混凝土耐久性的研究進展及存在的問題

      關(guān)鍵詞: 現(xiàn)代混凝土； 耐久性；建筑材料

　　混凝土是當今世界用量大的建筑材料。我國混凝土使用量居，年用量達20 億t ，為適應(yīng)經(jīng)濟快速發(fā)展發(fā)揮了極其重要的作用?；炷恋膽?yīng)用過程中暴露出許多問題，其中尤為突出的是耐久性問題。如不少工程在使用10～20 年后，有的甚至在使用幾年之后即需維修?；炷凉こ檀蠖嗍?性的，工程量大、耗資多，若耐久性不良將會給未來社會造成極為沉重的負擔。因此，從資金節(jié)約、資源的有效利用及環(huán)境保護等方面綜合考慮，必須深入研究混凝土的耐久性問題。

1 　重新認識混凝土材料

1.1 　歷史的啟示

      首先來關(guān)注兩個事實: ①20 世紀50～60 年代，受當時國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)條件的限制，生產(chǎn)的水泥活性小、標號低，為滿足較低的強度和施工要求并大限度地節(jié)約水泥，配制混凝土的水泥用量和用水量少，拌和物流動性小，穩(wěn)定性較好、早期強度發(fā)展緩慢，硬化后裂縫少，后期強度發(fā)展幅度較大，耐久性普遍較好，有的幾十年后仍在使用。②古羅馬的建筑工匠用火山灰和石灰做膠凝材料建造的“混凝土”建筑，如的萬神殿、競技場、海港、引水渡槽及浴室等，經(jīng)歷2000 多年的流水、雨雪、海水等自然因素的作用，至今仍在使用，令人驚嘆； 研究發(fā)現(xiàn)，古代“混凝土”的膠凝材料用量很少，水灰比很小(靠夯實) ，強度增長極為緩慢，幾乎不會因干燥和溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力和裂縫。

1.2 　混凝土技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

      科學技術(shù)高度發(fā)達的今天，人們對混凝土結(jié)構(gòu)從施工到性能方面提出的要求越來越苛刻，力求施工速度快、強度高，水泥生產(chǎn)工藝的改進和混凝土施工技術(shù)的進步為此提供了可能。結(jié)果是所用水泥標號高、活性大、用量多、水化速度快，混凝土早強、高強，彈性模量大，變形能力差；為了便于運輸、澆搗，塌落度由過去的0～20mm 增加到180mm ，甚至更大。但是，從另一方面看，水泥生產(chǎn)工藝和混凝土施工技術(shù)發(fā)展帶來的混凝土性能的變化又直接影響著混凝土的耐久性。因此，從提高混凝土耐久性的角度出發(fā)，必須重新認識混凝土這一人造材料。

2 　混凝土的性能對其耐久性的影響

2.1 　強度與耐久性

      混凝土強度(抗壓) 是混凝土重要的力學性能指標，直接影響其應(yīng)用，提高混凝土的強度一直是人們所追求的目標。從理論上講，混凝土的強度越高其結(jié)構(gòu)越致密，抵抗外部環(huán)境作用的能力越強，耐久性越好。但事實上并非如此。因為要實現(xiàn)高強就必須加大水泥用量、提高水泥標號，從而引起水化反應(yīng)劇烈，水化放熱多而快，混凝土自生收縮、干燥收縮、溫度收縮作用強烈，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以導致混凝土開裂，混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)裂縫(紋) ，就為凍融、化學侵蝕及堿骨料反應(yīng)等劣化作用敞開了方便之門，耐久性降低在所難免。可見，混凝土強度過低固然對耐久性不利，但過高也會給耐久性帶來風險[ 1 ] 。這也是專家建議在我國發(fā)展C25～C30 的HPC[ 2 ]的原因之一。

2.2 　流動性與耐久性

      混凝土拌和物的流動性從10 年前70～80mm 發(fā)展到現(xiàn)在大量商品混凝土180～200mm ，實現(xiàn)了混凝土泵送和高拋，大大提高了施工效率，保證了振搗質(zhì)量，這無疑是混凝土施工技術(shù)的一大進步。但大流動性需要較大的用灰量和用水量，而這正是混凝土收縮裂縫產(chǎn)生的一個重要原因；雖然減水劑的使用可以保證在水灰比不變或有所降低的前提下流動性得到改善，但拌和物的均質(zhì)性和穩(wěn)定性卻明顯變差，在運輸、澆搗過程及成型后都容易出現(xiàn)離析、沉降、泌水現(xiàn)象，從而在骨料和水泥漿的界面，以及鋼筋與混凝土的界面形成薄弱的過渡區(qū)，混凝土硬化后，形成大量孔隙和微裂縫。這是導致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的根本原因。因此，從提高混凝土的耐久性考慮，不宜過分增加拌和物的流動性，應(yīng)根據(jù)工程特點全面考慮，注重拌和物的工作性，流動性的大小要服從于體積穩(wěn)定性和均質(zhì)性[ 3 ] 。

2.3 　延伸性與耐久性

     混凝土的延伸性與徐變、變形模量和抗拉強度三者存在密切關(guān)系，見圖1 。徐變大、變形模量小、抗拉強度高的混凝土延伸性較好，裂縫的開展得以延遲和減小，并具有一定自愈能力，混凝土的耐久性好?；炷岭S著強度的提高，徐變松弛作用急劇減小、變形模量增大。因此盡管混凝土的抗拉強度伴隨抗壓強度的提高有所提高，但延伸性卻大大降低，開裂的時間反而提前[ 4 ] ，裂縫開展的寬度增加，耐久性變差了。

      綜上所述，水泥生產(chǎn)工藝的改進、混凝土施工技術(shù)的發(fā)展，對混凝土性能產(chǎn)生了顯著的影響，客觀上造成了混凝土拌和物體積穩(wěn)定性下降，均質(zhì)性變差，硬化后變形能力降低；結(jié)構(gòu)本身存在著隱患，混凝土硬化期間的變形受約束而得不到徐變松弛的緩解，導致比以往大得多的拉應(yīng)力，二者共同作用造成混凝土裂縫不斷地擴展與連通，再加上混凝土結(jié)構(gòu)自身的孔隙缺陷，在外界環(huán)境的作用下過早劣化即耐久性下降就成為必然。

3 　提高混凝土耐久性的有效途徑

      盡管混凝土耐久性問題是多種多樣的，但造成耐久性不良的原因可歸結(jié)為兩方面，一是外部環(huán)境，二是混凝土內(nèi)部缺陷及組成材料的特性。因此，提高混凝土的耐久性必須從提高結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境劣化作用能力和減少混凝土內(nèi)部缺陷及改善其組成材料的性能著手。

3.1 　強化環(huán)境的針對性

      耐久性是一個籠統(tǒng)的概念，它必須與結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境相才有明確意義。環(huán)境條件千差萬別，抽象地說要設(shè)計一種高耐久性混凝土顯然是不科學甚至是不可能的。因此，混凝土耐久性設(shè)計的前提是將結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境調(diào)查清楚，并從中確定哪個或哪些是主要破壞因素，進而針對破壞因素進行耐久性設(shè)計。

3.2 　優(yōu)化設(shè)計、精選材料、加強施工管理

      更新設(shè)計觀念，正確認識混凝土強度與耐久性之間的關(guān)系，改變長期以來沿襲的“混凝土強度越高越耐久”的觀念，選擇適當?shù)膹姸龋龅侥途眯耘c強度兼顧；嚴格控制水灰比和水泥用量，改變“水泥用量越多越耐久”的觀念，在保證拌和物具有良好工作性的前提下來滿足流動性要求。選材方面應(yīng)根據(jù)工程所處的環(huán)境合理選擇水泥品種，選用質(zhì)量良好、技術(shù)條件合格的砂和石骨料，提高其粒形和級配品質(zhì)參數(shù)。施工方面應(yīng)強化管理，混凝土要攪拌均勻、澆灌和振搗密實，加強養(yǎng)護。

3.3 　摻入活性礦物摻和料和外加劑

      實踐證明，在水泥中摻入硅灰、粉煤灰、磨細礦渣等礦物摻和料，在保證強度的同時可降低水化熱和收縮應(yīng)力，提高混凝土的抗裂性；二次水化產(chǎn)物能堵塞水泥石中的孔隙，阻斷滲透通路，提高混凝土的抗?jié)B性及抗凍性、抗侵蝕性，避免堿骨料反應(yīng)。某些超細礦物摻和料還能改善骨料和水泥石的界面結(jié)構(gòu)及界面區(qū)性能。此舉既利用了廢物、降低了成本，又可減少混凝土的裂縫和孔隙率，對提高混凝土的耐久性有本質(zhì)性的貢獻，可謂一舉多得。外加劑作為混凝土的第五組分，其中的某些品種(引氣劑、防水劑、阻銹劑等) 對提高混凝土的耐久性效果明顯，但在我國外加劑的應(yīng)用還遠未達到應(yīng)有的水平。因此，應(yīng)提倡科學、合理、廣泛地使用外加劑，使其更好地為提高混凝土的耐久性服務(wù)。

3.4 　建立完善的混凝土耐久性檢測、評價系統(tǒng)

　　研制一套強化快速試驗系統(tǒng)，使之能夠比較客觀地反映使用環(huán)境下混凝土的主要破壞因素及其實際運行狀態(tài)，并能與實際結(jié)構(gòu)的檢測相互印證，對混凝土的劣化狀態(tài)做出科學評價，并據(jù)此采取切實有效的維修措施，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。在這方面，歐美國家及日本的研究成果值得借鑒。

4 　結(jié)　語

      由于混凝土原材料的復雜多變，施工條件的波動，混凝土結(jié)構(gòu)本身的復雜與不斷發(fā)展，環(huán)境條件的多樣性和復合作用等，造成混凝土耐久性研究的高度復雜性。筆者認為，水泥生產(chǎn)工藝及混凝土施工技術(shù)發(fā)展引起的混凝土性能的變化，是導致混凝土耐久性不良的重要原因。消除傳統(tǒng)認識中的某些誤區(qū)，針對環(huán)境條件從配合比設(shè)計、材料選擇、施工管理、檢測預測等方面采取綜合措施，才能從根本上提高混凝土的耐久性。

參考文獻:

[1 ] 　黃士元. 混凝土早期裂紋的成因及防治[J ] . 混凝土，2000 (7) : 3～5.

[2 ] 　習志臻. 粉煤灰高性能混凝土[J ] . 混凝土，1999 (4) : 17 ～18.

[3 ] 　廉慧珍. 對“高性能混凝土”十年來推廣應(yīng)用的反思[J ] . 混凝土，2003 (7) : 10～13.

[4 ] 　覃維祖. 混凝土性能對結(jié)構(gòu)耐久性與安全性的影響[J ] . 混凝土，2002 (6) : 3～5.