混凝土的滲透性與耐久性

摘要：滲透性是混凝土耐久性中最重要的內(nèi)容。論述了混凝土耐久性的影響因素、研究方法，以及混凝土滲透機(jī)理和滲透性與耐久性的關(guān)系。關(guān)鍵詞：混凝土；耐久性；滲透性；相關(guān)關(guān)系　　混凝土材料以其特有的優(yōu)越性在建筑工程上得到廣泛的應(yīng)用。過去，由于歷史、社會(huì)和人的主觀認(rèn)識(shí)等方面的原因，人們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選材、制作和養(yǎng)護(hù)等往往只重視強(qiáng)度而忽視了其耐久性，從而為混凝土結(jié)構(gòu)以后的正常使用埋下了隱患，造成許多不良后果?；炷两Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生耐久性問題，其維修加固費(fèi)用是十分巨大的，有時(shí)甚至不得不拆除重建。美國(guó)1975 年由于混凝土腐蝕引起的損失為700 億美元， 1985 年則達(dá)1680 億美元，而今后每年用于維修或重建的費(fèi)用預(yù)計(jì)高達(dá)3000 億美元。英國(guó)每年用于修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的費(fèi)用達(dá)200 億英鎊，而日本目前每年用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用為400 億日元以上。　　混凝土耐久性指標(biāo)一般可通過實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的方法獲得。但傳統(tǒng)的混凝土耐久性試驗(yàn)費(fèi)力費(fèi)時(shí)，加之當(dāng)今的混凝土材料和技術(shù)研究進(jìn)展迅猛，高性能混凝土的優(yōu)越性能已經(jīng)在重大工程中得到檢驗(yàn)，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分已經(jīng)有了很大變化，因此，過去的一些試驗(yàn)方法已變得越來(lái)越不適用。為此，一些學(xué)者致力于尋求快速且更能反映實(shí)際情況的耐久性試驗(yàn)方法。學(xué)者們從不同的角度、采用不同的方法研究混凝土的滲透性，觀點(diǎn)也不統(tǒng)一，對(duì)非受力狀態(tài)下混凝土的滲透性與實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)不符的情況，也有人提出質(zhì)疑。目前的共識(shí)是，混凝土的滲透性在一定程度上可以反映混凝土的耐久性。1　混凝土的耐久性及影響因素1. 1　混凝土的耐久性　　按照AC I 201 委員會(huì)的定義，混凝土的耐久性是指對(duì)風(fēng)化作用、化學(xué)腐蝕、磨耗或任何其它破壞過程的抵抗能力；耐久性的混凝土當(dāng)露置于使用環(huán)境時(shí)將保持其原來(lái)的形狀、質(zhì)量和適用性。混凝土的耐久性從廣義上說(shuō)應(yīng)包括：大氣對(duì)混凝土的腐蝕、水對(duì)混凝土的作用、堿骨料反應(yīng)、環(huán)境水侵蝕和磨損等。1. 2　耐久性性影響因素及研究方法　　M eh ta 教授在1991 年召開的第二屆混凝土耐久性國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)上指出：“當(dāng)今世界，混凝土破壞的原因，按重要性遞降順序排列是：鋼筋腐蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”，“當(dāng)今混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益嚴(yán)重，除冰鹽應(yīng)用的日增，水、土、大氣污染加劇，也有促進(jìn)作用”。因此，混凝土的耐久性研究應(yīng)該從混凝土材料本身以及所處的環(huán)境兩方面來(lái)考慮?！　』炷镣ǔ２皇窃趩我荒途眯砸蛩刈饔孟率艿狡茐牡?，而是受到一種以上的侵蝕作用導(dǎo)致破壞加速的結(jié)果。過去偏重于采用分析方法進(jìn)行單一因素的研究，往往脫離實(shí)際，于是有學(xué)者提出了多因素研究的方法。近年來(lái)，出現(xiàn)了耐久性更好的高性能混凝土，但由于泌水減小和水膠比降低引起的收縮開裂加大，可能會(huì)削弱抗?jié)B性的效果。因此，混凝土的耐久性也應(yīng)該重視提高其體積穩(wěn)定性，使混凝土不會(huì)由于開裂而失去高抗?jié)B性。2　混凝土的滲透性2. 1　混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與滲透性　　混凝土是一種多相非均質(zhì)材料，從微觀上看是多孔結(jié)構(gòu)，水通過這些孔隙在混凝土中滲透。一般認(rèn)為，混凝土的滲透性越低，水及腐蝕性介質(zhì)越不易滲入，即耐久性越好。通常采用的降低滲透性的措施都能提高混凝土的耐久性，諸如降低水膠比、使用礦物摻合料、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間等。特別是礦物摻合料作為膠凝材料加入混凝土中，能起到增大混凝土的密實(shí)度、改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)、細(xì)化孔隙的作用，能明顯提高混凝土的滲透性。2. 2　混凝土滲透性的電學(xué)評(píng)價(jià)　　人們習(xí)慣于用強(qiáng)度來(lái)衡量混凝土的綜合質(zhì)量，但對(duì)于高性能混凝土來(lái)說(shuō)，耐久性比強(qiáng)度更重要。文獻(xiàn)的研究證實(shí)了混凝土的強(qiáng)度不能反映滲透性，對(duì)高性能混凝土尤其如此。混凝土的電導(dǎo)率與其滲透性參數(shù)之間的關(guān)系可表示為： K =σV/σ　　式中， σ 為混凝土電導(dǎo)率； σp 為混凝土孔溶液的電導(dǎo)率； K 為反映混凝土孔隙情況的參數(shù)。研究證明，電學(xué)方法與滲水法所測(cè)結(jié)果相關(guān)性很好。有的方法在評(píng)價(jià)混凝土的其它耐久性指標(biāo)方面也存在較大的潛力。相比而言，混凝土的電學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)量是快捷而精確的。文獻(xiàn)已建立了用交流電測(cè)量混凝土滲透性的試驗(yàn)方法。3　滲透性與耐久性的關(guān)系　　混凝土的耐久性包括許多內(nèi)容，這些內(nèi)容又受許多因素影響，且作用機(jī)理復(fù)雜，但其共同點(diǎn)是：它們都與混凝土的傳質(zhì)能力有關(guān)?；炷敛牧系母g大多是在有水及有害離子侵入的條件下產(chǎn)生的，混凝土的耐久性與滲透性有著密切的聯(lián)系。3. 1　抗凍性與滲透性　　干燥的混凝土不會(huì)遭受冰凍破壞。由于混凝土含水率存在一個(gè)臨界飽和度，超過此值，且當(dāng)混凝土暴露于低溫下容易產(chǎn)生裂縫?；炷两?jīng)充分養(yǎng)護(hù)后含水率可能低于臨界飽和度，但如果其滲透性較高，當(dāng)暴露于潮濕環(huán)境時(shí)，可以再次達(dá)到或超過臨界飽和度?！　∫虼?，對(duì)處于凍融環(huán)境中的混凝土，其滲透性非常重要。滲透性不僅控制著凍結(jié)時(shí)與內(nèi)部水的移動(dòng)有關(guān)的滲透壓力，而且控制著冰凍前的臨界飽和度，國(guó)外已有學(xué)者研究了混凝土的滲透性與凍融循環(huán)的關(guān)系?！　∫话銇?lái)說(shuō)，在混凝土中引入適量的封閉氣孔可以大大改善其抗凍能力。由于引入的封閉氣孔既可降低混凝土的表面滲透性，使混凝土不易飽水，又可以在冰凍時(shí)為水壓力提供外逸邊界，使得膨脹力減小，從而可以大幅度提高混凝土的抗凍融能力。3. 2　碳化與滲透性　　　　由于混凝土的多孔性，大氣中的CO 2 在濃度差的作用下通過混凝土由外向內(nèi)擴(kuò)散，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這個(gè)過程稱為混凝土的碳化。碳化對(duì)混凝土的危害是多方面的，例如使混凝土的韌性降低、產(chǎn)生碳化收縮裂縫等，而最大的危害是使表層混凝土堿性降低，對(duì)保護(hù)鋼筋不利。

混凝土碳化是一個(gè)緩慢的過程。碳化速度可用一定時(shí)期內(nèi)的碳化深度來(lái)表示。碳化深度一般通過實(shí)驗(yàn)室加速碳化試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。另外，根據(jù)CO 2 在混凝土中的擴(kuò)散機(jī)理，很多學(xué)者都建立了預(yù)測(cè)混凝土碳化深度的數(shù)學(xué)模型。我們采用文獻(xiàn)建立的碳化模型，預(yù)測(cè)了文獻(xiàn)中所用混凝土的碳化深度，預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。

　　由表1 可見，混凝土的Cl- 滲透深度x 和碳化深度D c之間相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)為0. 858，相關(guān)程度為顯著。由收集到的混凝土電性能指標(biāo) 和用碳化模型預(yù)測(cè)的碳化深度反映這種關(guān)系也可得到同樣的結(jié)果，二者的相關(guān)系數(shù)為- 0. 734，相關(guān)程度也顯著。以上分析表明，有可能利用混凝土的滲透性評(píng)價(jià)其抗碳化性能，并且因混凝土的交流電阻比Cl- 滲透深度更容易測(cè)量，用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土碳化性能更具潛力。3. 3　鋼筋銹蝕與滲透性　　混凝土的高堿性使內(nèi)部鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，保護(hù)鋼筋不受腐蝕。CO 2通過表面滲入混凝土以后，同混凝土中的Ca 2 反應(yīng)使之碳化，從而使混凝土堿性大大降低。隨著混凝土堿性的降低，鋼筋表面的鈍化膜將變得不穩(wěn)定，直至破壞。這樣，失去保護(hù)的鋼筋會(huì)在氧和水分滲入的情況下發(fā)生電化學(xué)腐蝕。由表1 數(shù)據(jù)計(jì)算可知，混凝土Cl- 滲透深度x 與鋼筋銹蝕失重率K RW 之間相關(guān)系數(shù)為0. 671，相關(guān)程度稍差，這可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)來(lái)自不同研究者的試驗(yàn)，以及預(yù)測(cè)模型的誤差造成的。已有研究者采用滲透性指標(biāo)定性地評(píng)價(jià)混凝土的護(hù)筋性能?！　÷入x子的侵入是誘發(fā)鋼筋銹蝕的又一個(gè)重要因素。當(dāng)氯離子侵蝕至鋼筋表面，且含量超過臨界值時(shí)，造成局部鈍化膜溶解，在水和氧氣的存在下，誘發(fā)鋼筋的電化學(xué)腐蝕。4　結(jié)　語(yǔ)　　混凝土材料的腐蝕主要是由于侵蝕性介質(zhì)的侵入。滲透性決定了侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的速度，是影響混凝土耐久性最重要的因素。今后，可望利用滲透性指標(biāo)評(píng)價(jià)其耐久性。