現(xiàn)代混凝土耐久性的影響因素及提高措施

 摘要：現(xiàn)代混凝土的組分發(fā)生了變化，并具有早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)�，F(xiàn)代混凝土組分的變化導(dǎo)致了溫度應(yīng)力高、收縮變形大，早強(qiáng)和高強(qiáng)也引發(fā)了混凝土的早裂和高脆性。同時(shí)，不成熟的混凝土外加劑成為其耐久性的重要隱患。上述因素導(dǎo)致現(xiàn)代混凝土耐久性發(fā)生了衰減。本文從混凝土的碳化、凍融破壞、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕、混凝土堿集料反應(yīng)、鋼筋銹蝕等方面論述了影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素及其對(duì)混凝土的破壞機(jī)理，并針對(duì)性地提出了預(yù)防的措施。

關(guān)鍵詞：混凝土耐久性；早強(qiáng)；高強(qiáng)；混凝土外加劑；抗碳化能力；堿集料反應(yīng)

引言

目前混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已成為世界性問(wèn)題。我國(guó)已明確工程質(zhì)量終身制，工程項(xiàng)目的管理者也越來(lái)越重視重大基礎(chǔ)性設(shè)施等土木工程的耐久性。
混凝土作為重要的土木工程材料, 應(yīng)用量越來(lái)越大, 應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，目前混凝土已成為世界上用量最大的人造材料, 各國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施工程也主要是用混凝土結(jié)構(gòu)建造。在混凝土發(fā)展過(guò)程中，混凝土材料的各項(xiàng)性能逐漸為人們所了解，同時(shí)，工程結(jié)構(gòu)也對(duì)混凝土材料提出了越來(lái)越高的性能要求，這也是當(dāng)前混凝土材料的發(fā)展方向，突出的表現(xiàn)在：早強(qiáng)、高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、低收縮以及小徐變等，然而這些性能都與混凝土的耐久性能息息相關(guān)。但一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是：一方面，與20 世紀(jì)50、60 年代澆筑的傳統(tǒng)混凝土相比，現(xiàn)代混凝土理論更深入，設(shè)計(jì)技術(shù)、施工技術(shù)得到了很大提高，混凝土的密實(shí)性、強(qiáng)度得到了極大改善；另一方面，現(xiàn)代混凝土( 20 世紀(jì)80 年代以后澆筑) 實(shí)際的耐久性能的提升卻比較緩慢，甚至發(fā)生了明顯的衰減。本文試圖從混凝土材料組分變化及早強(qiáng)、高強(qiáng)、外加劑等方面分析現(xiàn)代混凝土耐久性劣化的原因，并提出了提高混凝土耐久性能的一些措施，以期對(duì)工程項(xiàng)目管理者提供一定的參考。

1 現(xiàn)代混凝土組份的變化

對(duì)工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求, 導(dǎo)致了對(duì)混凝土材料的早期強(qiáng)度過(guò)分要求，混凝土材料的早強(qiáng)和高強(qiáng)一直是工程設(shè)計(jì)、施工中最重要的指標(biāo), 為了適應(yīng)實(shí)際工程對(duì)早強(qiáng)、高強(qiáng)的需求, 材料研發(fā)人員對(duì)混凝土的組分不斷的進(jìn)行改進(jìn), 與早期的混凝土相比, 現(xiàn)代混凝土材料的組分主要發(fā)生了以下的變化：
( 1) 水泥的成分變化較大, 水泥顆粒直徑越來(lái)越細(xì)：與早期的低標(biāo)號(hào)水泥相比，近年生產(chǎn)的水泥硅酸三鈣、鋁酸三鈣的含量越來(lái)越高，導(dǎo)致在極短時(shí)間內(nèi)的水化反應(yīng)激烈，直接帶來(lái)混凝土的高水化熱、高溫差、高收縮量等問(wèn)題。水泥在較短時(shí)間內(nèi)放出的大量熱量, 大體量結(jié)構(gòu)外圍的保溫隔熱不可能達(dá)到理想的狀態(tài)，內(nèi)外溫差伴隨極高的早期強(qiáng)度, 造成混凝土內(nèi)部微裂縫的出現(xiàn)和開(kāi)展，劣化混凝土的后期強(qiáng)度及工作性能。
( 2) 混凝土的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化：由于機(jī)械化施工、泵送工藝的特殊要求，混凝土的塌落度、骨料粒徑都發(fā)生了不利于耐久性的變化�；炷�土的塌落度的提高, 骨料粒徑降低, 勢(shì)必要求在混凝土中增加水泥漿體的含量, 或者通過(guò)各種外加劑提高其和易性。水泥用量的增加，進(jìn)一步加劇水化熱，增加徐變及收縮變形；不成熟的外加劑也是混凝土耐久性的隱患。
( 3) 摻合料已成為現(xiàn)代高性能混凝土不可或缺的組成部分之一： 混凝土摻合料是指以粉煤灰、礦渣微粉、硅灰及其他火山質(zhì)材料經(jīng)研磨加工后的礦物超細(xì)粉，粒徑<10µm。超細(xì)礦粉具有以下特性：表面能量高、對(duì)水泥孔隙的微觀填充作用、化學(xué)活性提高。大量試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明，摻合料的加入，能改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，增加混凝土的密實(shí)性，降低透水性和透氣性；對(duì)減少水化熱，降低收縮、徐變作用明顯；摻合料還可提高混凝土塌落度，改善混凝土的可施工性能。因此，活性超細(xì)礦粉摻合料，是提高現(xiàn)代混凝土耐久性行之有效的措施。但礦物摻合料的加入，會(huì)降低混凝土的早期強(qiáng)度，影響施工進(jìn)度，在一些對(duì)施工工期要求較高的工程， 特別是在對(duì)預(yù)應(yīng)力箱梁的懸臂澆筑施工中，施工單位往往難以接收采納，這也客觀上造成了近年來(lái)大量建造的這些結(jié)構(gòu)，混凝土的耐久性出現(xiàn)了劣化的傾向。

2 早強(qiáng)、高強(qiáng)以及外加劑對(duì)混凝土耐久性能的影響

 ( 1) 早強(qiáng)混凝土至少在以下兩個(gè)方面造成耐久性損傷：
A．早強(qiáng)混凝土內(nèi)部存在應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況下發(fā)生未受荷已開(kāi)裂的現(xiàn)象：過(guò)渡的工期要求導(dǎo)致水泥中早強(qiáng)成分越來(lái)越多，早期強(qiáng)度高必然伴隨激烈的水泥水化反應(yīng)，大體量混凝土施工難以保證理想的溫控措施，特別是體表面積較大的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部各部分的溫差，伴隨著極高的早期強(qiáng)度，首先可能導(dǎo)致施工階段溫度應(yīng)力的產(chǎn)生及溫度裂縫的出現(xiàn)；在結(jié)構(gòu)溫度恢復(fù)到常溫后，這種溫度應(yīng)力及溫度裂縫將永久的保留下來(lái)。在結(jié)構(gòu)受荷時(shí)，必將加劇截面各部分的應(yīng)力不均勻程度，使設(shè)計(jì)人員難以把握結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)，造成設(shè)計(jì)內(nèi)力( 應(yīng)力) 與實(shí)際狀態(tài)大相徑庭，為結(jié)構(gòu)留下耐久性乃至安全性的隱患。
B．早強(qiáng)必然伴隨早期受荷和多階段受荷，早期受荷和多階段受荷必然導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨架的受力不均勻，增大裂縫出現(xiàn)的概率及既有裂縫的寬度。從微觀結(jié)構(gòu)的角度試分析，混凝土內(nèi)部凝結(jié)硬化的過(guò)程是逐步的。早期加荷，僅有早期結(jié)硬的骨架受力，后期結(jié)硬的骨架并未參與承擔(dān)早期荷載，只有在進(jìn)一步加載后，后期水化的水泥顆粒才逐步受力，而早期結(jié)硬的骨架仍要繼續(xù)分擔(dān)后加荷載。顯然混凝土內(nèi)部的受力骨架并非處于一個(gè)比較均勻的應(yīng)力狀態(tài)，早期水化的水泥膠體承擔(dān)的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于后期水化的水泥膠體——必將導(dǎo)致在總體應(yīng)力水平較低的情況下，早期水化的骨架過(guò)早破壞，發(fā)生內(nèi)部微裂縫，成為混凝土耐久性的隱患。
( 2) 高強(qiáng)對(duì)混凝土耐久性的影響：
高強(qiáng)混凝土一個(gè)明顯的特點(diǎn)是塑性差，脆性特點(diǎn)明顯。在各種環(huán)境因素及荷載條件下，高強(qiáng)混凝土從微觀結(jié)構(gòu)角度，調(diào)節(jié)不均勻應(yīng)力狀態(tài)的能力差，這將導(dǎo)致微裂縫過(guò)早出現(xiàn)，并加劇已有裂縫的開(kāi)展，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性不利。與傳統(tǒng)的中低強(qiáng)度的混凝土相比，高強(qiáng)混凝土的徐變變形較小，塑性內(nèi)力( 應(yīng)力) 重分布的調(diào)節(jié)能力差，客觀上進(jìn)一步加劇了混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象。從這個(gè)意義上講，混凝土具備一定的徐變變形能力，對(duì)調(diào)整其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不均勻、控制微裂縫的過(guò)早出現(xiàn)與開(kāi)展，具有有利的作用。實(shí)際工程中，由于對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期剛度及變形的嚴(yán)格控制，混凝土在強(qiáng)調(diào)早強(qiáng)、高強(qiáng)的同時(shí)，對(duì)剛度、變形，尤其是徐變變形的控制也愈來(lái)愈嚴(yán)格。與20 世紀(jì)50 年代至70 年代澆筑的低標(biāo)號(hào)混凝土相比，現(xiàn)代混凝土早強(qiáng)、高強(qiáng)、剛度大、徐變小的特點(diǎn)，客觀上造成了近年來(lái)修建的大量混凝土基礎(chǔ)設(shè)施耐久性退化的事實(shí)。
( 3) 外加劑對(duì)混凝土耐久性的影響：
看到化學(xué)外加劑改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、提高密實(shí)性、改進(jìn)施工性能、降低水灰比等方面發(fā)揮了巨大作用的同時(shí)，還應(yīng)看到混凝土外加劑在研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)銷售、施工應(yīng)用中的各個(gè)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題。一方面, 各類新型外加劑與其他的新生事物一樣， 對(duì)它的全面認(rèn)識(shí)必須有待長(zhǎng)期的、大量的工程實(shí)踐檢驗(yàn)。尤其是混凝土外加劑對(duì)其耐久性的影響。近年來(lái)我國(guó)正處于土木工程項(xiàng)目的大建時(shí)期, 一個(gè)普遍的現(xiàn)象是對(duì)工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求。外加劑的研究開(kāi)發(fā)人員、工程技術(shù)人員大都只關(guān)注混凝土外加劑的有利作用，忽視外加劑可能存在的對(duì)混凝土其他性能不利的隱患，特別是外加劑可能造成的混凝土耐久性劣化，必將直接導(dǎo)致重視早期強(qiáng)度、忽視后期性能的后果。一個(gè)典型的實(shí)例是20 世紀(jì)50 年代, 曾經(jīng)大量使用過(guò)氯化鈣、氯化鈉等作為混凝土外加劑, 以改善混凝土冬季施工的抗凍性能, 隨著時(shí)間的推移, 此類外加劑對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成的損傷才逐漸顯現(xiàn), 實(shí)踐證明其弊多利少。

3 提高混凝土耐久性主要措施

一般混凝土工程的使用年限約為50-100 年，但實(shí)際中有不少工程在使用10-20 年，有的甚至在使用幾年后即需要維修，這就是由于混凝土耐久性低或不足造成的。影響混凝土耐久性的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，除去社會(huì)因素、人為因素外，技術(shù)方面的主要因素有混凝土的碳化、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕、混凝土堿集料反應(yīng)、鋼筋銹蝕等幾個(gè)方面。混凝土內(nèi)有充足的水分和其他有害物質(zhì)的侵入是對(duì)混凝土耐久性的最大危害。要提高混凝土耐久性，滿足耐久性要求，必須降低混凝土的孔隙率，特別是降低毛細(xì)管孔隙率，即混凝土必須有足夠的密實(shí)性并且不出現(xiàn)有害裂縫，從而能夠抵抗水分和侵蝕性介質(zhì)的滲入。針對(duì)影響混凝土耐久性的因素，采取的措施多種多樣，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：
(1) 提高混凝土抗碳化能力。碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響構(gòu)危害最嚴(yán)重的應(yīng)是氯鹽的影響。提高混凝土抗氯離子滲透能力的措施是限制水灰比，保證最低水泥用量以確保堿度，摻入適量?jī)?yōu)質(zhì)摻和料（ 粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰）等。
(2) 減輕混凝土堿集料反應(yīng)。混凝土堿集料反應(yīng)危害很大，而且一旦發(fā)生很難修復(fù)。但在我國(guó)由于堿集料反應(yīng)引起開(kāi)裂的實(shí)例很少見(jiàn)。這是因?yàn)槲覈?guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較國(guó)外低，水泥用量少，總堿量低。另外，我國(guó)水泥中普遍摻有15% 以上碎礦渣、粉煤灰、沸石粉等混合料，有效抑制了可能發(fā)生的堿集料反應(yīng)。但隨著混凝土強(qiáng)度提高，水泥用量增加，同時(shí)水泥生產(chǎn)工藝的改變，混凝土含堿量已在明顯提高。由于大量基建項(xiàng)目的興建，骨料來(lái)源減少，劣質(zhì)骨料可能被采用，施工隊(duì)伍素質(zhì)等問(wèn)題也將提高堿集料反應(yīng)幾率，故應(yīng)采取有效預(yù)防措施。當(dāng)混凝土使用有堿活性反應(yīng)的骨料時(shí)，配合比必須控制混凝土中的總堿含量以保證混凝土的耐久性；粉煤灰能抑制堿集料反應(yīng)，但是如摻量小于10%，有時(shí)反而會(huì)增加膨脹。外加劑特別是早強(qiáng)劑帶來(lái)高含量的堿。
(3) 鋼筋銹蝕的預(yù)防。對(duì)鋼筋銹蝕問(wèn)題，可以采用的表面保護(hù)措施有：環(huán)氧涂層鋼筋，采用靜電噴涂環(huán)氧樹(shù)脂粉末工藝在鋼筋表面形成一定厚度的環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂層，這種鋼筋保護(hù)層即使氯離子、氧等大量侵入混凝土?xí)r也能長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋使其免遭腐蝕。另外，在混凝土表面涂層也是簡(jiǎn)便有效的方法，涂料應(yīng)是耐堿、耐老化和與鋼筋表面有良好附著性的材料。此外，自20 世紀(jì)60-70 年代起，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始在混凝土拌和物中摻入亞硝酸鈉作為預(yù)防惡劣條件下鋼筋腐蝕的補(bǔ)充措施。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代混凝土具有的早強(qiáng)、高強(qiáng)、多種外加劑等特征，以及為滿足早強(qiáng)、高強(qiáng)的要求而對(duì)混凝土( 水泥) 的組分發(fā)生的改變，是混凝土耐久性衰減的主要原因。高性能混凝土的發(fā)展必須很好地解決這方面的矛盾，對(duì)混凝土耐久性的評(píng)估及研究應(yīng)綜合考慮早強(qiáng)、高強(qiáng)、多種外加劑等因素的影響，盡可能降低混凝土中氯鹽含量。對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物要加強(qiáng)檢查、評(píng)估、監(jiān)控、管理維護(hù)和及時(shí)修復(fù)等工作。在委托工程設(shè)計(jì)時(shí)，多考慮環(huán)境因素，并對(duì)結(jié)構(gòu)材料的選用、結(jié)構(gòu)施工工藝和施工質(zhì)量控制以及今后使用過(guò)程中的正常維修與檢測(cè)提出要求。最大限度地提高混凝土的密實(shí)性、適當(dāng)增加混凝土的保護(hù)層厚度、減少裂縫等措施，是防止鋼筋過(guò)早腐蝕，提高混凝土耐久性的基本措施。