對普通混凝土耐久性的探討

陳振安

廈門市政工程公司（361000）

對普通混凝土耐久性的探討

陳振安

廈門市政工程公司（361000）

近年來，普通混凝土耐久性的研究是世界范圍的一個熱點，并取得了巨大成就。普通混凝土耐久性的設計規程和標準的制定與執行，是擺在學術界和工程界一個迫在眉睫的任務。這里結合混凝土耐久性的現狀，對影響混凝土的耐久性的一系列原因展開了分析，并提出了相應的改善措施。

混凝土;耐久性;高性能化

美國混凝土學會(American Concrete Institute)把普通硅酸鹽水泥混凝土的耐久性定義為混凝土對大氣侵蝕、化學侵蝕、磨耗或任何其他劣化過程的抵抗能力；也就是說耐久的混凝土暴露于服役環境中能保持其原有的形狀、質量和功能。混凝土的耐久性包括抗滲性、抗凍性、抗硫酸鹽腐蝕性、抗碳化性和抗堿骨料反應性、抗混凝土劣化性等。本文主要對抗滲性、抗凍性、抗碳化性提出一些探討觀點。

1 混凝土的耐久性

1.1 混凝土耐久性的含義

混凝土耐久性是指在外部和內部不利因素的長期作用下，保持其原有使用功能和設計要求的性質，是混凝土經久耐用的重要指標。

1.2 影響混凝土耐久性的因素

影響的因素可以分為兩類，即內部因素與外部因素。

1）內部因素:混凝土結構承受外界環境的能力、設計的形狀和結構、水泥的類型和骨料的選擇、添加劑的品種、鋼筋保護層厚度、混凝土澆筑的水灰比和養護施工技術等多種因素決定。

2）外部因素:指的是酸性溶液、堿性溶液和鹽的腐蝕作用，包括水壓力的滲透作用、一氧化碳對混凝土的碳化作用、冬季結冰對混凝土的破壞作用和干濕交替引起的風化作用。外部因素與內部因素緊密聯系，并且內部因素對外部因素起控制作用。

2 普通混凝土耐久性的綜合評價指標

通常用混凝土的抗滲性、抗凍性、抗碳化性、抗腐蝕性綜合評價混凝土的耐久性。下面就這些評價指標進行簡要介紹:

2.1 普通混凝土的抗滲性

混凝土的抗滲性是指抵抗壓力液體(油、水等溶液)滲透作用的能力。抗滲性是決定混凝土耐久性最主要的技術指標，也是研究混凝土耐久性必不可少的要考慮的最主要因素。

混凝土抗滲性的提高措施主要有骨料的含泥量和砂粒級配、施工的養護條件、施工質量水平、水灰比的大小、水泥的用量。這些措施的改善主要使混凝土結構的密實度增加，孔隙率減小，從而提高混凝土的耐久性。除了這些因素外，在工程上還通過加入一些外加劑來提高混凝土的耐久性，例如摻入引氣劑、減水劑等。

2.2 普通混凝土的抗凍性

混凝土的抗凍性是指混凝土在吸水飽和狀態下，能經受多次凍融循環而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性能。

提高混凝土的抗凍性，關鍵是提高混凝土的密實性，即降低水灰比，加強施工養護，提高混凝土的強度，也可摻入引氣劑等改善孔結構。

2.3 普通混凝土的抗碳化性能

混凝土的碳化是指混凝土內水化產物Ca(OH)2與空氣中的CO2在一定溫度條件下發生化學反應，產生CaCO3和H20的過程。反應式如下:

提高混凝土抗碳化性的關鍵是提高混凝土的密實性，降低孔隙率，阻止CO2向混凝土內部滲透。碳化部分的混凝土容易引起表面出現裂縫和剝落，促使混凝土鋼筋更進一步腐蝕,使結構失去抵抗力，導致結構坍塌。

2.4 混凝土的堿骨料反應

堿骨料反應是指混凝土內水泥中所含的堿,與骨料中的SiO2活性成分發生化學反應，在骨料表面形成堿硅酸凝膠，吸水后將產生3倍以上的膨脹體積，從而導致混凝土膨脹開裂。

發生堿骨料反應的必要條件大致有三條:

1）骨料中含有能與Ca(OH)2發生化學反應的活性氧化硅。2）水作為一種反應介質。3）水泥中堿的含量大于0.6%。

3 混凝土的腐蝕類型和腐蝕機理

3.1 水泥材料的腐蝕類型

水泥材料的腐蝕按其形態分類，大致可以分為:溶出型腐蝕、分解型腐蝕、膨脹型腐蝕。水泥材料的腐蝕還可以按所處的介質分類。在研究混凝土耐久性時這里只討論按其形態分類。

1）溶出型腐蝕。溶出型腐蝕是主體發生溶解或混合主體的某種成分發生溶解對主體造成的腐蝕。溶出性腐蝕沒有發生化學反應，是純物理變化。溶出型腐蝕往往伴隨著化學腐蝕，主要原因是水泥中的水化產物Ca(OH)2被溶解腐蝕。當混凝土中的CaO損失達到一定含量時，混凝土就會失去強度。

2）分解型腐蝕。分解型腐蝕是在工程中經常會碰到。最常見的是酸性溶液中的H+與水泥中OH-相結合生成水，從而導致水泥中的Ca(OH)2被分解，而水泥中的Ca2+與溶液中的酸根結合成新的鈣鹽，酸性溶液又會與鋁酸鈣的水化物和硅酸鈣的水化物發生化學反應。

3）膨脹型腐蝕。硬化后的水泥受到侵蝕性介質作用，生成新的化合物，硬化水泥體積膨脹，這種腐蝕稱為膨脹型腐蝕。

3.2 鋼筋的腐蝕分類

1）化學腐蝕。化學腐蝕是金屬暴露在空氣中，與空氣中的氧氣等發生氧化反應，從而導致鋼筋表面生成Fe2O3而被腐蝕。

2）電化學腐蝕。電化學腐蝕是指純金屬接觸到電解質溶液,就組成了一個簡單的電解電池，比較活潑的金屬原子失去電子成為氧化物，被氧化腐蝕。

在潮濕的空氣中，水分會通過混凝土的空隙滲透到鋼筋表面,使鋼筋表面形成一層薄薄的水膜。如果該層水膜呈強酸性，H+得到電子放出氫氣,這種電化學腐蝕我們一般稱為析氫腐蝕；如果該層水膜呈弱酸性或中性，能溶解較多氧氣，此時O2得電子而析出OH-,這種電化學腐蝕稱為吸氧腐蝕。這兩種反應促使了鋼筋的銹蝕，化學反應如下所示:

3.3 鋼筋混凝土結構的腐蝕機理

鋼筋混凝土結構是由混凝土和鋼筋組成的復合體。它的腐蝕形態可分為兩種:一是由于混凝土的耐久性不足，其本身被腐蝕破壞，從而導致鋼筋裸露在外面與空氣接觸發生化學反應使鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕進一步促使了混凝土結構的破壞。二是混凝土本身并沒有發生腐蝕，但是因為外部介質對混凝土的作用，導致混凝土化學性質的改變。混凝土性能的變化產生了能腐蝕鋼筋的離子，使鋼筋表面鈍化作用產生的保護層作用喪失，從而使鋼筋發生銹蝕。鋼筋的銹蝕使得混凝土保護層破裂產生裂縫，因為鋼筋表面生銹后會膨脹，從而對混凝土產生巨大的壓力，其數值可達30 MPa。這些裂縫的形成會進一步導致混凝土保護層的破壞，也使得鋼筋表面被腐蝕介質侵蝕。鋼筋在裂縫中的銹蝕速度往往要比裸露情況下的快，這是由于在裸露的情況下鋼筋表面會發生鈍化反應形成保護層，而鋼筋在裂縫中會與混凝土性能改變后產生的腐蝕鋼筋的離子發生化學反應，保護層破壞。當混凝土的裂縫在其表面發展到一定程度時,混凝土保護層裂縫會變大，形成蜂窩狀的膨脹結構，并開始脫落，最終使得構件失去承載能力而被破壞。

4 普通混凝土高性能化

高性能混凝土作為住房和城鄉建設部推廣應用的十大新技術之一,是建設工程發展的必然趨勢。發達國家早在20世紀50年代就開始了高性能混凝土的研究應用。我國在20世紀80年代初首先在軌枕和預應力橋梁中應用高性能混凝土，高層建筑的高性能混凝土應用開始于20世紀80年代末。

4.1 高性能混凝土的特點

高性能混凝土非常致密，故抗滲、抗凍、抗碳化、抗腐蝕等耐久性指標均十分優異，可極大地提高混凝土結構物的使用年限，從而使混凝土朝著高性能化發展，給結構的耐久性研究帶來了福音。

4.2 提高性能的技術途徑

影響混凝土強度的因素很多，主要有組成原材料的影響，包括原材料的特征和各材料之間的組成比例等內因。從外因來說，則主要有施工條件、養護、溫度、濕度、齡期、試驗條件和外加劑等。根據這些因素分析，提高混凝土強度可以從以下幾個方面采取措施:

1）采用高標號水泥。

2）采用干硬性混凝土拌合物。由于這種拌和物的坍落度小，水灰比小，硬化后混凝土強度及密實度顯著提高。

3）采用優質砂石骨料，選擇合理砂率。

4）采用濕熱處理。在濕熱處理中常采用蒸氣養護、蒸壓養護、冬季骨料預熱等技術措施。有時也通過利用蓄存水泥本身的水化熱來提高強度的增長速度。

5）改進施工工藝。如采用機械攪拌和強力振搗、混凝土拌合用水磁化、混凝土裹石攪拌法等都可使混凝土拌合物在低水灰比的情況下更加均勻、密實地澆筑，從而獲得更高的強度。近年來，國外研制的高速攪拌法、一次投料攪拌法及高頻振搗法等新的施工工藝在國內的工程中應用，都取得了較好的效果。

6）用超細粉取代混凝土中的部分水泥。

5 結語

通過深入探討和分析混凝土材料的腐蝕機理，總結了普通強度等級的混凝土高性能化的研究途徑。

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