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浅谈混凝土耐久性

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来源:
2017/01/04 13:33
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       在现今土建工程中,混凝土是用途最广、用量最大的建筑材料之一,提高混凝土强度是人们不断追求的目标。近年来,考虑到某些工程的需要,在追求高强度的同时,也对混凝土耐久性提出了一定的要求。如果混凝土耐久性不足,将会影响建筑物的使用寿命,造成严重后果,甚至对未来社会造成极为沉重的负担(比如巨额的维修和重建费用)。因此混凝土耐久性问题已经引起了各主管部门、广大设计者和施工部门的重视。 

  根据自己十年来的工作经验,现就混凝土耐久性的主要影响因素及提高措施作一个简单的论述。 
  一、对混凝土耐久性概念的理解 
  混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内,在各种环境条件作用下,不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。它的主要特征表现在混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、、碳化、碱集料反应等方面。现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中,明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现行设计规范只划分两个极限状态,即承载力极限状态和正常使用极限状态,而将耐久性能列入正常使用极限状态之中,且以构造要求为主。混凝土耐久性与工程的使用寿命相联系,是使用期内结构保持正常功能的能力,这一正常功能不仅包括结构的安全性,而且更多地体现在适用性上。 
  二、影响混凝土耐久性的主要因素 
  1.抗渗性能对混凝土耐久性的影响 
  抗渗性能差会引起混凝土耐久性的不足。混凝土本质上是一种多孔性材料,混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。由于在混凝土工程中为了满足混凝土施工的工作性要求,适当加大了水灰比,水灰比越大,水分越多,蒸发后混凝土内部留下相互联通的孔隙和毛细通路就越多,以及由于在混凝土施工成型时,振捣不实产生的蜂窝、孔洞都会造成混凝土渗水,从而导致抗渗性能差,影响混凝土耐久性。 
  2.抗冻性能差引起混凝土耐久性不足 
  混凝土的 抗冻性是指混凝土在饱水状态下,经受多次冻融循环作用,能保持强度和外观完整性的能力。在寒冷地区,特别是在接触水又受冻的环境下的混凝土,要求必须有较高的抗冻性能。而混凝土的密实度、孔隙构造和数量、孔隙的充水程度是决定抗冻性的主要因素。混凝土在其冻融过程中,遭受两种破坏应力,其一是混凝土内部孔隙中的水在负温下发生物态变化,由水转变成冰,体积膨胀9%左右,受毛细孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力;其二是毛细孔水结成冰时,由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压力。当混凝土受冻时,这两种压力会损伤混凝土内部的微观结构,经反复冻融以后,损伤逐步积累不断扩大,发展成互相连通的裂缝,使混凝土强度逐步降低,最后甚至完全丧失。 
  3.抗侵蚀性能对混凝土耐久性的影响 
  混凝土抗侵蚀性与所用水泥的品种、混凝土的密实度以及孔隙特征有关。若混凝土密实程度不高,多数孔隙程线性分布,形成各种侵蚀介质及有害物质进入混凝土内部的通道,侵蚀介质和有害物会长时间不断损害混凝土及内部钢筋,引起混凝土结构耐久性不足。 
  4.混凝土的碳化对混凝土耐久性的影响 
  混凝土的碳化是二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙和水,碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐步扩散的过程。 
  碳化对混凝土性能既有有利的影响,也有不利的影响。有利影响就是碳化能使混凝土的抗压强度增大,其原因是碳化放出的水分有助于水泥的水化作用,而且碳酸钙减少了水泥石内部的孔隙。不利影响是因为碳化,使混凝土中性化而降低其碱度,当混凝土保护层被碳化至钢筋表面时,钢筋表面由于碱性形成的氧化膜就会遭到破坏,这时,如果含氧水分侵入,钢筋就会锈蚀,严重时体积就会膨胀,导致沿钢筋长度出现纵向裂缝,使混凝土结构件破坏;再一个由于混凝土的碳化层产生碳化收缩,对其核心形成压力,而表面碳化层产生拉应力可能出现微细裂缝,使混凝土抗拉、抗折强度降低,影响混凝土耐久性。 
  5.碱集料反应对混凝土耐久性的影响 
  碱集料反应是指硬化混凝土中所含的碱(Na2O和K2O)与集料中的活性成分发生的化学反应现象。碱集料反应生成一种产物,并吸水膨胀,体积可增大3~4倍,从而导致混凝土开裂、剥落等,直至丧失使用能力。 
  6.水泥石中的水化物稳定性不足也会对混凝土耐久性产生影响 
  例如,波特兰水泥水化后的主要水化物是碱度较高的高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙,此外,在水化物中还有数量很大的游离石灰,它的强度极低,稳定性极差,在侵蚀条件下,很容易发生体积膨胀产生应力,导致混凝土开裂、损坏。 
  三、根据以上对影响混凝土耐久性主要因素的分析,要提高混凝土的耐久性,可以采取以下几种措施 
  1.按要求掺入高效减水剂 
  混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀性能的好坏直接影响到混凝土耐久性,而提高这三种性能就必须降低混凝土的孔隙率,特别是毛细管孔隙率,以提高混凝土的密实度。最主要的方法是降低混凝土的拌合用水量,减小水灰比,但纯粹的降低用水量,混凝土的工作性将随之降低,又会使捣实成型困难,同样造成混凝土结构不致密,甚至会出现蜂窝等宏观缺陷,不但混凝土强度降低,而且混凝土的耐久性也同时降低。因此,必须在保证混凝土和易性要求的同时尽可能减小水灰比,使混凝土的总孔隙,特别是毛细管空隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后,会产生一种絮凝状结构,在这些絮凝状结构中包裹着许多拌合水,从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌合物所需工作性,就必须在拌和时相应增加用水量,这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后,由于减水剂的定向排列,使水泥质点表面均带有相同电荷,在电性斥力的作用下,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来,因而达到碱水的目的。许多研究表明,当水灰比降到0.38以下时,消除毛细管孔隙的目标便可以实现,而掺入高效减水剂,完全可以将水灰比降低到0.38以下,而且不会影响混凝土的施工性。 
  2.提高混凝土的抗碳化能力 
  方法有:1、在混凝土终凝前做好原浆抹面压光,增强表面密实度,也可采用表面侵渍和表面涂覆的手段来降低混凝土表面的渗透性,从而阻止混凝土碳化。2、减小水灰比,增大水泥用量,有效地控制混凝土的孔隙数量和结构;掺加引气剂,使混凝土中形成很多封闭气泡,切断毛细管的通道,两者均可以使二氧化碳的有效扩散系数显著减小,从而降低混凝土的碳化速度。3、通过再碱化技术,使钢筋周围的混凝土恢复碱化,从而使钢筋表面恢复钝化,以防止由于碳化引起的钢筋锈蚀。 
  3.避免或减轻碱集料反应 
  混凝土只有含活性二氧化硅的骨料、有较多的碱(Na2O和K2O)和有充分的水三个条件同时具备时才能发生碱集料反应。抑制其反应的措施:1、选择无碱活性的骨料;2、在不得不采用具有碱活性的骨料时,应严格控制混凝土中的总碱量;3、选用活性掺合料,如硅灰、矿渣、粉煤灰(高钙高碱粉煤灰除外)等,对碱骨料反应有明显的抑制效果。活性掺合料与混凝土中的碱起反应,反应产物均匀分散在混凝土中,而不是集中在骨料表面,不会发生有害的膨胀,从而降低了混凝土的含碱量,起到抑制碱集料反应的作用。4、控制进入混凝土的水分。碱集料反应要有水分,如果没有水分,反应就会大为减少乃至完全停止。因此,要防止外界水分渗入混凝土以减轻碱集料反应的危害。 
  4.掺入高效活性矿物掺料 
  普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定的不足,是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的,在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3,它们能和波特兰水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应,生成强度更高、稳定性更优的低碱水化矽酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离石灰的目的,使水泥石结构更致密,并阻断可能形成的渗透路。此外,还能改善集料与水泥石的界面结构和界面区性能。这些重要的作用,对增进混凝土的耐久性及强度都有本质性的贡献。 
  四、总结 
  混凝土的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题,要解决好这个问题需要进行多方面的工作。混凝土耐久性应由正确的配合比设计、材料的选择以及严格的施工质量来保证,同时应注意对其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样,才能保证和提高混凝土结构的耐久性,才能保证我国建筑事业的可持续发展。 

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