混凝土耐久性：《土木工程材料》研究成果

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：混凝土的抗渗性以抗渗等级来表示。影响混凝土碳化的主要因素有水泥品种、水灰比、环境湿度、硬化条件等。虽然混凝土内的碱-集料反应速度很慢，但对混凝土的耐久性十分不利。

混凝土的耐久性（Durability）是指混凝土在使用条件下抵抗周围环境中各种因素长期作用而不破坏的能力。以往人们过于注重混凝土的强度，而在实际应用中，许多混凝土结构的破坏不是由于强度不足，而是在长期遭受了自然界的侵蚀后，出现了裂缝、碳化、风化、锈蚀等问题，需要修复、加固，甚至不得不废弃。因此，提高混凝土耐久性，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。

在工程上应用的混凝土除应具有适当的强度和能安全地承受设计荷载外，还应具有在所处的自然环境及使用条件下经久耐用的性能，如抗渗性、抗冻性、抗化学腐蚀性以及预防碱-集料反应等。这些性能决定着混凝土经久耐用的程度，所以统称为耐久性。

1.抗渗性

混凝土的抗渗性（Impermeability）是指混凝土抵抗压力液体（水、油、溶液等）渗透作用的能力。它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。

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。混凝土内部互相连通的孔隙和毛细管通路，以及由于混凝土施工成型时，振捣不实产生的蜂窝、孔洞等都会造成混凝土渗水。影响混凝土抗渗性的因素如下：

（1）水灰比

混凝土水灰比大小，对其抗渗性能起决定性作用。水灰比越大，抗渗性越差。成型密实的混凝土，水泥石自身的抗渗性对混凝土的抗渗性影响最大。

（2）集料的最大粒径

在水灰比相同时，混凝土集料的最大粒径越大，其抗渗性越差。这是由于集料和水泥浆的界面处易产生裂隙和较大集料下方易形成孔穴。

（3）养护方法

蒸汽养护的混凝土，其抗渗性较潮湿养护的混凝土差。在干燥条件下，混凝土早期失水过多，容易形成收缩裂隙，因而降低混凝土的抗渗性。混凝土养护龄期越长，随着水泥水化的进行，混凝土的密实度逐渐增大，其抗渗性越好。

（4）掺合料

在混凝土中加入掺合料，如优质粉煤灰，可提高混凝土的密实度，细化孔隙，改善孔结构和集料与水泥石界面的过渡区结构，提高混凝土的抗渗性。

混凝土的抗渗性以抗渗等级来表示。抗渗等级是按标准试验方法，以材料不渗水时所能承受的最大水压力（MPa）来表示，如P2、P4、P6、P8、P11，分别表示能抵抗0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa 的水压力而不渗透。

2.抗冻性

混凝土的抗冻性（Frost Resistance）是指混凝土在使用环境中，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，要求混凝土具有较高的抗冻性能。

混凝土的抗冻性主要取决于混凝土的密实度、内部孔隙的大小与构造以及含水程度。混凝土内部孔隙的水在负温下结冰，体积膨胀造成膨胀应力，当膨胀应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，反复冻融使裂缝不断扩展直至破坏。影响混凝土抗渗性的因素对混凝土抗冻性也有类似的影响。最有效的方法是掺入引气剂、减水剂和防冻剂。

混凝土抗冻性以抗冻等级表示。抗冻等级是采用龄期28d的试块在吸水饱和状态下，经受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25%，且质量损失不超过5%时，所能承受的最大冻融循环次数确定。混凝土的抗冻等级为：F10、F15、F25、F50、F150、F200、F250、F300等八个等级，分别表示混凝土能承受的反复冻融循环次数为10、15、25、50、150、200、250和300次。

3.抗侵蚀性（Corrosion Resistance）

环境介质对混凝土的侵蚀主要是对水泥石的侵蚀。

当环境水具有侵蚀性时，对混凝土必须提出抗侵蚀性的要求。混凝土的抗侵蚀性与所用水泥的品种、混凝土的密实程度和孔隙特征有关。密实和孔隙封闭的混凝土，环境水不易侵入，故其抗侵蚀性较强。混凝土所用水泥品种的选择可参照第3章有关内容。

所以提高混凝土抗侵蚀性的主要措施包括合理选择水泥品种、提高混凝土密实度、改善孔结构等。

4.混凝土的碳化混凝土的碳化（Carbonization of Concrete）是空气中的二氧化碳在有水存在的条件下，与水泥石中的氢氧化钙发生如下反应，生成碳酸钙和水的过程，即

碳化过程是随着二氧化碳不断向混凝土内部扩散，由表及里缓慢进行的。碳化作用最主要的危害是：由于碳化使混凝土碱度降低，减弱了其对钢筋的防锈保护作用，使钢筋易于生锈；另外，碳化将显著增加混凝土的收缩，使混凝土表面产生拉应力，可能产生微细裂缝，从而降低混凝土的抗拉和抗折强度。

碳化可使混凝土的抗压强度提高，因为碳化反应生成的水分有利于水泥继续水化，且反应形成的碳酸钙填充了水泥石内部的孔隙。

混凝土的碳化深度大体上与碳化时间的平方成正比。影响混凝土碳化的主要因素有水泥品种、水灰比、环境湿度、硬化条件等。其中，在相对湿度为50%～75%的环境时，碳化最快。

为防止钢筋锈蚀，必须设置足够的钢筋保护层。

提高混凝土抗碳化能力的措施主要有：优先选择硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥；采用较小的水灰比；提高混凝土密实度；改善混凝土内部的孔隙结构。

5.碱-集料反应

碱-集料反应（Alkali-aggregate Reaction，简称AAR）是指混凝土内水泥石中的Na2O和K2O含量多时，它们水解后生成的氢氧化钠和氢氧化钾等，能与集料中的活性二氧化硅反应，并在集料表面形成一层复杂的碱-硅酸凝胶。这种凝胶遇水时明显膨胀，使集料与水泥石界面胀裂。虽然混凝土内的碱-集料反应速度很慢，但对混凝土的耐久性十分不利。在潮湿环境中一旦采用了碱活性集料和高碱水泥，这种破坏将无法避免。

普遍认为发生碱集料反应须同时具备下列三个必要条件：碱含量高；集料中存在活性二氧化硅、环境潮湿；水分渗入混凝土。因此，预防或抑制碱-集料反应的措施有：

①使用含碱量小于0.6%的水泥，以降低混凝土的总含碱量；

②混凝土所使用的碎石或卵石应进行碱活性检验；

③使混凝土致密或表面涂覆防护材料，防止水分渗入混凝土内部；

④采用能抑制碱集料反应的掺合料，如粉煤灰（高钙高碱粉煤灰除外）、硅灰等。

6.提高混凝土耐久性的措施

影响混凝土耐久性的各项指标虽不相同，但是，提高混凝土的密实度是提高混凝土耐久性的一个重要环节。要提高混凝土的密实程度，需要做好以下各项工作：

（1）合理选择原材料

水泥品种的选择应与工程所处环境条件相适应；外加剂的品种应与水泥的品种相匹配。

（2）控制水灰比和水泥用量

水灰比大小是决定混凝土密实度的重要因素，它影响混凝土的强度和耐久性，必须严格控制水灰比。国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2015）对建筑工程所用混凝土的最大水灰比及最小水泥用量做了规定，如表4.19所示。

表4.19　混凝土的最大水灰比和最小胶凝材料用量