混凝土的耐久性分析

蒲建国（1 西安建筑科技大学，陕西 西安 710055；2 酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

自波特兰水泥问世以来，混凝土材料及其应用技术得到不断发展。与其它材料相比，混凝土可按要求浇筑成型，经济、节能，而且是最耐久的材料之一。混凝土的这些特点使它成为现代土木工程中不可缺少、用量最大、用途最广的建筑材料。而混凝土的耐久性目前引起了各国政府及科研机构的重视。

1 混凝土的耐久性不足造成的后果

混凝土从低强度到高强度的发展历程中，科研技术人员把主要精力集中到了混凝土的强度上。因环境作用，混凝土结构造成过早失效以至破坏崩塌的事故在国内外屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。根据国内外资料，在日本许多港湾建筑、桥梁等，建成后不到10年时间，混凝土表面即出现开裂、剥落，钢筋锈蚀外露[1]。由美国国家材料顾问委员会提交报告报道大约253000 座混凝土桥梁的桥面板出现不同程度的破坏。Gerwick、Khanna 和Shayan、Quick 等人分别报道了一些国家的海底隧道、海洋桩基和铁路轨枕过早出现严重劣化的现象[2]。在我国建设部于20 世纪90年代组织了对国内混凝土结构的调查，发现大多数工业建筑在使用25～30年后即需大修，相对于房屋建筑来说，处于露天环境下的桥梁耐久性与病害状况更为严重。

2 混凝土耐久性破坏机理分析

混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。影响混凝土耐久性主要有内部因素、外部因素、混凝土的体积稳定性、受力等因素[3]，下面作具体分析。

2.1 混凝土的碳化破坏机理

混凝土碳化是一个复杂的物理化学过程，指空气中的 CO2气体与混凝土中液相的 Ca(OH)2作用，生成 CaCO3和H2O的中性化过程，此外，水化硅酸钙以及未水化的硅酸三钙和硅酸二钙也要消耗 CO2气体。碳化使混凝土的孔隙率降低，密实度提高，因而对混凝土的力学性能和构件的受力性能有明显的影响。混凝土碳化主要引起钢筋锈蚀的问题。

2.2 混凝土的冻融破坏机理

混凝土的冻融破坏国内外已经做了大量的研究工作，混凝土冻融破坏问题在我国北方较为普遍，冻融破坏是引起北方地区混凝土结构耐久性丧失的主要原因。在去冰盐存在时,冻融破坏会被大大加速。1945年Powers 提出的静水压假说和Helmuth 一起提出渗透压假说。混凝土内部的空隙起着主要的作用，混凝土冻融破坏主要取决于混凝土自身的空隙大小。混凝土孔溶液中溶有钾、钠等离子，比普通水的冰点低，当环境温度降到-1～-1.9℃,混凝土空隙中的水从大孔开始结冰，逐渐扩展到小孔，在温度低于-12℃时毛细孔水结冰，体积膨胀9%产生静水压力，水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、力学性能严重下降，可看到裂缝和剥蚀。

2.3 混凝土的碱-骨料反应

碱-骨料反应（简称AAR）主要有两种类型：碱－硅酸反应和碱－碳酸盐反应[4]。一般在混凝土浇筑后2、3年或者更长时间，混凝土中碱与骨料中活性组分发生的膨胀性反应,主要引起混凝土的膨胀和开裂，混凝土的微结构被改变，从而导致失去强度、弹性模和耐久性，严重影响结构的安全性，并且反应一旦发生很难阻止，又被称为混凝土的“癌症”。如1984年北京建成的三元立交桥桥墩,1990年就在桥的潮湿部位发现有碱骨料反应而损坏的现象。

2.4 化学侵蚀

混凝土的化学侵蚀结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会发生一系列化学和物理反应,而逐步受到侵蚀。硫酸盐侵蚀是混凝土化学侵蚀中最广泛、最普遍的形式，是典型的膨胀性侵蚀。硫酸根离子与铝酸盐组分发生化学反应，C3A的水化产物水化铝酸钙和水化单硫铝酸钙都能与石膏发生反应生成水化三硫铝酸钙（钙矾石），在腐蚀初期，有新生成的盐结晶体的体积增长，使混凝土孔隙率变小，密实度提高，强度有所提高，在后期由于大量膨胀性产物在孔结构内的膨胀应力不断增长，使孔结构遭到破坏，导致混凝土被破坏。

3 提高混凝土耐久性的技术措施

3.1 正确选择混凝土材料和配合比

1）优选水泥品种

不同品种的水泥对化学结合能力、强度的形成、耐腐蚀性、耐冻性、抗渗性和延缓碳化的能力有很大差别，一般环境条件下，宜选用低水化热和含碱量低的水泥，不宜选用早强的水泥[5]。目前世界范围内正在研制开发生产的高贝利特水泥（HBC），是一种比较理想的用于配制耐久混凝土的水泥品种。其抗冻性能优于同样标号的普通硅酸盐水泥，同时还有良好的抗化学侵蚀性能和抑制碱骨料反应的能力。

2）重视骨料的质量

根据混凝土耐久性的需要，选用的骨料之地要坚硬，具有足够的强度，且具有稳定的物理和化学性质，选用坚硬、致密和高强度的骨料至关重要，且骨料的含泥量符合标准要求。对于冻融循环等严酷环境下，粗骨料的最大粒径不宜超过25mm，不超过保护层的2/3，对于重要工程采用的骨料应作碱活性检验。

3）控制水灰比和水泥用量

水灰比关系混凝土的空隙率的多少，影响CO2在孔隙中的扩散程度和混凝土的碳化速度，控制水灰比是为了减少混凝土拌合料凝固后多余的水逸出产生的毛细孔道和空隙,减小渗透性,防止冻融破坏和破坏结构表面的美观。水泥用量要保证混凝土的密实性，不低于最小用量，确定最佳水泥用量和水灰比。

4）配制高性能混凝土

高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成，具有耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性与经济合理性综合性能的混凝土[6]。拌合料呈高塑或流态,可泵送，不离析，便于浇筑密实；在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小,有很高的抗渗性。

3.2 加强施工管理

在施工阶段，检查骨料的含水量，减少用水量；针对大体积混凝土的浇筑应采取相应浇注和养护措施,防止产生裂缝；严格按照施工操作规程有序的进行振捣，提高混凝土密实度和抗渗性,并且做好混凝土的养护工作。对于混凝土构件应防止过早的拆模及支撑，严格按照规范的标准操作，以免给混凝土的耐久性造成隐患。对于特殊的季节及特殊条件下进行的施工，因根据不同的环境采取相应的措施，确保混凝土的质量满足施工要求。

4 结语

提高混凝土的耐久性是保持国民经济可持续发展的需要，随着我国近几年大规模的基础设施建设，混凝土耐久性的问题也得到各级主管部门及科研院所的重视，混凝土的研究开发技术也得到了相应的提高，高性能混凝土在各类工程中得到了广泛的应用。

[1]冯乃谦,邢锋.《高性能混凝土结构》机械工业出版社，2000年.1-2

[2]P.K.Mehta.耐久性—影响未来的关键问题，清华大学土木工程系建材教研室编，高强混凝土与高性能混凝土译文集（第五册）2000年：10 一19

[3]黄志山,王大超.混凝土的耐久性[C].全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集.2006.51-57

[4]吴中伟,廉慧珍.《高性能混凝土》[M]北京：中国铁道工业出版社，1999.231-232

[5]张誉等编著.混凝土结构耐久性概论[M].上海：科学技术出版社，2003.303-305

[6]吴中伟.高性能混凝土—绿色混凝土[J].混凝土与水泥制.2000（1）.1-6