外加劑

郭捷菲[31]研究了功能型外加劑對混凝土抗碳化能力以及抗凍能力的影響，結果表明使用減水劑可以降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗碳化能力，但不同成分的減水劑對混凝土抗碳化能力的提高效果不盡相同，由優到劣依次排序為聚羧酸減水劑＞萘系減水劑＞木鈣減水劑；但由于木鈣減水劑有引氣功能，在混凝土內摻入木鈣減水劑或引氣劑可以明顯提高混凝土的抗凍性能。

尤啟俊[32]針對緩凝劑對混凝土的影響進行了研究，結果表明緩凝劑能夠延緩混凝土的凝結時間，推遲混凝土水化放熱高峰的出現，減少了混凝土因溫差而出現的結構開裂；同時緩凝劑能夠延緩水化，使混凝土后期水化生成物分布更加均勻，水化更完全，更有利于混凝土的耐久性，但在使用緩凝劑時應避免混凝土在完全硬化前表層水分的蒸發。

高函[33]通過總結研究指出：現有早強劑雖然有利于縮短混凝土的凝結時間，但是現有早強劑大多含有氯離子，會與混凝土內鋼筋反應使鋼筋發生銹蝕的現象，造成混凝土表層膨脹、開裂，甚至造成混凝土結構的破壞，對混凝土的耐久性極為不利，所以在實際鋼筋混凝土工程中應慎重選用早強劑，或配合阻銹劑共同使用。

2.5 選用合理的養護方式

混凝土的養護是指為保證新拌混凝土能夠正常硬化而人為提供的溫濕度條件[34]；而在混凝土成型初期為混凝土提供充足的溫濕度及養護時間也是保證混凝土強度、耐久性持續增長的保障和前提[35]。

林浩[36]通過試驗研究發現，不對混凝土進行早期養護會導致混凝土早期自收縮增大，表層混凝土硬化不完全、容易開裂，從而大大降低了混凝土的耐久性，縮短了混凝土的服役壽命；特別是在復雜環境下，對混凝土進行早期保溫保濕養護是保證混凝土服役壽命的重中之重。

劉鵬[37]研究了混凝土養護齡期對混凝土耐久性以及微觀結構的影響，結果表明早期養護齡期的延長可以降低混凝土的孔隙率，使硬化后混凝土的微觀結構更加致密，有利于提高混凝土的抗滲性能以及抗氯離子滲透能力。

姚明甫[38]總結了養護條件對混凝土的影響，提出為保證混凝土強度的持續增長，混凝土的養護時間不應小于7d；為保證混凝土強度發展速率，混凝土的養護溫度不應低于27℃，以避免產生應力變形及開裂而縮短混凝土的服役壽命。

2.6 選用合適的表層防護涂料

在混凝土表面涂刷防護性涂料也是提高混凝土服役壽命的一種手段，具有操作簡單，經濟高效的特點。丁鑄[39]研究了表面成膜型及滲透性涂料對混凝土抗氯離子滲透能力、抗滲能力的影響。結果表明：無論涂料類型，在混凝土表面涂刷保護涂料可以有效提高混凝土的抗氯離子滲透能力以及抗滲能力；同時總結得出涂滲透型涂料和成膜型涂料對混凝土的抗氯離子滲透能力相差不大，但涂滲透型涂料混凝土的抗滲能力明顯優于涂成膜型涂料的混凝土。

孫學志[40]研究了各類涂料對混凝土耐久性的影響，結果表明各種涂料對混凝土抗碳化性能的改善由優到劣依次為立邦抗堿封墻底漆＞γ-氨丙基三乙氧基硅烷＞HM1500 無機水性水泥密封防水劑＞JT- CCCW，同時總結出在14d 齡期條件下，有機涂料對混凝土耐久性的提高效果要優于無機涂料。

劉東[41]以環氧樹脂與低分子質量聚硅氧烷為原料合成制備了既具有滲透性，又可形成涂膜的滲透成膜型混凝土防護涂料，并研究了滲透成膜型防護涂料對混凝土性能的影響，結果表明涂滲透成膜型涂料混凝土的氯離子擴散系數較傳統涂料混凝土降低了75%，抗凍性能至少提高了15%，抗碳化性能則提高了50%，有利于混凝土的耐久性，能大幅提高混凝土的服役壽命。

3 結論及展望

提升混凝土的服役壽命，是涉及整個混凝土的壽命周期多因素復雜問題，需要在考慮混凝土耐久性的條件下計算配合比，選用性能合理的原材料，根據工程實際情況摻入合適的礦物摻合料及外加劑，同時在澆筑完畢后要給予混凝土合適的養護措施，以及涂覆合適的表層防護涂料等。在混凝土服役環境越來越復雜的今天，只有進一步掌握提高混凝土在復雜環境下服役壽命的技術措施，建立更加完整的混凝土服役性能保證手段，才能確保混凝土事業的可持續發展。