淺談高性能混凝土耐久性的特點及應用

魏 濤 張漢璐

（德州市交通工程監理公司 山東 德州 253000）

從去年在濰坊到現在青島雙積公路，接觸高性能混凝土也有兩年時間了，對高性能混凝土耐久性有點皮毛認識。

高性能混凝土是指采用普通原材料、常規施工工藝，通過摻加外加劑和摻合料配制而成的具有高工作性、高強度、高耐久性的綜合性能優良的混凝土。具體是：

1）拌合料呈高塑或流態、可泵送、不離析，在大沽河特大橋40米箱梁混凝土坍落度180-220mm，便于澆筑密實；

2）在凝結硬化過程中和硬化后的體積穩定，水化熱低，不產生微細裂縫，徐變小；

3）有很高的抗滲性。其中高工作性是高性能混凝土必須具備的首要條件，即高流動性、高抗分離性、高間隙通過性、高填充性、高密實性、高穩定性；并同時具備低成本的技術經濟合理性。高性能混凝土具有很豐富的技術內容，其核心是保證耐久性。

1 混凝土工程耐久性不足的后果

混凝土工程因其工程量浩大，將會因耐久性不足對未來社會造成極為沉重的負擔。據我從網上搜索的資料美國一項調查顯示，美國的混凝土基礎設施工程總價值約為6萬億美元，每年所需維修費或重建費約為3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已有損壞，平均每年有150-200座橋梁部分或完全坍塌，壽命不足20年；美國共建有混凝土水壩3000座，平均壽命30年，其中32%的水壩年久失修。

美國對二戰前后興建的混凝土工程，在使用30-50年后進行加固維修所投入的費用，約占建設總投資的40%-50%以上。中國20世紀50-60年代所建設的混凝土工程已使用40余年，如果我國混凝土工程的平均壽命按30-50年計，在今后的10-30年內，為了維修建國以來所建基礎設施的費用，將是極其巨大的。

目前，我國的基礎設施建設工程規模宏大，每年高達2萬億元人民幣以上，約30-50年后，這些工程也將進入維修期，所需的維修費或重建費將更為巨大。作為21世紀的高性能混凝土，更要從提高混凝土耐久性入手，以降低巨額的維修和重建費用。

2 影響混凝土耐久性的主要因素

一般混凝土工程的使用年限約為50-100年，不少工程在使用10-20年后，有的甚至使用9年以后，即需要維修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能滿足耐久性(超耐久)要求的根本原因，在于混凝土本身的內部結構。

首先，為滿足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而導致混凝土的孔隙率很高，約占水泥石總體積的25%-40%，特別是其中毛細孔占相當大部分，毛細孔是水分、各種侵蝕介質、氧氣、二氧化碳及其它有害物質進入混凝土內部的通道，引起混凝土耐久性的不足。

其次，水泥石中的水化物穩定性不足。水泥水化后的主要化合物是堿度較高的高堿性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。此外，在水化物中還有數量很大的游離石灰，它的強度極低，穩定性極差，在侵蝕條件下，是首先遭到侵蝕的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必須減少或消除這些穩定性低的組分，特別是游離石灰。

3 提高混凝土耐久性的技術途徑

如前分析，要提高混凝土的耐久性，必須降低混凝土的孔隙率，特別是毛細管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但是如果純粹的降低用水量，混凝土的工作性將隨之降低，又會導致搗實成型工作困難，同樣造成混凝土結構不致密，甚至出現蜂窩等宏觀缺陷，不但混凝土強度降低，而且混凝土的耐久性也同時降低。目前減少孔隙率的途徑往往是摻入高效減水劑。

3.1 摻入高效減水劑

在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細管孔隙率大幅度降低。

水泥在加水攪拌后，會產生一種絮凝狀結構。在這些絮凝狀結構中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時相應地增加用水量，這樣就會促使水泥石結構中形成過多的孔隙。當加入減水劑后，減水劑的定向排列，使水泥質點表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對穩定的懸浮狀態，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時使水泥絮凝狀的絮凝體內的游離水釋放出來，因而達到減水的目的。

3.2 摻入高效活性礦物摻料

普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的目的，在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質的組成。活性礦物摻料(礦渣、粉煤灰等)中含有大量活性二氧化硅及活性三氧化二鋁，它們能和水泥水化過程中產生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產生二次反應，生成強度更高，穩定性更優的低堿性水化矽酸鈣，從而達到改善水化膠凝物質的組成，消除游離石灰的目的。有些超細礦物摻料，其平均粒徑小于水泥粒子的平均粒徑，能填充于水泥粒子之間的空隙中，使水泥石結構更為致密，并阻斷可能形成的滲透路。

3.3 消除混凝土自身的結構破壞因素

除了環境因素引起的混凝土結構破壞以外，混凝土本身的一些物理化學因素，也可能引起混凝土結構的嚴重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學收縮和干縮過大引起的開裂，水化熱過性過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿集料反應等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必須減小或消除這些結構破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿、硅酸、氯離子等可以引起結構破壞和鋼筋蝕物質的含量，加強施工控制環節，避免收縮及溫度裂縫產生，提高混凝土的耐久性。

3.4 保證混凝土的強度

盡管強度與耐久性是不同概念，但又密切相關，它們之間的本質聯系是基于混凝土的內部結構，都與水灰比這個因素直接相關。在混凝土能充分密實條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強度不斷提高，與此同時，隨著孔隙率降低，混凝土的抗滲性提高，因而各種耐久性指標也隨之提高。在現代的高性能混凝土中，除摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料，它們不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強度的同時，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除內部破壞因素的條件下，隨著混凝土強度的提高，其抵抗環境侵蝕破壞的能力也越強。

4 結論

高性能混凝土在配制上的特點是低水灰比，選用優質原材料，必須對骨料的含泥量進行嚴格控制，除水泥、水和骨料外，必須摻加足夠數量的礦物集料和高效減水劑，減少水泥用量，減少混凝土內部孔隙率，減少體積收縮，提高強度，提高耐久性。

［1］國家標準：GBJ10-89混凝土結構設計規范[S].中國建筑出版社，2002.

［2］孫忠義，王建華.公路工程試驗工程師手冊[Z].人民交通出版社，2004.

［3］獎正榮.建筑施工工程手冊[Z].中國建筑工業出版社，2006.