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【摘 要】混凝土耐久性主要涉及到抗渗性、抗冻性、抗碳化、抗侵蚀、碱集料反应等性能。通过对这些性能进行分析,提出了提高混凝土耐久性预防措施。
【关键词】混凝土;耐久性;措施
Talking about the durability of hydraulic concrete
Tang chun hua
(Donghai County Water Conservancy Construction and Installation Engineering Company donghai jiangsu 222300)
【Abstract】The durability of concrete are mainly related to impermeability, frost resistance, anti-carbonation, anti-erosion, alkali-aggregate reaction properties. Through the analysis of these properties is proposed to improve the durability of concrete preventive measures.
【Key words】concrete; durability; measures
混凝土是水利水电工程建设及其它建筑工程中用途最广,用量最大的建筑材料之一。混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标,在设计施工中往往把混凝土的抗压强度作为主要技术指标而对混凝土的耐久性重视不够。混凝土的耐久性是指组成混凝土的材料在长期使用过程中,抵抗其自身及环境因素长期破坏作用,保持其原有性能而不变质、不破坏的能力,主要指抗渗性、抗冻性、抗碳性、抗化学侵蚀及碱集料反应等。以下根据国内外已有研究成果对混凝土各项耐久性能指标的影响进行评述。
1. 混凝土工程耐久性不足的后果
混凝土因其工程量大,将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。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6万美元,每年所需维修费或重建费用约3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已损坏,平均每年有150～200座桥梁部分或完全坍塌,寿命不足20年;美国共建有混凝土水坝3000座,寿命30年,其中32%的水坝年久失修。美国对二战前后修建的混凝土工程,在使用30～50年后进行加固维修所投入的费用,约占建设总投资的40%～50%以上。中国50～60年代所建设的混凝土工程已使用40余年,如果我国混凝土工程的平均寿命30～50年计,在今后的10～30年内,为了维修建国以来所建基础设施的费用,将是极其巨大的。
日前,我国的基础设施建设工程规模宏大,每年高达2万亿元人民币以上,约30～50年后,这些工程也将进入维修期,所需的维修费用或重建费将更巨大。作为21世纪的高性能混凝土,更要从提高混凝土耐久性入手,以降低巨额的维修和重建费用。
2. 影响混凝土耐久性的因素
2.1 混凝土的抗渗性。
混凝土的抗渗性,指混凝土抵抗压力水渗透的能力。混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好,混凝土的抗渗性越好。混凝土的耐久性与水和其它有害化学液体流入其内部的数量、范围等有关,因此抗渗性能高的混凝土,其耐久性就高。
2.2 混凝土的冻融破坏。
当结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内空隙中的水将结冰,产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的气孔结构和气泡含量多少密切相关。气孔越少越小,破坏作用就越小,封闭气泡越多,抗冻性就越好。影响混凝土抗冻性的因素,除了气孔结构和含气量外,还与混凝土的饱和度、水灰比、混凝土的龄期、集料的空隙率及其间的含水率有关。
2.3 混凝土的碳化。混凝土的碳化,是指混凝土中的Ca(OH)2与空气中的CO2起化学反应,生成中性的碳酸钙CaCO3。未碳化的混凝土呈碱性,混凝土中钢筋保持钝化最低(临界)碱度是PH值为11.50,碳化后的混凝土PH值为8.50～9.50。碳化使混凝土的碳度降低,同时,增加混凝土孔隙溶液中氢离子数量,使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当碳化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,钢筋开始生锈。钢筋锈蚀后,锈蚀产生的体积比原来膨胀2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,锈蚀越严重,铁锈越多,膨胀力越大,最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝。裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内,从而加速了碳化和钢筋的锈蚀。
2.4 混凝土侵蚀性。
当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学-物理和物理-化学变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使用使水泥石孔隙增加,密实度降低,造成对水泥石的破坏,因此,淡水冲刷会对水工建筑有一定影响;当水中溶有一些酸类时,水泥石就会受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速,这类侵蚀常发生在化工厂;碳酸在溶淅水泥石的同时,,破坏混凝土内的碱性环境,降低水泥水化产物的稳定性,影响水泥石的密度、造成对混凝土的侵蚀;硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,生成物体积膨胀开裂造成破坏;镁盐使硬化水泥石的结构组分分解造成混凝土的侵蚀。
2.5 混凝土的碱集反应。
很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的限制,只能就地取材,采用活性氧化硅成分较高的石料,如果又使用碱总含量大于0.60%的水泥,则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀,导致混凝土胀裂、甚至破坏。因反应的因素在混凝土内部,其危害作用往往是不能根治的,是混凝土工程的一大隐患。
3. 提高混凝土耐久性的措施
从上述分析可知,混凝土的外部环境、内部孔结构、原料、密实度、和抗渗性是影响混凝土耐久性能的重要因素。因此,工程应根据具体情况,有针对性地采取相应措施,提高混凝土的耐久性。
3.1 水泥。
水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结、硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土耐久性就被破坏,因此水泥的选择须注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小、水化热低,干缩性小、抗腐蚀性、抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。工程中选择水泥强度的同时,需考虑其工程性能,有时其工程性能比强度更重要。
3.2 砂、石集料。
选择质量良好、技术条件合格的砂、石集料,是保证混凝土耐久性的重要条件。改善粗细集料的颗粒级配,在允许的最大粒径范围内尽量选用较大粒径的粗集料,可减少集料的空隙率和比表面积,也有助于提高混凝土的耐久性。
3.3 掺入高效活性矿物掺料。
普通混凝土的水泥石中水化物稳定性不足,是混凝土不能超耐久的另一因素。在普通混凝土中掺入活性矿物目的,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Al2O3,它们能和波兰特水泥水化过程中产生的游离石及高硷性水化矽酸钙产生二次反应,生成强度更高、稳定性更优的低硷性水化矽酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离石灰的目的,使水泥石的结构更为致密,并阻断可能形成的渗透通路。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。
3.4 掺用引气剂或减水剂。
掺用引气剂或减水剂对提高抗渗、抗冻等有良好作用,在某些情况下,还能节约水泥。
3.5 控制混凝土的水灰比及水泥用量。
水灰比的大小是决定混凝土密实性的主要因素,它不但影响混凝土的强度,而且也严重影响其耐久性,故必须严格控制水灰比。
3.6 改善混凝土的施工操作方法。
在混凝土施工中,应当搅拌均匀,浇灌和振捣密实及加强养护以保证混凝土的施工质量。
4. 结语
“工程质量、百年大计”混凝土耐久性是影响工程使用寿命的主要问题,应针对影响混凝土耐久性的主要因素:抗渗性、冻融破坏、碳化、侵蚀性介质、碱集料反应等,结合工程具体情况采取具体措施。同时,应采用新技术、新成果,改进和提高混凝土的耐久性,延长混凝土结构的使用寿命。
参考文献
[1] 水工混凝土试验规程SL352-2006.
[2] 混凝土强度检验评定标准GBJ107-87.
[文章编号]1006-7619(2010)02-05-87
[作者简介]唐春华(1968年-),女,江苏省东海县人,东海县水利建筑安装工程公司工程师,从事水利工程施工与管理工作。
【关键词】混凝土;耐久性;措施
Talking about the durability of hydraulic concrete
Tang chun hua
(Donghai County Water Conservancy Construction and Installation Engineering Company donghai jiangsu 222300)
【Abstract】The durability of concrete are mainly related to impermeability, frost resistance, anti-carbonation, anti-erosion, alkali-aggregate reaction properties. Through the analysis of these properties is proposed to improve the durability of concrete preventive measures.
【Key words】concrete; durability; measures
混凝土是水利水电工程建设及其它建筑工程中用途最广,用量最大的建筑材料之一。混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标,在设计施工中往往把混凝土的抗压强度作为主要技术指标而对混凝土的耐久性重视不够。混凝土的耐久性是指组成混凝土的材料在长期使用过程中,抵抗其自身及环境因素长期破坏作用,保持其原有性能而不变质、不破坏的能力,主要指抗渗性、抗冻性、抗碳性、抗化学侵蚀及碱集料反应等。以下根据国内外已有研究成果对混凝土各项耐久性能指标的影响进行评述。
1. 混凝土工程耐久性不足的后果
混凝土因其工程量大,将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。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6万美元,每年所需维修费或重建费用约3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已损坏,平均每年有150～200座桥梁部分或完全坍塌,寿命不足20年;美国共建有混凝土水坝3000座,寿命30年,其中32%的水坝年久失修。美国对二战前后修建的混凝土工程,在使用30～50年后进行加固维修所投入的费用,约占建设总投资的40%～50%以上。中国50～60年代所建设的混凝土工程已使用40余年,如果我国混凝土工程的平均寿命30～50年计,在今后的10～30年内,为了维修建国以来所建基础设施的费用,将是极其巨大的。
日前,我国的基础设施建设工程规模宏大,每年高达2万亿元人民币以上,约30～50年后,这些工程也将进入维修期,所需的维修费用或重建费将更巨大。作为21世纪的高性能混凝土,更要从提高混凝土耐久性入手,以降低巨额的维修和重建费用。
2. 影响混凝土耐久性的因素
2.1 混凝土的抗渗性。
混凝土的抗渗性,指混凝土抵抗压力水渗透的能力。混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好,混凝土的抗渗性越好。混凝土的耐久性与水和其它有害化学液体流入其内部的数量、范围等有关,因此抗渗性能高的混凝土,其耐久性就高。
2.2 混凝土的冻融破坏。
当结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内空隙中的水将结冰,产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的气孔结构和气泡含量多少密切相关。气孔越少越小,破坏作用就越小,封闭气泡越多,抗冻性就越好。影响混凝土抗冻性的因素,除了气孔结构和含气量外,还与混凝土的饱和度、水灰比、混凝土的龄期、集料的空隙率及其间的含水率有关。
2.3 混凝土的碳化。混凝土的碳化,是指混凝土中的Ca(OH)2与空气中的CO2起化学反应,生成中性的碳酸钙CaCO3。未碳化的混凝土呈碱性,混凝土中钢筋保持钝化最低(临界)碱度是PH值为11.50,碳化后的混凝土PH值为8.50～9.50。碳化使混凝土的碳度降低,同时,增加混凝土孔隙溶液中氢离子数量,使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当碳化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,钢筋开始生锈。钢筋锈蚀后,锈蚀产生的体积比原来膨胀2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,锈蚀越严重,铁锈越多,膨胀力越大,最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝。裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内,从而加速了碳化和钢筋的锈蚀。
2.4 混凝土侵蚀性。
当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学-物理和物理-化学变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使用使水泥石孔隙增加,密实度降低,造成对水泥石的破坏,因此,淡水冲刷会对水工建筑有一定影响;当水中溶有一些酸类时,水泥石就会受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速,这类侵蚀常发生在化工厂;碳酸在溶淅水泥石的同时,,破坏混凝土内的碱性环境,降低水泥水化产物的稳定性,影响水泥石的密度、造成对混凝土的侵蚀;硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,生成物体积膨胀开裂造成破坏;镁盐使硬化水泥石的结构组分分解造成混凝土的侵蚀。
2.5 混凝土的碱集反应。
很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的限制,只能就地取材,采用活性氧化硅成分较高的石料,如果又使用碱总含量大于0.60%的水泥,则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀,导致混凝土胀裂、甚至破坏。因反应的因素在混凝土内部,其危害作用往往是不能根治的,是混凝土工程的一大隐患。
3. 提高混凝土耐久性的措施
从上述分析可知,混凝土的外部环境、内部孔结构、原料、密实度、和抗渗性是影响混凝土耐久性能的重要因素。因此,工程应根据具体情况,有针对性地采取相应措施,提高混凝土的耐久性。
3.1 水泥。
水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结、硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土耐久性就被破坏,因此水泥的选择须注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小、水化热低,干缩性小、抗腐蚀性、抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。工程中选择水泥强度的同时,需考虑其工程性能,有时其工程性能比强度更重要。
3.2 砂、石集料。
选择质量良好、技术条件合格的砂、石集料,是保证混凝土耐久性的重要条件。改善粗细集料的颗粒级配,在允许的最大粒径范围内尽量选用较大粒径的粗集料,可减少集料的空隙率和比表面积,也有助于提高混凝土的耐久性。
3.3 掺入高效活性矿物掺料。
普通混凝土的水泥石中水化物稳定性不足,是混凝土不能超耐久的另一因素。在普通混凝土中掺入活性矿物目的,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Al2O3,它们能和波兰特水泥水化过程中产生的游离石及高硷性水化矽酸钙产生二次反应,生成强度更高、稳定性更优的低硷性水化矽酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离石灰的目的,使水泥石的结构更为致密,并阻断可能形成的渗透通路。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。
3.4 掺用引气剂或减水剂。
掺用引气剂或减水剂对提高抗渗、抗冻等有良好作用,在某些情况下,还能节约水泥。
3.5 控制混凝土的水灰比及水泥用量。
水灰比的大小是决定混凝土密实性的主要因素,它不但影响混凝土的强度,而且也严重影响其耐久性,故必须严格控制水灰比。
3.6 改善混凝土的施工操作方法。
在混凝土施工中,应当搅拌均匀,浇灌和振捣密实及加强养护以保证混凝土的施工质量。
4. 结语
“工程质量、百年大计”混凝土耐久性是影响工程使用寿命的主要问题,应针对影响混凝土耐久性的主要因素:抗渗性、冻融破坏、碳化、侵蚀性介质、碱集料反应等,结合工程具体情况采取具体措施。同时,应采用新技术、新成果,改进和提高混凝土的耐久性,延长混凝土结构的使用寿命。
参考文献
[1] 水工混凝土试验规程SL352-2006.
[2] 混凝土强度检验评定标准GBJ107-87.
[文章编号]1006-7619(2010)02-05-87
[作者简介]唐春华(1968年-),女,江苏省东海县人,东海县水利建筑安装工程公司工程师,从事水利工程施工与管理工作。