混凝土的耐久性分析

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

自波特蘭水泥問(wèn)世以來(lái)，混凝土材料及其應(yīng)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(jì)、節(jié)能，而且是最耐久的材料之一。混凝土的這些特點(diǎn)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(guó)政府及科研機(jī)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(qiáng)度到高強(qiáng)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(qiáng)度上。因環(huán)境作用，混凝土結(jié)構(gòu)造成過(guò)早失效以至破壞崩塌的事故在國(guó)內(nèi)外屢見不鮮，并有愈演愈烈之勢(shì)。根據(jù)國(guó)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(shí)間，混凝土表面即出現(xiàn)開裂、剝落，鋼筋銹蝕外露[1]。由美國(guó)國(guó)家材料顧問(wèn)委員會(huì)提交報(bào)告報(bào)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(bào)道了一些國(guó)家的海底隧道、海洋樁基和鐵路軌枕過(guò)早出現(xiàn)嚴(yán)重劣化的現(xiàn)象[2]。在我國(guó)建設(shè)部于20 世紀(jì)90年代組織了對(duì)國(guó)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(duì)于房屋建筑來(lái)說(shuō)，處于露天環(huán)境下的橋梁耐久性與病害狀況更為嚴(yán)重。

2 混凝土耐久性破壞機(jī)理分析

混凝土的耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)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(jī)理

混凝土碳化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)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(guò)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(shí)度提高，因而對(duì)混凝土的力學(xué)性能和構(gòu)件的受力性能有明顯的影響。混凝土碳化主要引起鋼筋銹蝕的問(wèn)題。

2.2 混凝土的凍融破壞機(jī)理

混凝土的凍融破壞國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究工作，混凝土凍融破壞問(wèn)題在我國(guó)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(shí),凍融破壞會(huì)被大大加速。1945年P(guān)owers 提出的靜水壓假說(shuō)和Helmuth 一起提出滲透壓假說(shuō)。混凝土內(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(diǎn)低，當(dāng)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(kuò)展到小孔，在溫度低于-12℃時(shí)毛細(xì)孔水結(jié)冰，體積膨脹9%產(chǎn)生靜水壓力，水在混凝土毛細(xì)孔中結(jié)冰造成的凍脹開裂使混凝土的彈性模量、力學(xué)性能嚴(yán)重下降，可看到裂縫和剝蝕。

2.3 混凝土的堿-骨料反應(yīng)

堿-骨料反應(yīng)（簡(jiǎn)稱AAR）主要有兩種類型：堿－硅酸反應(yīng)和堿－碳酸鹽反應(yīng)[4]。一般在混凝土澆筑后2、3年或者更長(zhǎng)時(shí)間，混凝土中堿與骨料中活性組分發(fā)生的膨脹性反應(yīng),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(dǎo)致失去強(qiáng)度、彈性模和耐久性，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性，并且反應(yīng)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(yīng)而損壞的現(xiàn)象。

2.4 化學(xué)侵蝕

混凝土的化學(xué)侵蝕結(jié)構(gòu)處在有侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境時(shí),會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)和物理反應(yīng),而逐步受到侵蝕。硫酸鹽侵蝕是混凝土化學(xué)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(xué)反應(yīng)，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(yīng)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(zhǎng)，使混凝土孔隙率變小，密實(shí)度提高，強(qiáng)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(yīng)力不斷增長(zhǎng)，使孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)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(duì)化學(xué)結(jié)合能力、強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥，同時(shí)還有良好的抗化學(xué)侵蝕性能和抑制堿骨料反應(yīng)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(jiān)硬，具有足夠的強(qiáng)度，且具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，選用堅(jiān)硬、致密和高強(qiáng)度的骨料至關(guān)重要，且骨料的含泥量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于凍融循環(huán)等嚴(yán)酷環(huán)境下，粗骨料的最大粒徑不宜超過(guò)25mm，不超過(guò)保護(hù)層的2/3，對(duì)于重要工程采用的骨料應(yīng)作堿活性檢驗(yàn)。

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(kuò)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(xì)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(shí)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(guò)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(xué)性能、適用性、體積穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)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(shí)；在凝結(jié)硬化過(guò)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,有很高的抗?jié)B性。

3.2 加強(qiáng)施工管理

在施工階段，檢查骨料的含水量，減少用水量；針對(duì)大體積混凝土的澆筑應(yīng)采取相應(yīng)澆注和養(yǎng)護(hù)措施,防止產(chǎn)生裂縫；嚴(yán)格按照施工操作規(guī)程有序的進(jìn)行振搗，提高混凝土密實(shí)度和抗?jié)B性,并且做好混凝土的養(yǎng)護(hù)工作。對(duì)于混凝土構(gòu)件應(yīng)防止過(guò)早的拆模及支撐，嚴(yán)格按照規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)操作，以免給混凝土的耐久性造成隱患。對(duì)于特殊的季節(jié)及特殊條件下進(jìn)行的施工，因根據(jù)不同的環(huán)境采取相應(yīng)的措施，確保混凝土的質(zhì)量滿足施工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

提高混凝土的耐久性是保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，隨著我國(guó)近幾年大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，混凝土耐久性的問(wèn)題也得到各級(jí)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(yīng)的提高，高性能混凝土在各類工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

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

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

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

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

[5]張譽(yù)等編著.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海：科學(xué)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