混凝土耐久性影響因素分析

鄭州科技學院 杜曉 方付慧

混凝土耐久性影響因素分析

鄭州科技學院 杜曉 方付慧

混凝土的使用已有一百多年的歷史，隨著混凝土應用的加深，人們對它的認識也越來越深。經過多年的實踐，工程人士發現，即使混凝土強度再高，但若耐久性差、壽命短，則仍滿足不了工程的需求。實際施工中，對混凝土的要求也由強度向耐久性轉變，對混凝土耐久性的研究已成為一個熱門課題。

混凝土的耐久性實際上是指混凝土的結構穩定性，它包括抗滲性、抗凍性、抗侵蝕、抗碳化、抗堿-骨料反應及抗鋼筋銹蝕能力等方面，其影響因素既有環境溫濕度、周圍介質等外因，也有混凝土自身的化學組成及孔隙結構、孔隙大小等內因。外部介質或者在混凝土表面直接發生物理或化學反應，破壞混凝土結構；或者通過孔隙滲透至混凝土內部，破壞混凝土結構。對于混凝土結構的破壞來說，最關鍵的就是材料與水的相互作用。沒有水（或水蒸氣），混凝土就不會有滲透、凍融、碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應等現象發生，所以混凝土的滲透性、吸水性、吸濕性及親水性等，都是影響其耐久性的關鍵因素。影響混凝土滲透性、吸水性、吸濕性的關鍵因素是混凝土內部的孔隙結構，影響其親水性好壞的是混凝土的化學組成。本文，筆者主要從混凝土的化學成分和礦物組成、混凝土的孔隙結構等方面，討論了它們對混凝土耐久性的影響。

一、水泥的化學成分、礦物組成對混凝土耐久性的影響

普通混凝土的基本組成中，最容易與外界環境發生化學反應的是膠凝材料水泥。水泥的化學成分、礦物組成是影響混凝土耐久性的關鍵因素。

1.水泥化學成分對混凝土耐久性的影響。水泥成分復雜，含有SiO2，Al2O3，MgO，CaO，Fe2O3等多種氧化物，其中以前4種含量為主，其化合鍵的強度由前到后依次降低。混凝土的耐久性主要是指其結構的穩定性，這與膠凝材料化學組成的穩定性密切相關。化學成分的穩定性又可分為受外界環境和微觀結構影響較小的內部結構穩定性和受外界環境和內部結構影響較大的表面結構穩定性。內部結構穩定性與水泥中氧化物的化學鍵強度成正比例關系，即水泥中SiO2含量越多、CaO含量越少（硅鈣比越大），就越不易與侵入的介質反應，混凝土結構就越穩定。表面結構穩定性與化學鍵強度并不完全成正比例關系，它還和化學組分是否易與外部介質發生作用有關。當外界沒有能與其發生作用的介質時，表面結構穩定性與內部結構穩定性一樣，都隨化學鍵強度的增加而增強；當外界有能與其發生作用的腐蝕介質時，化學鍵越強，表面因斷鍵形成的表面能也越大，就越容易發生反應，穩定性就越差。

2.水泥礦物組成對混凝土耐久性的影響。水泥礦物組成中有C3S，C2S，C3A，C4AF等礦物，改變這些礦物含量的比例（也可以包括摻入混合材的比例）不僅會影響混凝土早期強度，還會影響混凝土的耐久性。對混凝土耐久性影響較大的是其水化產物中的水化硅酸鈣和氫氧化鈣，水化硅酸鈣具有較好的化學穩定性，氫氧化鈣相對不穩定。C2S與C3S相比，水化生成的水化硅酸鈣凝膠的硅鈣比相對較高，同時生成的Ca（OH）2數量也相對較少。因此，水泥的礦物組成中，C2S的含量越多，C3S的含量越少，越有利于提高混凝土的耐久性。

二、材料的孔隙結構對混凝土耐久性的影響。

材料的孔隙結構是指材料的孔隙大小和孔隙分布情況，它也是影響混凝土耐久性的關鍵因素。材料的孔隙結構關系到材料的滲透性、吸濕性和吸水性，其中滲透性對混凝土耐久性的影響最大。外部介質通過滲透進入材料內部，進而引起凍融、酸堿鹽腐蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料等反應，從而降低混凝土的耐久性。

1.孔隙大小對耐久性的影響。混凝土中的孔隙大致可分為4類：超微孔（半徑r≤5 nm）、微毛細孔（5 nmr>100 nm）、非毛細孔（r≥10 000 nm）。其中，大毛細孔和非毛細孔之間的孔隙稱為過渡大孔。這些孔隙當中，有的對混凝土耐久性的影響為正面效應，有的為負面效應。

（1）超微孔。超微孔（主要是凝膠孔）是對混凝土耐久性最有利的孔。超微孔由于孔徑細小，冰點很低（-40～-50℃），具有較好的抗凍性；孔徑細小則不會產生毛細作用，因此不會出現毛細孔滲透現象和混凝土自收縮增大現象，具有較好的抗滲性和抗裂性。具有超微孔結構的混凝土孔隙率很低，因此具有很高的強度和不透水性。故超微孔對混凝土耐久性的影響是利遠大于弊，總體來說正面效應較大。

（2）微毛細孔。微毛細孔對混凝土耐久性影響最不利。這種孔隙首先能產生毛細孔凝結現象，增強吸濕性；其次能產生較大的毛細孔壓力（在很多情況下這種壓力遠大于水壓力或因濃度差產生的壓力）和毛細孔滲透力，使混凝土表層滲透速率和常壓滲透速率（指混凝土在沒有水壓差或溶液濃度差存在的常壓狀態下，因毛細作用而引起的滲透速率。）加大，并使混凝土自收縮增大。故微毛細孔會導致大多數混凝土特別是暴露于大氣中的混凝土的抗凍性、抗裂性、耐化學腐蝕性和鋼筋的耐蝕性以及混凝土的表層抗滲性和常壓抗滲性全面下降。混凝土的抗凍性和抗滲性作為混凝土的兩個最重要特性，受微毛細孔影響最大。因此，由上述分析可知，微毛細孔對混凝土耐久性的影響弊遠大于利，總體來說負面效應較大。

（3）大毛細孔。大毛細孔對混凝土耐久性的影響比較有利。因為大毛細孔雖然較微毛細孔孔隙率高，但能降低毛細孔壓力和毛細孔滲透力，減少混凝土自收縮裂縫，提高其抗滲性。大毛細孔沒有毛細孔凝結現象，不會吸收空氣中的水分，反而可以將自身內部的水分釋放到空氣中，從而提高混凝土的抗凍性和大氣穩定性。

通過上述分析可知，隨著孔徑由小變大，3種孔隙對混凝土耐久性的影響從有利轉為不利，再從不利轉為有利。孔隙增大至過度大孔、非毛細孔時，對耐久性的影響仍是從有利轉為不利，再轉為有利的循環效應。孔隙半徑區間與混凝土耐久年限的關系如圖1所示。

圖1 孔隙半徑區間與混凝土耐久年限的關系

2.孔隙大小的影響因素。影響孔隙大小的因素是多方面的，如水泥細度、水灰比、外加劑、施工質量等,這些都是間接影響混凝土耐久性的重要因素。

（1）水泥細度。提高水泥中的細顆粒含量可以增加水化速度，進而提高混凝土早期強度，但會增加混凝土的自收縮，同時也會影響混凝土的孔隙結構。研究表明，水泥顆粒中小于5μm的細顆粒含量增多時能明顯改變混凝土的孔隙結構，使混凝土中的大毛細孔數量減少，微毛細孔數量增多。如前所述，微毛細孔對混凝土耐久性的影響是最不利的，且有實驗表明，在氣干狀態下（與實際使用環境條件相近），水泥中細顆粒含量越多，所制得的混凝土試塊在毛細孔壓力作用下的滲透高度和滲透速率也隨之增加。滲透性越好，耐久性就越差。因此，水泥顆粒中細顆粒含量過多會降低混凝土使用壽命。

（2）水灰比。水灰比也會影響混凝土的孔隙結構。眾所周知，水灰比越大，水泥硬化后，內部因水分蒸發而留下的孔隙越多，強度越低。水灰比還會影響混凝土的耐久性，有研究表明，氣干狀態下，混凝土早期滲水速率和滲水高度均隨水灰比增大而減小。即水灰比越低，混凝土滲透性越強，相應的耐久性就越差。因此并不是水灰比越低越好，盲目降低水灰比雖能增加混凝土強度，但會增強其滲透性，因此對耐久性不利。

（3）外加劑。外加劑主要使用引氣劑。加入引氣劑可以生成大量封閉的微小氣泡，改善孔隙結構，提高耐久性。

（4）施工質量。施工質量的控制主要是指加強施工中的攪拌、振搗、養護控制，避免出現蜂窩狀的孔洞。

三、結論

1.對因水泥化學成分、礦物組成影響的混凝土耐久性問題，主要通過增加氧化物SiO2的含量，提高礦物組成中C2S含量，控制C3S和C3A含量，來達到提高硅鈣比的目的，從而提高混凝土的穩定性。

2.對因孔隙結構引起的混凝土耐久性問題，首先可以通過控制水泥顆粒中細粉含量來控制混凝土耐久性，而加入經超細粉磨的混合材，更可以制得以超微孔為主要孔隙的超密實混凝土。其次，可以通過調整混凝土的水灰比，使其既滿足強度要求，又滿足耐久性要求。施工時控制好各段工序的施工質量，必要時可加入引氣劑，但引氣劑摻量必須加以嚴格控制。

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