水分對普通混凝土性能的影響

荊可歆（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

水是混凝土的重要組成材料。水分從與水泥、砂、石按一定比例拌和成混凝土漿開始，到硬化混凝土完成結構使命，直至完全破壞為止，水分在其中始終扮演著重要角色，發揮著重要作用。水使水泥水化成為凝膠體，并賦予混凝土拌合物澆注時的和易性；空隙水的含量對混凝土的長期強度有顯著影響；水也是混凝土發生收縮開裂的主要原因；一些有害介質（如氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽等）是通過水滲入混凝土內部造成其性能劣化，也可使混凝土中的鋼筋銹蝕，加速鋼筋混凝土結構的破壞；飽水混凝土在凍結時，孔隙水結冰對混凝土產生膨脹應力，使結構發生凍融損害；水的存在也是混凝土碳化、堿骨料反應的條件。本文討論水分對混凝土主要性能的影響。

1 混凝土中水的存在方式

硬化水泥石結構中存在的水分有游離水、毛細孔水、凝膠水和結晶水四類。游離水存在于各種固體顆粒之間，賦予混凝土拌合物流動性，提供混凝土中水泥水化、維持與外界使用環境濕度下相平衡的含水量，這些水分在負溫下可凍結。毛細孔水存在于毛細孔中，相對游離水容易保存，提供混水泥后期水化所需的水分。凝膠水存在于各種水化物中，如C-S-H凝膠水等，在自然條件下不結冰。結晶水是水化產物Ca(OH)2和鈣礬石等晶體中所存有的水分，也是不凍結水。

混凝土硬化后，多余的水分要么存在于內部，要么蒸發出來。在混凝土體內形成孔隙和毛細管通道，改變了混凝土的微觀結構。混凝土內部的水分可與水泥進行二次水化反應，提高其密實程度。另外，當混凝土表面的細微裂縫與水接觸，水與此處未水化的水泥顆粒水化或裸露的Ca(OH)2發生碳化形成CaCO3，從而使得裂縫自愈合。

2 水分在混凝土內部的運動規律

由于水泥石中存在可溶性離子，所以混凝土中的水分不是純水，而是水溶液。含有侵蝕介質的水溶液在混凝土內部的運動是一個復雜過程，總體有三種侵入方式：滲透、毛細吸附和擴散。這三種方式所需的一個共同條件就是在混凝土孔隙里必須有水分存在。

3 水分對混凝土漿和易性的影響

水分對混凝土拌合物和易性的影響主要體現在單位用水量上。保持水灰比不變，單位用水量實際決定了水泥漿的數量多少。單位用水量少時，水泥漿數量少，集料顆粒之間缺少足夠的粘結物質，混凝土拌合物的粘聚性較差，易出現混凝土拌合物的離析和崩塌現象，混凝土本身不易密實成型；單位用水量過多時，水泥漿數量過多，將會出現流漿現象，混凝土拌合物的粘聚性和保水性常常隨之惡化，產生嚴重的泌水、分層、流漿，致使混凝土拌合物產生離析。

試驗表明，采用一定集料時，如果保持單位水量不變，在實用范圍內，單位水泥用量增減不超過50～100kg，混凝土拌合物的坍落度可大致保持不變。這個規律即“李斯恒用水量定則”，它給混凝土配合比設計帶來方便，即通過固定單位用水量，混凝土拌合物的坍落度基本保持不變，在此條件下適當變化水灰比，就可配制出不同強度而坍落度相近的混凝土。

在實際工程中，常常通過添加適當的外加劑來調節水分對混凝土拌合物和易性的影響。

4 水分對混凝土強度的影響

“水灰比定則”表明水泥強度和水灰比是影響混凝土強度的最主要因素。

僅從水灰比來看，水泥充分水化所需的水灰比在23%左右。但實際上，以這樣的水灰比拌制混凝土時，混合料過于干硬，即使在一定的振搗條件下也難以成型密實，混凝土存在較大的孔隙率，強度下降。所以常加入較多的水分以使混凝土拌合物獲得必要的流動性。但當用水量較大時，即使充分搗實的混凝土，也會由于硬化過程中部分水分的損失而形成了一些孔的結構，并有部分水分殘留在混凝土中形成孔穴或蒸發后形成氣孔。它們大大減少了混凝土抵抗荷載的有效截面，且還有可能在孔隙周圍產生應力集中，降低混凝土強度。

用水量過多，也容易導致水泥混凝土收縮裂縫的產生，嚴重降低混凝土強度和耐久性。

5 水分對混凝土耐久性的影響

5.1 水分對混凝土的物理作用

1）氣蝕

在水工工程中，流動的水會因氣蝕而對混凝土造成損壞。當水流不穩定并且與混凝土表面不成切面時會產生氣蝕，致使混凝土表面反復不斷地遭受局部的高能量沖擊，這種沖擊壓力可高達700MPa，使混凝土表面出現孔狀剝落，造成表面粗糙而不均勻，并進一步加劇混凝土的損壞。

2）液態 — 固態轉化

混凝土內部的水分結冰時體積膨脹達9%，因此，如果混凝土毛細孔水含量飽和或接近飽和時，發生冰凍后，孔壁將會受到很大的壓力而出現裂縫。經多次凍融循環，這種應力反復作用導致裂縫不斷的加劇擴大和深入，混凝土便逐步破壞。

3）液態 — 氣態轉化

在建筑物發生火災時，混凝土中的自由水、毛細孔水，甚至一部分結晶水都在高溫下由液態變成氣態，體積急劇增大。當水蒸氣的壓力達到一定程度時，會使混凝土發生爆炸；另外，當建筑物內外的溫度差和濕度差很大時，混凝土殼體的內外層不斷發生液態水與氣態水的交換，使混凝土內部形成更多的毛細管通道。

5.2 水分對混凝土的化學侵蝕作用

1）淡水侵蝕與酸性水侵蝕

在流動淡水或有壓力淡水環境下，水泥石中的Ca(OH)2溶解度較其他水化物大，很容易被水溶解并帶走。隨著Ca(OH)2不斷被水溶解并帶走，混凝土孔隙率逐步增大，強度逐漸降低。后來堿性高的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石等晶體也相繼分解，直至水泥石崩裂破壞。

當水溶液中有一些酸類時，他們在水中完全或部分分解成H+離子和酸根R-離子。H+離子和水泥石中Ca(OH)2的OH-離子結合成H2O，Ca2+酸根R-離子結合形成鈣鹽CaR2，消耗了水泥石中的Ca(OH)2，也會導致其他水化產物的分解。

2）混凝土堿骨料反應

堿骨料反應是混凝土原材料中的堿（Na2O或K2O）與骨料中的活性成分反應，在混凝土澆筑成型后若干年（數年至幾十年）逐漸反應，反應生成物吸水膨脹使混凝土內部產生應力，膨脹開裂，導致混凝土失去設計性能。堿骨料反應包括堿與二氧化硅或堿與碳酸鹽的反應。

在堿與二氧化硅的反應中，生成具有膠凝能力的凝膠，它吸收大量的水分導致凝膠膨脹，混凝土開裂。

2ROH+nSiO2—R2O·nSiO2·H2O

在堿與碳酸鹽（含有少量黏土白云石）的反應中，反應生成物與水泥石中的Mg(OH)2繼續反應生成ROH，循環往復進行。反應本身體積并不膨脹，而是碳酸鹽包裹的黏土暴露出來吸收水分，導致膨脹破壞的。

CaCO3·MgCO3+2ROH—Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3

R2CO3+Ca(OH)2—2ROH+CaCO3

在混凝土結構工作過程中沒有水的條件下，則沒有堿骨料反應的環境。即使這種反應已經發展到對混凝土造成傷害，但只要維持混凝土的干燥，就可將該反應中止。

3）硫酸鹽侵蝕

大氣中、水中或土壤中都可能含有硫酸鹽類物質。硫酸鹽對水泥混凝土的腐蝕，主要是溶液中的SO42-和水泥石中的水化鋁酸鈣反應生成體積劇烈膨脹的鈣礬石，導致混凝土開裂的過程。在這個其中，水分仍然是反應的主要成分和載體。

4）水分對混凝土中鋼筋的銹蝕作用

（1）水分對鋼筋的銹蝕作用

研究混凝土耐久性時，鋼筋銹蝕是一個主要方面，其受很多因素的影響，其中混凝土中的水分是一個很重要的因素。

鋼筋銹蝕只有在水和氧都存在的條件下才能發生。鋼筋開始銹蝕時，電子從陽極區域的鐵分子中脫離，向陰極移動；氧與水反應形成的氫氧根離子（OH-）與鐵離子（Fe2+）生成氫氧化亞鐵，再進一步形成氫氧化鐵，最后生成鐵銹。

陽極：Fe—2e-+Fe2+

陰極：O2+2H2O+2e-—4OH-

從上述反應可看出，水直接參與了鋼筋的銹蝕反應，是反應物之一；另外，水是電子從陽極移動到陰極的載體。所以，水是鋼筋銹蝕的必要條件。

如果攜帶氯離子的水分進入到混凝土內部，當鋼筋表面的氯離子濃度達到一定程度時，孔隙中的含有鹽類的水就會起到電極的作用而引發鋼筋銹蝕。

Fe2++2Cl-+4H2O—FeCl2·4H2O

FeCl2·4H2O—Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O

在富氧條件下，Fe(OH)2進一步被氧化成Fe(OH)3

Fe(OH)2+2H2O+2O2—Fe(OH)3

水是該過程中形成電化學電池不可缺少的物質。若混凝土結構處于完全干燥環境中，即使鋼筋表面氯離子濃度較高，鋼筋也很難開始銹蝕。

（2）水分對鋼筋的銹蝕速率的影響

混凝土中的水分對鋼筋銹蝕有雙重作用：一方面影響混凝土中氧氣的擴散速度，另一方面則影響混凝土的電導率。水分越多，混凝土的導電性越好，鋼筋的電化學銹蝕就越快。大多數混凝土結構構件處于干燥環境下，服役幾十年也不會發生鋼筋銹蝕。而當結構構件處于濕度較大的環境下，尤其是處于干濕交替的環境或漏雨、滲水部位，鋼筋銹蝕一般較快。

6 結語

水是混凝土重要的組成成分。它是水泥水化的反應物，并生成產生強度的水化物；它賦予新拌混凝土漿施工和易性，養護時也確保了混凝土的正常硬化。硬化混凝土特殊的微觀結構是水分可以在其內部自由移動，同時也導致有害介質進入混凝土內部并擴散，給碳化、凍融循環、堿骨料反應、水泥石腐蝕以及鋼筋銹蝕提供了反應條件和環境，并成為載體。充分認識這些問題，對于提高或改善混凝土性能，在一定條件下盡量避免水分對混凝土的破壞會有幫助。正確把握水分對混凝土主要性能的影響，對于提高混凝土的使用性能和延長使用壽命都具有重要意義。

[1]李成濤，周云麟:水及其相轉變對混凝土性能的影響[J].《混凝土》，2003（2）:18-19.

[2]洪定海:混凝土中鋼筋的銹蝕與保護[M].北京:中國鐵道出版社，1998:35-37.

[3]張譽等:混凝土耐久性概論[M].上海科學技術出版社，2003:32-97.

[4]高瓊英:建筑材料[M].武漢理工大學出版社，2006:68-113.