提高混凝土耐久性的原理與實踐

陳 明

（重慶水利電力職業技術學院 建筑系，中國 重慶402160）

混凝土是當代最主要的土木工程材料之一。 混凝土具有原料豐富，價格低廉，生產工藝簡單的特點，因而使其用量越來越大；同時混凝土還具有抗壓強度高，耐久性好等優點，使其使用范圍十分廣泛。

混凝土抗壓強度是混凝土力學性能的考核指標和工程驗收標準。通常情況，混凝土的強度越高，其結構抗壓強度也越高，抵抗外界的侵蝕或其它各種破壞能力就越強。 也就是說，從理論上講，強度越高，耐久性越好。 但在實際上，由于高水泥用量在早期和后期易產生裂紋.裂紋對耐久性是致命傷害混凝土結構，一旦出現裂縫，就有可能由于凍融、化學腐蝕和其中的鋼筋銹蝕等使混凝土的質量劣化。可見，混凝土的強度過低固然對耐久性不利，但過高也會給耐久性帶來風險。 高強并不一定就有高耐久性。混凝土的滲透性也是對耐久性的影響的一個重要指標，混凝土抗滲性越好，混凝土的耐久性越好。這是因為許多有害物質是因為隨介質滲透到混凝土內部而起破壞作用的。 例如，凍融損壞、鋼筋銹蝕及至堿骨料反應都是由于水及腐蝕性物質滲入到混凝土內部而對混凝土產生破壞作用。 提高混凝土的抗滲性，除混凝土本身具有極低的滲透性以外。 從實際意義上來說，避免混凝土結構出現裂紋和裂縫是更為重要的。向混凝土中引入大量均勻的微小封閉氣泡能夠有效地改善混凝土的耐久性。 因為在混凝土受凍時，氣泡能夠容納水而使冰凍產生的壓力得以釋放；氣泡還能容納混凝土內部的有害應力并使之得到緩解；對各種有害物質的滲入起到阻隔作用，以及有利于降低堿骨料反應的危害性膨脹等。 因此，向混凝土中摻引氣劑已成為提高耐久性的基本措施。下面介紹提高混凝土耐久性的幾種基本方法：

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，減少水灰比，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，同時使水泥絮凝體內的游離水釋放出來，因而達到減水的目的。 許多研究表明，當水灰比降低到0.38 以下時，消除毛細管孔隙的目標便可以實現，而摻入高效減水劑，完全可以將水灰比降低到0.38 以下。

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。活性礦物摻料中含有大量活性Si02 及活性Al203，它們能和水泥水化過程中產生的游離石灰及高鹼性水化矽酸鈣產生二次反映，生成強度更高、穩定性更優的低鹼性水化矽酸鈣，從而達到改善水化膠凝物質的組成，消除游離石灰的目的，使水泥石結構更為致密，并阻斷可能形成的滲透路。此外，還能改善集料與水泥石的界面結構和界面區性能。這些重要的作用，對增進混凝土的耐久性及強度都有本質性的貢獻。

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，水化性過熱過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿骨料反映等。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。 加強施工控制環節，避免收縮及溫度裂縫產生，以提高混凝土的耐久性。

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。在現在的高性能混凝土中，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。

案例： 美國1999 年施工的一座名為Kauai 教堂的混凝土閥形基礎，其設計壽命為一千年。Kauai 教堂為全花崗巖石結構。 其基礎為長36m，寬17m，厚lm 的閥形混凝土基礎。 要求不能有沉降和開裂，否則花崗巖屋頂粱會脫離柱而掉下來。因當地預拌混凝土廠一天不能供應足夠凝土。 而改成上下兩層，層厚0.61m。 該工程為軟土地基，為了控制基礎在施工過程中潛在的沉降裂縫， 在混凝土基礎下面再挖掘lm 深. 將土層夯實后墊上lm 厚的礫石層夯實。 所用水泥性能符合ASTM C150 要求；用5～25mm 連續粒級的碎玄武巖石子為粗骨料。 細度模數為2.8 的碎花崗巖石屑為細骨料。 所用的粉煤灰燒失量小于1%；細度是325 目篩的篩余為25%；需水量比96%；活性指數為83%。所用外加劑有引氣劑、普通減水劑和高效減水劑等。 經試驗室多次試配， 所用混凝土配合比基本上能夠滿足150mm 坍落度及其它性能要求，特別是混凝土拌合物凝結硬化過程中的溫變收縮。 混凝土下層底板于澆注時氣溫早上為21℃； 午后為3O℃。 混凝土澆注后8h 終凝。16h 后強度約2MPa。 強制性的水養程序從澆注后的第二天早晨開始，這時可以安全地在底板上行走而不會造成損害。混凝土的入模溫度為26℃。 在澆注后的24h 內混凝土的溫度升高13℃。 其后的6d 內以每天1.7℃的速度降低。因此，到28d 早晨準備澆注上層底板時混凝土的溫度約為3O℃，強度已達到9MPa，足以承受上層底板的施工荷載。 上層底板的澆注和養護程序與下層相同，水養護持續兩周。

結語：混凝土的耐久性是混凝土經濟性能的最重要影響因素。 影響耐久性的混凝土性能有(抗 壓)強度、含氣量和抗滲性等。 混凝土的許多耐久性破壞，如銅筋銹蝕、凍融破壞、化學腐蝕和堿骨料反應等都與這幾項性能有關。 高強可能具有耐久性，但高耐久性并不一定需要高強。 通過在混凝土中摻用外加劑、礦物摻合料，設計低水膠比，低水泥用量，加強混凝土澆注后的養護以降低極限溫升，避免出現裂縫等技術措施，可以施工出具有長耐久性的混凝土。

［1］徐艷華.建筑結構[M].西安交通大學出版社，2011（8）.

［2］舒秋華，李世禹.房屋建筑學[M].武漢理工大學出版社,ISBN：9787562935155.