水工混凝土強度與耐久性改善措施研究

張安生

(盤山縣水利建筑工程處，遼寧 盤錦 124000)

實踐表明，強度和耐久性是反映水工混凝土質量的重要參數，以往的水利工程比較注重強度而較少考慮耐久性能[1]。實際上，水工混凝土的耐久性體現了正常條件下水利工程長效運行的能力，直接決定著水工結構的使用年限。近年來，氣候環境的改變和工程結構的老化使得人們越來越關注耐久性問題[2-5]。原材料的含量及性質在一定程度上決定了水工混凝土強度與耐久性，施工工藝與混凝土質量也密切相關。因此，為提高水工混凝土強度和耐久性必須掌握原材料的質量要求、作用及其性質，并在此基礎上合理選擇原材料和施工工藝。

1 水工混凝土強度的改善措施

水利工程對水工混凝土有力學性能、抗凍性、抗滲性等多種性能要求，強度與這些性能直接相關[6]。一般地，水工混凝土強度越高則其抗侵蝕介質侵入、抗風化、不透水性和剛性就越好，但干縮性、脆性也較大，很容易出現斷裂。所以，主要用強度來評價工程質量狀況。

受力破壞時水工混凝土大多發生在水泥與骨料的分界面上，即出現黏結面破壞，且強度較低的水泥石破壞形式也比較常見。水工混凝土中骨料最先發生破壞的概率最小，這是由于黏結面和水泥石的強度遠遠小于骨料強度。因此，骨料表面的黏結強度及水泥石的強度與水灰比、水泥等級、骨料性質直接相關，并決定了水工混凝土強度。

1.1 水泥強度等級與水灰比

水泥作為活性組分與混凝土強度密切相關，相同配合比情況下水泥等級越高則配制成的混凝土強度越高；水泥類型相同時，水灰比直接決定了混凝土強度。這是由于水泥水化所需的結合水僅占水泥質量的20%左右，但拌合物拌制過程中，為獲取必要的流動性一般需要較多的水，即保證一定的水灰比。混凝土內部存在的氣孔或水泡使得其抵抗荷載的斷面大大減小，孔隙周邊還可能出現應力集中的現象。所以，同一水泥標號條件下，水灰比越小則強度越高。

另外，膠空比Pc或毛細管孔隙X也會影響水泥膠砂強度，其計算公式為：Pc=W/C-0.36a、X=0.68a/(0.32+W/C)，其中a為水化程度，W/C為水灰比。然而，實際上很難估計或測定以上指標值，并且任何水灰比程度下充分密實的水工混凝土都是由水膠比決定的。

外觀形狀和骨料與水泥石之間的黏結力密切相關，即同一水灰比與水泥標號情況下，選用卵石配置的結構強度要低于碎石。

1.2 養護濕度與溫度

水泥水化速度取決于周圍環境的溫度，初期水化速度快、強度增長也快，但初期的水化速度過快會使得水化產物不均勻分布，水泥石的薄弱點集中分布在水化物稀疏的部位，使得結構整體強度明顯下降；水化物稠密的區域水泥粒子周圍包裹的水化物會阻礙水化反應，不利于后期強度的增強。在較低的養護溫度條件下，因水化緩慢具有相應的擴散時間，能夠保證水泥石中水化產物的均勻分布，可為后期強度發展創造有利條件。溫度繼續降低至零點以下時混凝土內的大部分水分結冰，冰與水泥顆粒無法發生反映，水化終止則強度也不再提升。另外，結冰膨脹還會產生作用于孔隙的巨大壓力，從而破壞毛細管內部結構，對結冰前混凝土已獲取的強度帶來損失。如果氣溫升高并開始融化，如此凍融循環使得內部出現微裂縫，并進一步擴大增長，加之早期強度低很容易被凍壞。所以，早期混凝土要特別防止受凍。

水泥水化取決于周圍環境的濕度，合適的溫濕度能夠保證水化的正常進行和強度發展；若濕度不足會發生失水干縮，水泥水化作用受到影響甚至水化終止。水泥水化生成的凝膠吸附了混凝土中大量的自由水，這使得內部參與水化的水分不斷減少，混凝土強度明顯降低，因未完成水化作用使得混凝土滲水增大，結構疏松出現干縮裂紋，其耐久性受到較大影響。

因此，必須維持一定的溫濕度，促使水泥順利進行硬化。混凝土凝結后要在表面覆蓋草袋等，通過不斷澆水也可以防止不正常收縮的發生。夏季要按時澆水保持一定的適度，冬季采取有效的保溫，也有工程選用塑料薄膜的方法進行養護。

1.3 混凝土齡期

正常養護情況下，隨著齡期的延長混凝土強度不斷提高，7-14d齡期內混凝土強度增長較快，28d齡期后增長變慢。混凝土的成熟度N(℃·d)是指溫度與歷時乘積的總和，成熟度與強度之間存在復雜的關系，不僅與養護制度、溫度等因素有關，還取決于混凝土的質量和水泥的性質。歷時內未出現干燥失水，初始溫度處于可控區間時，混凝土成熟度與強度的對數表現出線性關系。

綜上分析，水工混凝土強度受諸多復雜因素的綜合影響，對于水工結構的設計、施工和養護必須全面考慮各種因素，從滿足工程使用要求出發做出科學合理、經濟適用的方案。

2 水工混凝土耐久性改善措施

水工混凝土耐久性就是受外部或內部多種因素作用，工程結構發生演變最終失去其使用功能，即所謂的失效。一般地，引起耐久性失效的原因有鋼筋銹蝕、化學腐蝕、抗凍和堿集料反映等。水工混凝土耐久性在一定程度上取決于鋼筋保護層厚度和混凝土養護施工質量，還是確定鋼筋混凝土保護層厚度和材料耐久性能的重要參數，有效的排水措施可以降低不利因素作用。

混凝土既要有足夠的強度確保能夠安全地承受荷載作用，還要考慮具體的使用要求以及周圍的自然環境，使其具備一定的特殊性能，例如混凝土承受壓力水作用時要具備一定的抗滲性，遭受環境水侵蝕時要具備相應的抗侵蝕能力，高溫環境下要具備一定的耐熱性能等。另外，在使用環境條件下要求混凝土性能保持一定穩定性。因此，可將混凝土能夠維持結構正常安全運行的能力稱為耐久性，一般包括鋼筋銹蝕、抗侵蝕、抗凍抗滲、抗碳化和堿骨料反應性能。

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2.1 抗凍性

水工混凝土的抗凍性就是受凍融作用，在飽水情況下仍然維持其完整性的能力，齡期越長則抗凍性越好。水泥水化的不斷進行使得混凝土內部可凍結的水分越來越少，水中溶解鹽濃度逐漸增加，其冰點也隨之下降，混凝土抗凍融能力有所提高。因此，將混凝土凍結前的養護時間延長能夠改善其抗凍性。一般地，采用快凍法測試混凝土的抗凍性能。其中，采用密實混凝土或加入防凍劑、減水劑和引氣劑的混凝土是最為有效的提高抗凍性的方法。

2.2 抗滲性

水工混凝土的抗滲性是在壓力作用下其抗水滲透作用的能力，直接決定了其抗侵蝕性和抗凍性。實踐表明，水工混凝土的內部構造、孔隙大小及其密實程度與抗滲性密切相關。因振搗不密實產生蜂窩、孔洞、內部孔隙和毛管通路等都會降低抗滲能性。目前，影響抗滲性因素主要有水泥品種、水灰比、養護方法、骨料粒徑、摻合料和外加劑等，具體如下：

1)水泥品種：水工混凝土抗性性與水泥性質、品種有關，細度越大則孔隙率越低，相應的抗滲性也就越好。

2)水灰比：一般地，水灰比越大則抗滲性越差，成型密實時其抗滲性能主要受水泥品質的影響。

3)養護方法：水工混凝土潮濕養護時的抗滲性要優于蒸汽養護，干燥環境下早期混凝土失水過多易出現收縮裂縫，使得其抗滲性有所下降。

4)骨料粒徑：同一水灰比條件下，骨料最大粒徑越大則混凝土抗滲性越差，因為水泥漿與骨料界面處易形成裂縫，骨料粒徑較大時邊緣處很容易產生空穴。

5)摻合料：將適量摻合料摻入水工混凝土中，可以發揮其界面、微骨料、活性和形態效應，通過細化內部孔隙改善混凝土密實度以及界面過渡區結構和孔結構，提高其抗滲性。

6)外加劑：摻入適量的外加劑有利于改善混凝土可以行及密實性，相應的抗滲性也會提高。

7)齡期：齡期越長則混凝土抗滲性越好，隨著水泥水化的進行混凝土密實度不斷增加。

2.3 抗侵蝕性

水工混凝土處于腐蝕環境下就會發生侵蝕，一般有強堿、硫酸鹽、鎂鹽、氯離子和軟水等侵蝕類型。所用水泥的密實度、孔隙狀況與抗侵蝕性相關，環境水很難侵入孔隙封閉或密實度較高的混凝土中，故具有較強的抗侵蝕性。目前，主要通過改善孔隙結構和密實度、減小水灰比、合理選擇水泥品種等措施提高水工混凝土抗侵蝕性。

2.4 堿骨料反應

為有效減小堿骨料反應所采取的方法如下：①有條件的地區可以采用非活性骨料；②無法選用無活性骨料時要嚴格控制總堿含量，砂石料的堿含量要符合現行標準要求，為了減少堿含量也可選用低堿水泥；③摻入粉煤灰、礦粉等活性混合料時，可在一定程度上抑制堿骨料反應；④水分作為反應的必要條件，所以要盡量控制水分的滲入。

2.5 混凝土碳化

混凝土碳化降低了內部堿度，破壞了鋼筋表面的保護膜使其發生銹蝕，故碳化有不利作用。另外，碳化使得混凝土的收縮速度加快，著主要是碳酸鈣在無壓力處沉淀和氫氧化鈣晶體在干縮應力下溶解所致。水泥用量不變時水灰比越低則碳化速度越慢，水灰比不變時水泥用量越高則越難碳化，二氧化碳濃度越大則碳化速度越快。在相對濕度100%或水中，由于水分填滿孔隙通道抑制了二氧化碳的滲入，所以碳化終止。混凝土處于干燥環境下時，因缺少所必需的水分碳化也會停止。所以，濕度處于50%-75%范圍時一般認為碳化最快。

綜上分析，水工混凝土耐久性涉及施工、設計、材料和環境等諸多復雜因素，為改善混凝土耐久性必須考慮各方面因素。通過嚴格的施工質量、正確的材料選擇和科學的結構設計等保證混凝土耐久性，并且要注重施工過程中的維護和管理。

3 結 語

水工混凝土強度和耐久性影響因素多而復雜，為了保證水工結構質量必須全面掌握混凝土的性質，在此基礎上科學設計和應用。強度與耐久性密切相關，在本質上內部結構和水灰比有關。對于充分密實的混凝土，水灰比和孔隙率越低則混凝土強度越高；同時，孔隙率越低則抗滲性越好，相應的耐久性越好。在高性能水工混凝土中摻入高效減水劑、活性礦物材料等，既可以改善內部孔隙結構，還能夠消除或較小游離氧化鈣濃度，從而改善混凝土強度和耐久性。另外，在不考慮內部破壞因素的情況下，混凝土強度越高則抗外界離子侵蝕破壞的能力越強。

在配制上，高性能水工混凝土既要選用優質骨料、水、水泥等原材料和低水灰比外，還必須摻入適量的高效減水劑和礦物集料，減少水泥用量、體積收縮和內部孔隙率，提高強度和耐久性。總體而言，改善水工混凝土耐久性勢必成為未來的發展趨勢。