耐久性混凝土的應(yīng)用與質(zhì)量控制

李 輝

（山西陸野橋隧工程有限公司 山西 太原 030006）

0 引言

隨著高性能混凝土的普及，建筑行業(yè)設(shè)計(jì)等級(jí)的不斷提高，對(duì)建筑主體最基礎(chǔ)的構(gòu)成部分——混凝土的要求越來越高。 除混凝土的適用性、經(jīng)濟(jì)性外，對(duì)其耐久性必須引起足夠重視，通過全方位、多層次來對(duì)混凝土進(jìn)行分析研究及過程控制，提高混凝土的耐久性。

近年來較大的橋梁質(zhì)量事故時(shí)有發(fā)生，橋梁設(shè)計(jì)使用年限不斷延長(zhǎng)，長(zhǎng)則達(dá)到100 年以上，這樣就必須采取以高性能混凝土為基礎(chǔ)的綜合耐久性技術(shù)方案來滿足其實(shí)用性。

1 耐久性定義

混凝土的耐久性是指混凝土抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長(zhǎng)期保持其良好的使用性能和外觀完整性的能力。 它是一個(gè)綜合性概念，包括抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、碳化、堿骨料反應(yīng)及混凝土中的鋼筋銹蝕等性能。 這些性能均決定著混凝土經(jīng)久耐用的程度，故稱為耐久性。 也即混凝土在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，在正常維護(hù)下，必須保持其實(shí)用性，不需要進(jìn)行維修加固，仍能保持原有性能的能力。

耐久性混凝土技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復(fù)合，配以與之相適應(yīng)的水泥和級(jí)配良好的粗細(xì)骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實(shí)、高耐久的混凝土。

2 影響混凝土耐久性的主要因素

混凝土的耐久性主要由抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、混凝土碳化、堿骨料反應(yīng)等幾個(gè)指標(biāo)來反應(yīng)。 在我國(guó)普遍認(rèn)為影響混凝土耐久性的主要是兩種環(huán)境：一是長(zhǎng)期處于深水中受沖刷的混凝土，因cl-深入混凝土內(nèi)引發(fā)鋼筋銹蝕，混凝土碳化速度加快，導(dǎo)致混凝土開裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重；二是晝夜溫差大、干熱、多風(fēng)地區(qū)，由于混凝土等級(jí)不足及保護(hù)層厚度不夠等因素，對(duì)混凝土侵蝕也較為嚴(yán)重，以下就這兩種環(huán)境中的影響因素逐一進(jìn)行分析。

2.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是硬化后的混凝土必須經(jīng)歷的過程，所有混凝土都從表面開始碳化，隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐步加深，碳化本身對(duì)混凝土并無破壞作用，主要是空氣中CO2滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度而降低。 當(dāng)碳化超過混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣存在的條件下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開始生銹，使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，混凝土的耐久性也就隨之降低。

2.2 混凝土的凍融破壞

硬化后的混凝土內(nèi)部有較多毛細(xì)孔，在混凝土全部凝結(jié)硬化完成后，多余的水分就滯留在毛細(xì)孔中，尤其在潮濕、浸水條件下，毛細(xì)孔處于飽水狀態(tài)，混凝土處在低溫環(huán)境中時(shí)，其內(nèi)部毛細(xì)孔中處于游離狀態(tài)的水結(jié)冰， 產(chǎn)生體積膨脹；另外，毛細(xì)孔處于過冷狀態(tài)的水分，也將向毛細(xì)孔中冰的界面滲透而在毛細(xì)孔中產(chǎn)生滲透壓力，毛細(xì)孔中膨脹壓力和滲透壓力共同作用下混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生損失和裂縫，多次反復(fù)損傷導(dǎo)致裂縫越來越寬， 積累到一定程度時(shí)就引起結(jié)構(gòu)的破壞。

2.3 侵蝕性介質(zhì)的腐蝕

在各種侵蝕性介質(zhì)如酸、堿溶液等作用的環(huán)境下，主要是由于Cl-、CO32-、SO42-、Mg2+等一些腐蝕性介質(zhì)的存在， 硬化后的混凝土中除內(nèi)部存在氣孔外，在骨料表面及骨料與水泥漿體之間也存在孔隙， 在一定程度上為介質(zhì)侵蝕提供了通道，侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土產(chǎn)生腐蝕，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

2.4 混凝土堿集料反應(yīng)

堿集料反應(yīng)是指混凝土集料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，也形象地被稱為混凝土的“癌癥”。 堿主要來源于膠凝材料、外加劑及骨料，其中活性材料主要是SiO2、硅酸鹽、碳酸鹽等。 混凝土堿集料反應(yīng)中堿與SiO2反應(yīng)最為常見，反應(yīng)后產(chǎn)生堿—硅酸鹽凝膠，遇水后膨脹，體積可增大3～4 倍，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，從而造成混凝土的剝落、開裂、強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致破壞。

2.5 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性最常見的因素，它是一般混凝土保護(hù)層覆蓋下鋼筋的電化學(xué)腐蝕。 在混凝土硬化后初期，由于有保護(hù)層的保護(hù)作用，鋼筋并不太容易銹蝕，隨著時(shí)間推移，在各種介質(zhì)的作用下，混凝土碳化深度不斷加深，導(dǎo)致堿度降低,鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋逐步銹蝕，鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積不斷膨脹，膨脹壓力直接可以導(dǎo)致混凝土的開裂，同時(shí)鋼筋隨著不斷銹蝕，截面變小，抗拉強(qiáng)度也隨之降低。

3 提高混凝土耐久性的措施

3.1 結(jié)構(gòu)采用耐久性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮各種可變因素對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，如環(huán)境溫度、混凝土內(nèi)應(yīng)力、裂縫等，以建立使用壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)， 為耐久性方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)，針對(duì)不同的需要根據(jù)其抗?jié)B等級(jí)或抗凍等級(jí)等進(jìn)行耐久性混凝土設(shè)計(jì)；再以使用壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制定有針對(duì)性的耐久性解決方案。

3.2 采用高性能混凝土

摻入優(yōu)質(zhì)礦物細(xì)摻料的目的是為了提高混凝土施工性（工作性）、體積穩(wěn)定性、密實(shí)性和抗化學(xué)侵蝕性，同時(shí)，因降低水膠比和混凝土水化熱而提高混凝土耐久性，這也是高性能混凝土實(shí)現(xiàn)高耐久性目標(biāo)的關(guān)鍵。 另外，較低的水泥用量和用水量，以及加入礦物細(xì)摻料也是避免出現(xiàn)有害裂縫的主要手段。 并有許多研究證明，加入足夠數(shù)量的粉煤灰或磨細(xì)礦渣粉、天然石粉等礦物摻量，能夠抑制堿集料反應(yīng)，尤其是在大摻量的情況下效果更為明顯。

3.3 提高混凝土保護(hù)層厚度

遇侵蝕性環(huán)境時(shí)，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，適度提高混凝土保護(hù)層厚度， 這是提高工程鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡(jiǎn)單而且經(jīng)濟(jì)有效的方法。 但是保護(hù)層厚度也不能無限制增加，當(dāng)保護(hù)層厚度過厚時(shí)，由于混凝土材料本身的脆性和收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。

3.4 混凝土保護(hù)涂層

完好的混凝土保護(hù)涂層可以有效阻止腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸，從而延長(zhǎng)混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。 然而大部分涂層本身會(huì)在自然環(huán)境的作用下老化， 功效逐步降低， 一般壽命在5～10 年， 因此只能作為一種輔助措施來使用。

3.5 涂層鋼筋、耐腐蝕鋼筋

在鋼筋表面采用環(huán)氧涂層等致密材料涂覆，可以有效地將鋼筋與周圍的混凝土隔開，可以使鋼筋免遭腐蝕，長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋， 但是也會(huì)使環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土握裹力降低，從而使鋼筋混凝土的力學(xué)性能有所降低， 且施工難度也加大，因此這種方法并未得到有效推廣，只有在特殊要求時(shí)使用。

3.6 鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑通過影響鋼筋和電介質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)，通過提高氯離子促使鋼筋腐蝕的臨界濃度來穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物保護(hù)膜，能優(yōu)先參與并阻止鋼筋這兩種或任何一種界面反應(yīng)，并能長(zhǎng)期保證其穩(wěn)定狀態(tài)，從而有效地阻止了鋼筋的銹蝕，延長(zhǎng)鋼筋混凝土的使用壽命，在有致鈍環(huán)境時(shí)，阻銹劑的作用可以自發(fā)地在鋼筋表面上形成， 可以自行再生、維持，相對(duì)于人為涂層，也較為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便，是一種很好的輔助措施。

3.7 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)的電化學(xué)原理就是：即使鋼筋周圍的混凝土有的已經(jīng)碳化或含有大量氯離子，或者混凝土保護(hù)層薄而透水透氣，或鋼筋表面具有銹層，不讓鋼筋表面任何地方放出自由電子，使其電位等于或低于平衡電位，就可以使鋼筋不再進(jìn)行陽(yáng)極反應(yīng)，即鋼筋銹蝕。

4 耐久性混凝土的質(zhì)量控制

4.1 嚴(yán)格控制新拌混凝土水膠比

在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)， 對(duì)水膠比有著特殊的要求，耐久性混凝土對(duì)水膠比的規(guī)定更為嚴(yán)格，但是施工時(shí)為了增強(qiáng)混凝土的工作性能，會(huì)出現(xiàn)隨意調(diào)整水膠比，增加用水量方便施工等情況， 這樣就使混凝土內(nèi)部留下了過多的孔隙，大大降低了混凝土的密實(shí)度，有害介質(zhì)就很容易侵蝕，從而降低耐久性。 因此在施工時(shí)，必須嚴(yán)格控制用水量，在規(guī)范允許范圍內(nèi)盡量減小水膠比，滿足施工工藝性要求即可。

4.2 嚴(yán)格控制混凝土拌合時(shí)各項(xiàng)參數(shù)

同樣的配合比因拌合時(shí)不按規(guī)定操作會(huì)對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生較大的影響。 如材料的投放順序、各種材料的質(zhì)量控制、攪拌時(shí)間長(zhǎng)短等環(huán)節(jié)，某一個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行不到位，都不能使混凝土有效攪拌，影響了新拌混凝土的質(zhì)量。 因此必須對(duì)攪拌站施工加強(qiáng)管理，抓好幾個(gè)關(guān)鍵因素的控制。

4.3 抓好混凝土澆筑及振搗工序

混凝土澆筑、 振搗是保證混凝土工程質(zhì)量的關(guān)鍵性工序。 混凝土澆筑時(shí)的分層厚度、澆筑速度等要根據(jù)斷面尺寸大小、混凝土坍落度、氣溫等因素進(jìn)行綜合考慮，澆筑盡可能連續(xù)進(jìn)行。 嚴(yán)格控制混凝土施工中常出現(xiàn)的質(zhì)量通病如蜂窩、麻面、孔洞、露筋、拆模時(shí)缺棱掉角、表面泛漿和多孔等現(xiàn)象，保證混凝土的密實(shí)性，從而保證其耐久性。

另外，在一些混凝土構(gòu)造物有外露面時(shí)，在混凝土終凝前做好原漿抹面壓光，也可增強(qiáng)表面密實(shí)度，是提高混凝土耐久性的一個(gè)有力措施。 因?yàn)樽匀画h(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)體的物理、化學(xué)侵蝕是從表面開始的， 因此結(jié)構(gòu)表面施工質(zhì)量的優(yōu)劣將影響整個(gè)構(gòu)件的耐久性。

4.4 加強(qiáng)混凝土后期養(yǎng)護(hù)

硬化后的混凝土（水中混凝土除外）必須及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土是一種疏松多孔的混合物，新拌混凝土中存在著大量均勻分布的毛細(xì)孔，其中充滿水，使水泥進(jìn)一步進(jìn)行水化作用，使大孔變成小孔增加混凝土的密實(shí)度。 因毛細(xì)孔是相通的，如外界環(huán)境濕度低，毛細(xì)孔水會(huì)向外蒸發(fā)，減少了供給水化的水量，如果環(huán)境濕度大或繼續(xù)放在水中，則可通過毛細(xì)管向外補(bǔ)給水化用水，混凝土性能就能不斷提高；在干旱多風(fēng)天氣，當(dāng)內(nèi)部毛細(xì)孔水迅速蒸發(fā)后，如果出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)不及時(shí)、養(yǎng)護(hù)濕度不夠、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短等情況，水泥不僅因缺水而停止水化作用， 還會(huì)因毛細(xì)管引力作用在混凝土中引起收縮，此時(shí)混凝土強(qiáng)度還很低， 收縮引起的拉應(yīng)力很快使混凝土開裂，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，影響混凝土耐久性，因此做好混凝土澆搗完畢后的養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要。

5 結(jié)論

目前，耐久性混凝土的正確應(yīng)用和質(zhì)量控制的重要性，越來越受到建筑市場(chǎng)的普遍關(guān)注， 其對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和使用年限起著決定性的作用。我們應(yīng)在今后混凝土施工管理中，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)其影響因素進(jìn)行分析研究， 對(duì)施工過程中存在或可能出現(xiàn)的問題采取針對(duì)性的質(zhì)量保證措施， 確保新拌混凝土的質(zhì)量，并加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)和監(jiān)控，使耐久性混凝土的生產(chǎn)管理全面受控，并在設(shè)計(jì)及施工中不斷總結(jié)，不斷使用新技術(shù)、新成果， 通過符合工程實(shí)際情況和技術(shù)水平的施工措施和質(zhì)量保證措施，確保混凝土的質(zhì)量符合耐久性設(shè)計(jì)的要求。