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【摘 要】分析了高性能混凝土的耐久性影响因素，给出了提高混凝土耐久性的措施，展望了混凝土耐久性设计的发展动向。
【关键词】混凝土；耐久性；影响因素；措施
Concrete Durability Analysis
Lai Zhao-hui
（Shaanxi Provincial Academy of Building Research Xi'an Shanxi 710082）
【Abstract】Analysis of the factors affecting the durability of high performance concrete， given the durability of concrete measures to improve the outlook of the durability of concrete design developments.
【Key words】Concrete；Durability；Influencing factors；Measures
1. 混凝土耐久性概述
（1）所谓混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而能保持其安全、使用功能和外观要求的能力。主要表现在抗渗性、抗冻性、耐水性、耐火性、耐磨性、抗化学旖蚀性、碳化与钢筋腐蚀性等性能。
（2）近年来，混凝土在建筑工程中成为用量最大、用途最广的建筑材料之一，由于混凝土耐久性不足，在建筑物或构筑物的计基准期内，容易出现质量问题，导致结构可靠度降低。为维持结构必要的安全性和适用性，需要大笔维修费用。如果不能继续使用，则往往予以拆除，成为不可再利用的大宗垃圾，占用大片土地，造成巨大的经济损失，这是各国普遍存在的现象。我国是一个发展中国家，能源短缺、财力有限，资源也并不丰富，因此，在对混凝土结构进行设计施工中，不只要考虑承载力、变形和裂缝的验算设计，还要重视耐久性设计，并根据施工中的具体情况，采取切实有效的措施来不断提高混凝土的耐久性。
（3）混凝土结构在所使用的环境下， 由于各种原因引起结构的长期演变，最终使混凝土丧失使用能力，即所谓的耐久性失效。影响混凝土结构耐久性的因素很多，可分为内在因素和外在因素。内在因素指混凝土的强度、质量、渗透性、保护层厚度，以及水泥的品种、标号和用量等；外在因素则指环境的湿度、温度、二氧化碳含量以及荷载等。混凝土的碳化、混凝土的碱集料反应、混凝土的冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、钢筋的锈蚀多是影响混凝土耐久性的因素。
2. 影响混凝土耐久性的主要因素
（1）混凝土的冻融破坏。结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，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。混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括：混凝土的饱和度，水灰比，混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等。
（2）化学侵蚀。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，物理与物化变化，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，使水泥石孔隙增加，密实度降低，从而进一步造成对水泥石的破坏；研究表明，当水泥石中的氧化钙溶出5%时，强度下降7%，当溶出24%时，强度下降29%，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响；而当水中溶有一些酸类时，水泥石就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；碳酸对混凝土的影响主要为：在溶淅水泥石的同时，破坏混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，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损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。
（3）混凝土的碱-集料反应。混凝土的碱-集料反应，是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，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冶的，是混凝土工程中的一大隐患。许多国家因碱- 集料反应不得不拆除大坝，桥梁，海堤和学校，造成巨大损失，国内工程中也有碱- 集料反应损害的类似报道，一些立交桥，铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏。混凝土碱- 集料反应需具备三个条件，即有相当数量的碱，相应的活性集料，水份。反应通常有三种类型：碱-硅酸反应，碱-碳酸盐反应，慢膨胀型碱-硅酸盐反应。
3. 提高混凝土耐久性的措施
3.1 掺入高效减水剂。
（1）在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。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，包裹着许多拌和水，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和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。
（2）当加入减水剂的定向排列，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，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到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。 3.2 掺入高效活性矿物掺料。
（1）普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，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Si02及活性Al203，它们能和波特兰水泥水化过程中产生的游离石灰及高硷性水化矽酸钙产生二次反映，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，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。
（2）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。
3.3 消除混凝土自身的结构破坏因素。除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化性过热过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱骨料反映等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、S03、C1-等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，以提高混凝土的耐久性。
3.4 做好混凝土工程施工。混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法，裹砂法，裹砂石法等工艺，提高混凝土拌合料的和易性，保水性，提高混凝土强度，减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝，收缩裂缝，施工裂缝，建立混凝土的浇筑振捣制度，提高混凝土密实度和抗渗性，重视混凝土振捣后的表面工序，并加强养护，以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝，施工裂缝至关重要，应加强施工质量管理，特殊季节施工的混凝土结构，尚应采取特殊措施。
3.5 保证混凝土的强度。
（1）尽管强度与耐久性是不同概念，但又密切相关，它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构，都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下，随着水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的强度不断提高。与此同时，随着孔隙率降低，混凝土的抗渗性提高，因而各种耐久性指标也随之提高。在现在的高性能混凝土中，除掺入高效减水剂外，还掺入了活性矿物材料，它们不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。
（2）此外，在排除内部破坏因素的条件下，随着混凝土强度的提高，其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强
4. 混凝土耐久性设计的发展动向
随着建筑结构逐渐向大型化发展，以及许多建筑物过早劣化的趋势，人们越来越关心其使用寿命。现在许多结构有100年或者更成的服务年限的安全运行、不必大修的保证，欧洲的RILEM于1992年建立了TC 130-CSL委员会，其工作的目标是确定混凝土结构耐久性的科学基础、理论背景和设计房方法，并且选择一个合适于这种设计的耐久性模型，通过该委员会的努力，提出了“混凝土结构服务寿命设计计算方法”，混凝土耐久性的设计的概念，是基于破坏概率的统计理论发展的，经时间作为性能和承载功能的一个参数考虑，总荷载包括环境对结构的作用，如机械荷载与空气作用（阳光、温度变化、结冻、水分、污染物、氧气等）；总功能，如承载力、密实性、沉弯、裂缝、表面平整度等。统计理论转换为实际耐久性设计，应用于部分安全系数方法，只是增加了寿命安全系数，这是首次引用到设计当中，静态与动态性能参数和耐久性参数在设计结果中有机的结合在一起，通过耐久性设计，所有耐久性参数，例如混凝土的保护层、材料的耐久性、配筋量和结构尺寸，都是考虑了每一种情况下的实际劣化过程，必要时还可以有他们的相互作用的计算的。这种结构可靠性设计与混凝土结构可靠性设计相统一的做法，值得我们国内借鉴。
5. 结束语
混凝土结构在使用期间，会受到环境中具有侵蚀性介质的侵入，从而产生物理和化学反应，导致混凝土性能发生劣化。劣化产生的外部条件就是环境中侵蚀性介质和水的存在，而内部潜在因素则是混凝士中的孔结构和化学成分。混凝土的耐久性从实质上讲就是抵抗这种劣化作用的能力。为保证和提高混凝土结构建筑的耐久性，增强混凝土结构的使用性能，必须对混凝土构件进行正确的结构设计、材料选择和严格的施工，以及在使用阶段实行必要的管理和维护。
【关键词】混凝土；耐久性；影响因素；措施
Concrete Durability Analysis
Lai Zhao-hui
（Shaanxi Provincial Academy of Building Research Xi'an Shanxi 710082）
【Abstract】Analysis of the factors affecting the durability of high performance concrete， given the durability of concrete measures to improve the outlook of the durability of concrete design developments.
【Key words】Concrete；Durability；Influencing factors；Measures
1. 混凝土耐久性概述
（1）所谓混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而能保持其安全、使用功能和外观要求的能力。主要表现在抗渗性、抗冻性、耐水性、耐火性、耐磨性、抗化学旖蚀性、碳化与钢筋腐蚀性等性能。
（2）近年来，混凝土在建筑工程中成为用量最大、用途最广的建筑材料之一，由于混凝土耐久性不足，在建筑物或构筑物的计基准期内，容易出现质量问题，导致结构可靠度降低。为维持结构必要的安全性和适用性，需要大笔维修费用。如果不能继续使用，则往往予以拆除，成为不可再利用的大宗垃圾，占用大片土地，造成巨大的经济损失，这是各国普遍存在的现象。我国是一个发展中国家，能源短缺、财力有限，资源也并不丰富，因此，在对混凝土结构进行设计施工中，不只要考虑承载力、变形和裂缝的验算设计，还要重视耐久性设计，并根据施工中的具体情况，采取切实有效的措施来不断提高混凝土的耐久性。
（3）混凝土结构在所使用的环境下， 由于各种原因引起结构的长期演变，最终使混凝土丧失使用能力，即所谓的耐久性失效。影响混凝土结构耐久性的因素很多，可分为内在因素和外在因素。内在因素指混凝土的强度、质量、渗透性、保护层厚度，以及水泥的品种、标号和用量等；外在因素则指环境的湿度、温度、二氧化碳含量以及荷载等。混凝土的碳化、混凝土的碱集料反应、混凝土的冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、钢筋的锈蚀多是影响混凝土耐久性的因素。
2. 影响混凝土耐久性的主要因素
（1）混凝土的冻融破坏。结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，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。混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括：混凝土的饱和度，水灰比，混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等。
（2）化学侵蚀。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，物理与物化变化，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，使水泥石孔隙增加，密实度降低，从而进一步造成对水泥石的破坏；研究表明，当水泥石中的氧化钙溶出5%时，强度下降7%，当溶出24%时，强度下降29%，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响；而当水中溶有一些酸类时，水泥石就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；碳酸对混凝土的影响主要为：在溶淅水泥石的同时，破坏混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，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损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。
（3）混凝土的碱-集料反应。混凝土的碱-集料反应，是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，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冶的，是混凝土工程中的一大隐患。许多国家因碱- 集料反应不得不拆除大坝，桥梁，海堤和学校，造成巨大损失，国内工程中也有碱- 集料反应损害的类似报道，一些立交桥，铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏。混凝土碱- 集料反应需具备三个条件，即有相当数量的碱，相应的活性集料，水份。反应通常有三种类型：碱-硅酸反应，碱-碳酸盐反应，慢膨胀型碱-硅酸盐反应。
3. 提高混凝土耐久性的措施
3.1 掺入高效减水剂。
（1）在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。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，包裹着许多拌和水，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和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。
（2）当加入减水剂的定向排列，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，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到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。 3.2 掺入高效活性矿物掺料。
（1）普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，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Si02及活性Al203，它们能和波特兰水泥水化过程中产生的游离石灰及高硷性水化矽酸钙产生二次反映，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，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。
（2）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。
3.3 消除混凝土自身的结构破坏因素。除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化性过热过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱骨料反映等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、S03、C1-等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，以提高混凝土的耐久性。
3.4 做好混凝土工程施工。混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法，裹砂法，裹砂石法等工艺，提高混凝土拌合料的和易性，保水性，提高混凝土强度，减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝，收缩裂缝，施工裂缝，建立混凝土的浇筑振捣制度，提高混凝土密实度和抗渗性，重视混凝土振捣后的表面工序，并加强养护，以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝，施工裂缝至关重要，应加强施工质量管理，特殊季节施工的混凝土结构，尚应采取特殊措施。
3.5 保证混凝土的强度。
（1）尽管强度与耐久性是不同概念，但又密切相关，它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构，都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下，随着水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的强度不断提高。与此同时，随着孔隙率降低，混凝土的抗渗性提高，因而各种耐久性指标也随之提高。在现在的高性能混凝土中，除掺入高效减水剂外，还掺入了活性矿物材料，它们不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。
（2）此外，在排除内部破坏因素的条件下，随着混凝土强度的提高，其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强
4. 混凝土耐久性设计的发展动向
随着建筑结构逐渐向大型化发展，以及许多建筑物过早劣化的趋势，人们越来越关心其使用寿命。现在许多结构有100年或者更成的服务年限的安全运行、不必大修的保证，欧洲的RILEM于1992年建立了TC 130-CSL委员会，其工作的目标是确定混凝土结构耐久性的科学基础、理论背景和设计房方法，并且选择一个合适于这种设计的耐久性模型，通过该委员会的努力，提出了“混凝土结构服务寿命设计计算方法”，混凝土耐久性的设计的概念，是基于破坏概率的统计理论发展的，经时间作为性能和承载功能的一个参数考虑，总荷载包括环境对结构的作用，如机械荷载与空气作用（阳光、温度变化、结冻、水分、污染物、氧气等）；总功能，如承载力、密实性、沉弯、裂缝、表面平整度等。统计理论转换为实际耐久性设计，应用于部分安全系数方法，只是增加了寿命安全系数，这是首次引用到设计当中，静态与动态性能参数和耐久性参数在设计结果中有机的结合在一起，通过耐久性设计，所有耐久性参数，例如混凝土的保护层、材料的耐久性、配筋量和结构尺寸，都是考虑了每一种情况下的实际劣化过程，必要时还可以有他们的相互作用的计算的。这种结构可靠性设计与混凝土结构可靠性设计相统一的做法，值得我们国内借鉴。
5. 结束语
混凝土结构在使用期间，会受到环境中具有侵蚀性介质的侵入，从而产生物理和化学反应，导致混凝土性能发生劣化。劣化产生的外部条件就是环境中侵蚀性介质和水的存在，而内部潜在因素则是混凝士中的孔结构和化学成分。混凝土的耐久性从实质上讲就是抵抗这种劣化作用的能力。为保证和提高混凝土结构建筑的耐久性，增强混凝土结构的使用性能，必须对混凝土构件进行正确的结构设计、材料选择和严格的施工，以及在使用阶段实行必要的管理和维护。