提高混凝土耐久性的措施

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摘要： 在土建工程中，混凝土是用途最廣、用量最大的建筑材料之一。近百年來，混凝土強度不斷的提高成為它主要的發(fā)展趨勢。發(fā)達(dá)國家越來越多的使用50MPa以上的高強混凝土。有些遠(yuǎn)見卓識的專家考慮到某些工程的需要，在提出高強度的同時，也提出耐久性和施工和易性的要求，尤其是近5年，在很多重要工程中都成功地采用高性能混凝土。
高性能混凝土具有豐富的技術(shù)內(nèi)容，盡管同業(yè)對高性能混凝土有不同的定義和解釋，但彼此均認(rèn)為高性能混凝土的基本特征是按耐久性進(jìn)行設(shè)計，保證拌和物易于澆筑和密實成型，不發(fā)生或盡量少發(fā)生由溫度和收縮產(chǎn)生的裂縫，硬化后有足夠的強度，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)合理而有低滲透性和高抗化學(xué)侵蝕。
基于上述特點，高性能混凝土成為我國近期混凝土技術(shù)的主要發(fā)展方向。
高性能混凝土的核心是保證耐久性。耐久性對工程量浩大的混凝土工程來說意義非常重要，若耐久性不足，將會產(chǎn)生極嚴(yán)重的后果，甚至對未來社會造成極為沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)美國一項調(diào)查顯示，美國的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程總價值約為6萬億美元，每年所需維修費或重建費約為3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已有損壞，平均每年有150-200座橋梁部分或完全坍塌，壽命不足20年；美國共建有混凝土水壩3000座，平均壽命30年，其中32%的水壩年久失修；而對二戰(zhàn)前后興建的混凝土工程，在使用30-50年后進(jìn)行加固維修所投入的費用，約占建設(shè)總投資的40%-50%以上?；乜粗袊覈?0年代所建設(shè)的混凝土工程已使用40余年。如果平均壽命按30-50年計，那么在今后的10-30年間，為了維修這些建國以來所建的基礎(chǔ)設(shè)施，耗資必將是極其巨大的。而我國目前的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模宏大，每年高達(dá)2萬億人民幣以上。照此來看，約30-50-年后，這些工程也將進(jìn)入維修期，所需的維修費用和重建費用將更為巨大。因此，高性能混凝土更要從提高混凝土耐久性入手，以降低巨額的維修和重建費用。
一般混凝土工程的使用年限約為50-100年，不少工程在使用10-20年后，有的甚至使用9年以后，即需要維修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能滿足耐久性要求的根本原因，在于混凝土本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
影響混凝土耐久性的主要因素大致可以分為以下幾點：首先，在混凝土工程中為了滿足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而導(dǎo)致混凝土的孔隙率很高，約占水泥石總體積的25%-40%，特別是其中毛細(xì)孔占相當(dāng)大部分，毛細(xì)孔是水分、各種侵蝕介質(zhì)、氧氣、二氧化碳及其它有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，引起混凝土耐久性的不足；其次，水泥石中的水化物穩(wěn)定性不足也會對耐久性產(chǎn)生影響。例如，波特蘭水泥水化后的主要化合物是鹼度較高的高鹼性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。此外，在水化物中還有數(shù)量很大的游離石灰，它的強度極低、穩(wěn)定性極差，在侵蝕條件下，是首先遭到侵蝕的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必須減少或消除這些穩(wěn)定性低的組分，特別是游離石灰。
根據(jù)對影響混凝土耐久性的主要因素的分析，就可以找出提高混凝土耐久性的主要技術(shù)途徑。如上分析，要提高混凝土的耐久性，必須降低混凝土的孔隙率，特別是毛細(xì)管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果純粹的降低用水量，混凝土的工作性將隨之降低，又會導(dǎo)致?lián)v實成型共所困難，同樣造成混凝土結(jié)構(gòu)不致密，甚至出現(xiàn)蜂窩等宏觀缺陷，不但混凝土強度降低，而且混凝土的耐久性也同時降低。目前提高混凝土耐久性基本有以下幾種方法：
一、 摻入高效減水劑：
在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減少水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。水泥在加水?dāng)嚢韬螅瑫a(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)。在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時相應(yīng)地增加用水量，這樣就會促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙。當(dāng)加入減水劑的定向排列，使水泥質(zhì)點表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時使水泥絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來，因而達(dá)到減水的目的。許多研究表明，當(dāng)水灰比降低到0.38以下時，消除毛細(xì)管孔隙的目標(biāo)便可以實現(xiàn)，而摻入高效減水劑，完全可以將水灰比降低到0.38以下。
二、 摻入高效活性礦物摻料：
普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的目的，在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成?；钚缘V物摻料中含有大量活性Si02及活性Al203，它們能和波特蘭水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高鹼性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反映，生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低鹼性水化矽酸鈣，從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離石灰的目的，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透路。此外，還能改善集料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)和界面區(qū)性能。這些重要的作用，對增進(jìn)混凝土的耐久性及強度都有本質(zhì)性的貢獻(xiàn)。
三、 消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素：
除了環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞以外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過大引起的開裂，水化性過熱過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿骨料反映等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必須減小或消除這些結(jié)構(gòu)破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿、S03、C1- 等可以引起破壞結(jié)構(gòu)和侵蝕鋼筋物質(zhì)的含量，加強施工控制環(huán)節(jié)，避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)生，以提高混凝土的耐久性。
四、 保證混凝土的強度：
盡管強度與耐久性是不同概念，但又密切相關(guān)，它們之間的本質(zhì)聯(lián)系是基于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，都與水灰比這個因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強度不斷提高。與此同時，隨著孔隙率降低，混凝土的抗?jié)B性提高，因而各種耐久性指標(biāo)也隨之提高。在現(xiàn)在的高性能混凝土中，除摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料，它們不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強度的同時，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除內(nèi)部破壞因素的條件下，隨著混凝土強度的提高，其抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力也越強。
高性能混凝土在配制上的特點是低水灰比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水和骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物集料和高效減水劑，減少水泥用量，減少混凝土內(nèi)部孔隙率，減少體積收縮，提高強度，提高耐久性。
總之，提高混凝土的耐久性是混凝土發(fā)展的必然趨勢。