提高混凝土耐久性的原理与实践
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【摘 要】本文介绍了混凝土在耐久性方面存在的问题和混凝土的某些性能对耐久性的影响。概述了提高混凝土耐久性的技术措施。
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好等优点，使其使用范围十分广泛。
混凝土抗压强度是混凝土力学性能的考核指标和工程验收标准。通常情况，混凝土的强度越高，其结构抗压强度也越高，抵抗外界的侵蚀或其它各种破坏能力就越强。也就是说，从理论上讲，强度越高，耐久性越好。但在实际上，由于高水泥用量在早期和后期易产生裂纹.裂纹对耐久性是致命伤害混凝土结构，一旦出现裂缝，就有可能由于冻融、化学腐蚀和其中的钢筋锈蚀等使混凝土的质量劣化。可见，混凝土的强度过低固然对耐久性不利，但过高也会给耐久性带来风险。高强并不一定就有高耐久性。混凝土的渗透性也是对耐久性的影响的一个重要指标，混凝土抗渗性越好，混凝土的耐久性越好。这是因为许多有害物质是因为随介质渗透到混凝土内部而起破坏作用的。例如，冻融损坏、钢筋锈蚀及至碱骨料反应都是由于水及腐蚀性物质渗入到混凝土内部而对混凝土产生破坏作用。提高混凝土的抗渗性，除混凝土本身具有极低的渗透性以外。从实际意义上来说，避免混凝土结构出现裂纹和裂缝是更为重要的。向混凝土中引入大量均匀的微小封闭气泡能够有效地改善混凝土的耐久性。因为在混凝土受冻时，气泡能够容纳水而使冰冻产生的压力得以释放；气泡还能容纳混凝土内部的有害应力并使之得到缓解 ；对各种有害物质的渗入起到阻隔作用，以及有利于降低碱骨料反应的危害性膨胀等。因此，向混凝土中掺引气剂已成为提高耐久性的基本措施。下面介绍提高混凝土耐久性的几种基本方法：
1）掺入高效减水剂：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。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。
2）掺入高效活性矿物掺料：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。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）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。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。
4）保证混凝土的强度：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。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。
案例：美国1999年施工的一座名为Kauai教堂的混凝土阀形基础，其设计寿命为一千年。Kauai教堂为全花岗岩石结构。其基础为长 36m，宽 17m，厚 lm 的阀形混凝土基础。要求不能有沉降和开裂，否则花岗岩屋顶粱会脱离柱而掉下来。因当地预拌混凝土厂一天不能供应足够凝土。而改成上下两层，层厚0.61m。该工程为软土地基，为了控制基础在施工过程中潜在的沉降裂缝，在混凝土基础下面再挖掘 lm深.将土层夯实后垫上 lm厚的砾石层夯实。所用水泥性能符合 ASTM C150要求；用 5～25mm连续粒级的碎玄武岩石子为粗骨料。细度模数为2.8的碎花岗岩石屑为细骨料。所用的粉煤灰烧失量小于 1%；细度是325目筛的筛余为25%；需水量比96%；活性指数为 83%。所用外加剂有引气剂、普通减水剂和高效减水剂等。经试验室多次试配，所用混凝土配合比基本上能够满足150mm坍落度及其它性能要求，特别是混凝土拌合物凝结硬化过程中的温变收缩。混凝土下层底板于浇注时气温早上为21℃；午后为 3O℃。混凝土浇注后 8h终凝。16h后强度约 2MPa。强制性的水养程序从浇注后的第二天早晨开始，这时可以安全地在底板上行走而不会造成损害。混凝土的入模温度为 26℃。在浇注后的 24h内混凝土的温度升高13℃。其后的6d内以每天1.7℃的速度降低。因此，到 28d早晨准备浇注上层底板时混凝土的温度约为 3O℃，强度已达到9MPa，足以承受上层底板的施工荷载。上层底板的浇注和养护程序与下层相同，水养护持续两周。
结语：混凝土的耐久性是混凝土经济性能的最重要影响因素。影响耐久性的混凝土性能有（抗 压）强度、含气量和抗渗性等。混凝土的许多耐久性破坏，如铜筋锈蚀、冻融破坏、化学腐蚀和碱骨料反应等都与这几项性能有关。高强可能具有耐久性，但高耐久性并不一定需要高强。通过在混凝土中掺用外加剂、矿物掺合料，设计低水胶比，低水泥用量，加强混凝土浇注后的养护以降低极限温升，避免出现裂缝等技术措施，可以施工出具有长耐久性的混凝土。
【参考文献】
[1]徐艳华.建筑结构[M].西安交通大学出版社，2011（8）.
[2]舒秋华，李世禹.房屋建筑学[M].武汉理工大学出版社，ISBN：9787562935155.