论文部分内容阅读
摘要：针对普通混凝土耐久性指标进行深层分析和研究，寻求改善混凝土耐久性的若干措施，对于延长工程结构的使用寿命，减少修复工作量，提高经济效益具有特别重要的意义。
关键词：混凝土耐久性 指标使用寿命 经济效益
中图分类号：TU528.01 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)09-010-02
据统汁：按体积计算，当今世界最大的人造产品是混凝土。众所周知，普通混凝土是由胶凝材料、砂石骨料、水、外加剂和掺合料组成的人造石材，具有较高的抗压强度且比较经济。因此大多数结构设计者一向最关注的是混凝土的强度特性和经济性，而忽略了混凝土的耐久性，导致许多的建筑物或构筑物在使用寿命期内过早的破坏而不能使用。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年。国内一些设计使用寿命五十年的建筑物和构筑物通常在十年左右就发生了过早的破坏，其中多数与混凝土的耐久性设计不合格有关。为此住房和城乡建设部和国家质量监督检验检疫总局连续颁布了一系列国家标准和行业标准：《混凝土结构耐久性设计规范》(GB／T50476-2008)、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB／T50082-2009)、《混凝土耐久性检验评定标准))(JCJ／T193-2009)等，意在规范结构设计者只注重混凝土强度而忽略其耐久性的错误做法。本文旨在对混凝土耐久性内容提出自己的一些探讨观点。
1、耐久性的概述
美国混凝土学会(American Concrete Institute)把普通硅酸盐水泥混凝土的耐久性定义为混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何其他劣化过程的抵抗能力；也就是说耐久的混凝土暴露于服役环境中能保持其原有的形状、质量和功能。混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐腐蚀性、抗碳化性和抗碱骨料反应的性能、抗混凝土劣化性等。本文仅对抗渗性、抗冻性、抗碳化性提出一些探讨观点。
2、耐久性指标探讨
2.1 抗渗性
混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗液体的压力作用不渗透的性能。抗渗性是混凝土最重要的耐久性性质之一，它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土渗水的原因是由于混凝土内部孔隙形成连通的渗水孔道。这些孔道主要来源于水泥浆中多余的水分蒸发而留下的气孔、水泥浆泌水所产生的毛细管孔道、内部的微裂以及施工振捣不密实产生的蜂窝、孔洞，这些都会导致混凝土渗水。
试验研究认为：混凝土的抗渗性与水灰比(W／C)有很大的关系。水灰比增大，则水泥石中因水份蒸发所产生的毛细孔数量增多，渗透性变大。对混凝土试件的微观分析认为：当水灰比小于0.6时，毛细孔多属于封闭状态；当水灰比大于0.6时。则连通性的毛细孔数量显著增加，渗透性急剧变大。有试验资料证明水灰比愈大，渗透性也愈大，水灰比从0.6增加到0.63，渗透性将增大一倍。因此，一般混凝土的水灰比应控制在0.6，这也是《混凝土结构耐久性设汁规范》(GB／T 50476-2008)中对于一般混凝土构件限制的最大水灰比限值。
混凝土中粗骨料的最大粒径对混凝土的抗渗性也有较大的影响。在混凝土中，粗骨料颗粒的下面容易形成空隙，颗粒愈大则形成的空隙愈大，对抗渗不利。根据试验资料，在配合比相同的条件下，混凝土的渗透性大致与粗骨料的最大粒径成正比。所以对抗渗混凝土的租骨料最大粒径宜予以适当限制，最大粒径不宜大于40mm。
在拌制混凝土时加入适当品种和数量的掺合料也可以改善混凝土的抗渗性。目前研究的较多的是粉煤灰和硅灰。欧美日等一些发达国家多年观测发现，20世纪50年代以后建造的混凝土工程设施，往往要比20－30年代建造的工程先出现病害、开裂、甚至严重损害。据分析，这与近年来水泥厂商为了追求水泥强度而刻意的减小水泥细度的做法有关。水泥细度减小、其活性增加，使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加，最终导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。微裂纹和宏观裂纹的增加对混凝土的抗渗、耐久性能是不利的。为此，人们在配制混凝土时，常常掺加粉煤灰或硅灰等掺合料取代部分水泥，一方面降低造价，另一方面解决了因热开裂导致的抗渗性降低的问题。
2.2 抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。
材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远未达饱和，具有足够的自由空间，即使受冻也不致产生很大冻胀应力：极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在一般负温下不会结冰；粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用；闭口孔隙水分不能渗入：而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰，故其对混凝土十才料的冰冻破坏作用影响最大。
工程实践与研究资料表明：提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂。引气剂是具有憎水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力和表面能，使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡切断了部分毛细管通路能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解，不使混凝土遭到破坏，起到缓冲减压的作用。这些气泡还可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水份不易浸入，减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到润滑作用，改善混凝土和易性。因此，掺用引气剂，使混凝土内部具有足够的含气量，改善了混凝土内部的孔结构，大大提高混凝土的抗冻耐久性。
在拌制混凝土时加入硅粉可以极大的改善混凝土的抗冻性。日本的Yamato等人通过试验得出结果认为：非引气混凝土当水／(水泥+硅粉)=0.25，不管硅粉的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。加拿大的Malhotra等人通过试验得出类似的结论：引气硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉掺量15％以下时都具有较高的抗冻耐久性。我国学者丁雁飞，孙景进通过实验探讨了硅粉对混凝土抗冻耐久性的影响，得出结论：非引气硅粉混凝土的抗冻耐久性与基准混凝土比较，在胶凝材料总量相同、坍落度基本不变的条件下，非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。硅粉对抗冻性、耐久性有显著的效果，但硅粉的产量有限而且成本较高，在应用上受到限制。
另外，试验表明：水泥细度的增大也使得混凝土抗冻性降低，如图1。因此，适当的减小水泥细度或用其他材料替换水泥作为胶凝材料均可以提高混凝土的抗冻性。
2.3 抗碳化性
混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。水泥的水化产物氢氧化钙，使混凝土中处于碱性环境，该环境对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe3O3和Fe3O4，俗称 纯化膜。若空气中CO2渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca(OH)2+CO2=CCO2+H2O。碳化使混凝土的碱度降低，当碳化深度较深，超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始锈蚀，进而影响到混凝土结构的安全性。
有关研究和试验表明：在正常的大气条件下，混凝土的碳化深度随时间的变化规律为，碳化深度直接决定了碳化对混凝土性能的影响程度。
AdamM，Neville认为：碳化深度随水灰比的增加而增加，水灰比0.4的混凝土碳化深度是水灰比为0.6的一半，水灰比为0.5的混凝土在一般条件下暴露10年碳化深度为5－10mm；水泥用量500kg／m3的碳化深度是水泥用量310kg／m混凝土碳化深度的一半。因此，选择较小的水灰比和选择较大用量的水泥有利于提高混凝土的抗碳化性。
美国混凝土学会特别顾问V.M.Malhotra教授说：大掺量粉煤灰混凝土水胶比很低，碳化不成问题。试验研究表明：掺粉煤灰的混凝土同水胶比下碳化深度比纯水泥混凝土的碳化深度大，如图2。因此，在混凝土中掺入大量粉煤灰时，可适当增加养护时间来控制碳化深度，进而提高混凝土的抗碳化性。
3、耐久性改善措施
混凝土的耐久性是一项综合性能，虽然混凝土在不同环境条件下的破坏过程各不相同，但是，提高混凝土的耐久性的措施却有许多共同之处：提高混凝土的密实度和改善混凝土的孔结构。
通过对上述耐久性指标的分析可知，改善混凝土耐久性的措施包括；
(1)合理选择水泥品种，其细度指标不宜过小，同时也不宜过大。目前，国家标准GB 175-1999《硅酸盐、普通硅酸盐水泥》只规定硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2／kg，而没有规定最大值，使得许多水泥厂商蓄意的为增大水泥的早期强度而过分提高硅酸盐水泥比表面积指标，造成混凝土耐久性降低。
(2)适当控制混凝土的水灰比及水泥用量，提高密实度，改善混凝土的耐久性。
(3)掺入外加剂和掺合料，改善混凝土的内部孔结构。例如，加入引气剂、高效减水剂、粉煤灰、硅粉等。
(4)加强混凝土生产过程的质量控制，例如提高混凝土搅拌时间、加强养护等。
4、结 论
混凝土耐久性受到诸多方面因素的影响，而且不同的调整措施对混凝土耐久性指标可能起相反的效果，因此必须注意不同措施对于混凝土耐久性总体的效果。提高混凝土的耐久性，对于延长结构寿命，减少修复工作量，提高经济效益具有重要的意义。
参考文献：
[1]黄政宇，土木工程材料[M]，北京：高等教育出版社，2002，
[2][美]库马·梅塔(P，KumarMehta)，保罗L.M.蒙特罗(PauloJ.M.Monteiro)，混凝土微观结构、性能和材料(第三版)[M]，覃维祖，王栋民，丁建彤译，北京：中国电力出版社，2008，
[3]王福川，土木工程材料[M]，北京：中国建材工业出版社，2007，
[4]Neville Adam M，Properties ofConcrete[M]_John Wiley＆Sons，1nc，1996，
[5]吴中伟，高性能混凝土[M]，北京：中国铁道出版社，1999，
[6]覃维祖，结构工程材料[M]，北京：清华大学出版社，2000，
[7]GB／T50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范[s]，北京：中国建筑工业出版社，2008，
关键词：混凝土耐久性 指标使用寿命 经济效益
中图分类号：TU528.01 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)09-010-02
据统汁：按体积计算，当今世界最大的人造产品是混凝土。众所周知，普通混凝土是由胶凝材料、砂石骨料、水、外加剂和掺合料组成的人造石材，具有较高的抗压强度且比较经济。因此大多数结构设计者一向最关注的是混凝土的强度特性和经济性，而忽略了混凝土的耐久性，导致许多的建筑物或构筑物在使用寿命期内过早的破坏而不能使用。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年。国内一些设计使用寿命五十年的建筑物和构筑物通常在十年左右就发生了过早的破坏，其中多数与混凝土的耐久性设计不合格有关。为此住房和城乡建设部和国家质量监督检验检疫总局连续颁布了一系列国家标准和行业标准：《混凝土结构耐久性设计规范》(GB／T50476-2008)、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB／T50082-2009)、《混凝土耐久性检验评定标准))(JCJ／T193-2009)等，意在规范结构设计者只注重混凝土强度而忽略其耐久性的错误做法。本文旨在对混凝土耐久性内容提出自己的一些探讨观点。
1、耐久性的概述
美国混凝土学会(American Concrete Institute)把普通硅酸盐水泥混凝土的耐久性定义为混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何其他劣化过程的抵抗能力；也就是说耐久的混凝土暴露于服役环境中能保持其原有的形状、质量和功能。混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐腐蚀性、抗碳化性和抗碱骨料反应的性能、抗混凝土劣化性等。本文仅对抗渗性、抗冻性、抗碳化性提出一些探讨观点。
2、耐久性指标探讨
2.1 抗渗性
混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗液体的压力作用不渗透的性能。抗渗性是混凝土最重要的耐久性性质之一，它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土渗水的原因是由于混凝土内部孔隙形成连通的渗水孔道。这些孔道主要来源于水泥浆中多余的水分蒸发而留下的气孔、水泥浆泌水所产生的毛细管孔道、内部的微裂以及施工振捣不密实产生的蜂窝、孔洞，这些都会导致混凝土渗水。
试验研究认为：混凝土的抗渗性与水灰比(W／C)有很大的关系。水灰比增大，则水泥石中因水份蒸发所产生的毛细孔数量增多，渗透性变大。对混凝土试件的微观分析认为：当水灰比小于0.6时，毛细孔多属于封闭状态；当水灰比大于0.6时。则连通性的毛细孔数量显著增加，渗透性急剧变大。有试验资料证明水灰比愈大，渗透性也愈大，水灰比从0.6增加到0.63，渗透性将增大一倍。因此，一般混凝土的水灰比应控制在0.6，这也是《混凝土结构耐久性设汁规范》(GB／T 50476-2008)中对于一般混凝土构件限制的最大水灰比限值。
混凝土中粗骨料的最大粒径对混凝土的抗渗性也有较大的影响。在混凝土中，粗骨料颗粒的下面容易形成空隙，颗粒愈大则形成的空隙愈大，对抗渗不利。根据试验资料，在配合比相同的条件下，混凝土的渗透性大致与粗骨料的最大粒径成正比。所以对抗渗混凝土的租骨料最大粒径宜予以适当限制，最大粒径不宜大于40mm。
在拌制混凝土时加入适当品种和数量的掺合料也可以改善混凝土的抗渗性。目前研究的较多的是粉煤灰和硅灰。欧美日等一些发达国家多年观测发现，20世纪50年代以后建造的混凝土工程设施，往往要比20－30年代建造的工程先出现病害、开裂、甚至严重损害。据分析，这与近年来水泥厂商为了追求水泥强度而刻意的减小水泥细度的做法有关。水泥细度减小、其活性增加，使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加，最终导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。微裂纹和宏观裂纹的增加对混凝土的抗渗、耐久性能是不利的。为此，人们在配制混凝土时，常常掺加粉煤灰或硅灰等掺合料取代部分水泥，一方面降低造价，另一方面解决了因热开裂导致的抗渗性降低的问题。
2.2 抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。
材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远未达饱和，具有足够的自由空间，即使受冻也不致产生很大冻胀应力：极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在一般负温下不会结冰；粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用；闭口孔隙水分不能渗入：而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰，故其对混凝土十才料的冰冻破坏作用影响最大。
工程实践与研究资料表明：提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂。引气剂是具有憎水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力和表面能，使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡切断了部分毛细管通路能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解，不使混凝土遭到破坏，起到缓冲减压的作用。这些气泡还可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水份不易浸入，减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到润滑作用，改善混凝土和易性。因此，掺用引气剂，使混凝土内部具有足够的含气量，改善了混凝土内部的孔结构，大大提高混凝土的抗冻耐久性。
在拌制混凝土时加入硅粉可以极大的改善混凝土的抗冻性。日本的Yamato等人通过试验得出结果认为：非引气混凝土当水／(水泥+硅粉)=0.25，不管硅粉的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。加拿大的Malhotra等人通过试验得出类似的结论：引气硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉掺量15％以下时都具有较高的抗冻耐久性。我国学者丁雁飞，孙景进通过实验探讨了硅粉对混凝土抗冻耐久性的影响，得出结论：非引气硅粉混凝土的抗冻耐久性与基准混凝土比较，在胶凝材料总量相同、坍落度基本不变的条件下，非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。硅粉对抗冻性、耐久性有显著的效果，但硅粉的产量有限而且成本较高，在应用上受到限制。
另外，试验表明：水泥细度的增大也使得混凝土抗冻性降低，如图1。因此，适当的减小水泥细度或用其他材料替换水泥作为胶凝材料均可以提高混凝土的抗冻性。
2.3 抗碳化性
混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。水泥的水化产物氢氧化钙，使混凝土中处于碱性环境，该环境对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe3O3和Fe3O4，俗称 纯化膜。若空气中CO2渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca(OH)2+CO2=CCO2+H2O。碳化使混凝土的碱度降低，当碳化深度较深，超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始锈蚀，进而影响到混凝土结构的安全性。
有关研究和试验表明：在正常的大气条件下，混凝土的碳化深度随时间的变化规律为，碳化深度直接决定了碳化对混凝土性能的影响程度。
AdamM，Neville认为：碳化深度随水灰比的增加而增加，水灰比0.4的混凝土碳化深度是水灰比为0.6的一半，水灰比为0.5的混凝土在一般条件下暴露10年碳化深度为5－10mm；水泥用量500kg／m3的碳化深度是水泥用量310kg／m混凝土碳化深度的一半。因此，选择较小的水灰比和选择较大用量的水泥有利于提高混凝土的抗碳化性。
美国混凝土学会特别顾问V.M.Malhotra教授说：大掺量粉煤灰混凝土水胶比很低，碳化不成问题。试验研究表明：掺粉煤灰的混凝土同水胶比下碳化深度比纯水泥混凝土的碳化深度大，如图2。因此，在混凝土中掺入大量粉煤灰时，可适当增加养护时间来控制碳化深度，进而提高混凝土的抗碳化性。
3、耐久性改善措施
混凝土的耐久性是一项综合性能，虽然混凝土在不同环境条件下的破坏过程各不相同，但是，提高混凝土的耐久性的措施却有许多共同之处：提高混凝土的密实度和改善混凝土的孔结构。
通过对上述耐久性指标的分析可知，改善混凝土耐久性的措施包括；
(1)合理选择水泥品种，其细度指标不宜过小，同时也不宜过大。目前，国家标准GB 175-1999《硅酸盐、普通硅酸盐水泥》只规定硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2／kg，而没有规定最大值，使得许多水泥厂商蓄意的为增大水泥的早期强度而过分提高硅酸盐水泥比表面积指标，造成混凝土耐久性降低。
(2)适当控制混凝土的水灰比及水泥用量，提高密实度，改善混凝土的耐久性。
(3)掺入外加剂和掺合料，改善混凝土的内部孔结构。例如，加入引气剂、高效减水剂、粉煤灰、硅粉等。
(4)加强混凝土生产过程的质量控制，例如提高混凝土搅拌时间、加强养护等。
4、结 论
混凝土耐久性受到诸多方面因素的影响，而且不同的调整措施对混凝土耐久性指标可能起相反的效果，因此必须注意不同措施对于混凝土耐久性总体的效果。提高混凝土的耐久性，对于延长结构寿命，减少修复工作量，提高经济效益具有重要的意义。
参考文献：
[1]黄政宇，土木工程材料[M]，北京：高等教育出版社，2002，
[2][美]库马·梅塔(P，KumarMehta)，保罗L.M.蒙特罗(PauloJ.M.Monteiro)，混凝土微观结构、性能和材料(第三版)[M]，覃维祖，王栋民，丁建彤译，北京：中国电力出版社，2008，
[3]王福川，土木工程材料[M]，北京：中国建材工业出版社，2007，
[4]Neville Adam M，Properties ofConcrete[M]_John Wiley＆Sons，1nc，1996，
[5]吴中伟，高性能混凝土[M]，北京：中国铁道出版社，1999，
[6]覃维祖，结构工程材料[M]，北京：清华大学出版社，2000，
[7]GB／T50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范[s]，北京：中国建筑工业出版社，2008，