混凝土耐久性影响因素分析

郑州科技学院 杜晓 方付慧

混凝土耐久性影响因素分析

郑州科技学院 杜晓 方付慧

混凝土的使用已有一百多年的历史，随着混凝土应用的加深，人们对它的认识也越来越深。经过多年的实践，工程人士发现，即使混凝土强度再高，但若耐久性差、寿命短，则仍满足不了工程的需求。实际施工中，对混凝土的要求也由强度向耐久性转变，对混凝土耐久性的研究已成为一个热门课题。

混凝土的耐久性实际上是指混凝土的结构稳定性，它包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀、抗碳化、抗碱-骨料反应及抗钢筋锈蚀能力等方面，其影响因素既有环境温湿度、周围介质等外因，也有混凝土自身的化学组成及孔隙结构、孔隙大小等内因。外部介质或者在混凝土表面直接发生物理或化学反应，破坏混凝土结构；或者通过孔隙渗透至混凝土内部，破坏混凝土结构。对于混凝土结构的破坏来说，最关键的就是材料与水的相互作用。没有水（或水蒸气），混凝土就不会有渗透、冻融、碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应等现象发生，所以混凝土的渗透性、吸水性、吸湿性及亲水性等，都是影响其耐久性的关键因素。影响混凝土渗透性、吸水性、吸湿性的关键因素是混凝土内部的孔隙结构，影响其亲水性好坏的是混凝土的化学组成。本文，笔者主要从混凝土的化学成分和矿物组成、混凝土的孔隙结构等方面，讨论了它们对混凝土耐久性的影响。

一、水泥的化学成分、矿物组成对混凝土耐久性的影响

普通混凝土的基本组成中，最容易与外界环境发生化学反应的是胶凝材料水泥。水泥的化学成分、矿物组成是影响混凝土耐久性的关键因素。

1.水泥化学成分对混凝土耐久性的影响。水泥成分复杂，含有SiO2，Al2O3，MgO，CaO，Fe2O3等多种氧化物，其中以前4种含量为主，其化合键的强度由前到后依次降低。混凝土的耐久性主要是指其结构的稳定性，这与胶凝材料化学组成的稳定性密切相关。化学成分的稳定性又可分为受外界环境和微观结构影响较小的内部结构稳定性和受外界环境和内部结构影响较大的表面结构稳定性。内部结构稳定性与水泥中氧化物的化学键强度成正比例关系，即水泥中SiO2含量越多、CaO含量越少（硅钙比越大），就越不易与侵入的介质反应，混凝土结构就越稳定。表面结构稳定性与化学键强度并不完全成正比例关系，它还和化学组分是否易与外部介质发生作用有关。当外界没有能与其发生作用的介质时，表面结构稳定性与内部结构稳定性一样，都随化学键强度的增加而增强；当外界有能与其发生作用的腐蚀介质时，化学键越强，表面因断键形成的表面能也越大，就越容易发生反应，稳定性就越差。

2.水泥矿物组成对混凝土耐久性的影响。水泥矿物组成中有C3S，C2S，C3A，C4AF等矿物，改变这些矿物含量的比例（也可以包括掺入混合材的比例）不仅会影响混凝土早期强度，还会影响混凝土的耐久性。对混凝土耐久性影响较大的是其水化产物中的水化硅酸钙和氢氧化钙，水化硅酸钙具有较好的化学稳定性，氢氧化钙相对不稳定。C2S与C3S相比，水化生成的水化硅酸钙凝胶的硅钙比相对较高，同时生成的Ca（OH）2数量也相对较少。因此，水泥的矿物组成中，C2S的含量越多，C3S的含量越少，越有利于提高混凝土的耐久性。

二、材料的孔隙结构对混凝土耐久性的影响。

材料的孔隙结构是指材料的孔隙大小和孔隙分布情况，它也是影响混凝土耐久性的关键因素。材料的孔隙结构关系到材料的渗透性、吸湿性和吸水性，其中渗透性对混凝土耐久性的影响最大。外部介质通过渗透进入材料内部，进而引起冻融、酸碱盐腐蚀、钢筋锈蚀、碱骨料等反应，从而降低混凝土的耐久性。

1.孔隙大小对耐久性的影响。混凝土中的孔隙大致可分为4类：超微孔（半径r≤5 nm）、微毛细孔（5 nmr>100 nm）、非毛细孔（r≥10 000 nm）。其中，大毛细孔和非毛细孔之间的孔隙称为过渡大孔。这些孔隙当中，有的对混凝土耐久性的影响为正面效应，有的为负面效应。

（1）超微孔。超微孔（主要是凝胶孔）是对混凝土耐久性最有利的孔。超微孔由于孔径细小，冰点很低（-40～-50℃），具有较好的抗冻性；孔径细小则不会产生毛细作用，因此不会出现毛细孔渗透现象和混凝土自收缩增大现象，具有较好的抗渗性和抗裂性。具有超微孔结构的混凝土孔隙率很低，因此具有很高的强度和不透水性。故超微孔对混凝土耐久性的影响是利远大于弊，总体来说正面效应较大。

（2）微毛细孔。微毛细孔对混凝土耐久性影响最不利。这种孔隙首先能产生毛细孔凝结现象，增强吸湿性；其次能产生较大的毛细孔压力（在很多情况下这种压力远大于水压力或因浓度差产生的压力）和毛细孔渗透力，使混凝土表层渗透速率和常压渗透速率（指混凝土在没有水压差或溶液浓度差存在的常压状态下，因毛细作用而引起的渗透速率。）加大，并使混凝土自收缩增大。故微毛细孔会导致大多数混凝土特别是暴露于大气中的混凝土的抗冻性、抗裂性、耐化学腐蚀性和钢筋的耐蚀性以及混凝土的表层抗渗性和常压抗渗性全面下降。混凝土的抗冻性和抗渗性作为混凝土的两个最重要特性，受微毛细孔影响最大。因此，由上述分析可知，微毛细孔对混凝土耐久性的影响弊远大于利，总体来说负面效应较大。

（3）大毛细孔。大毛细孔对混凝土耐久性的影响比较有利。因为大毛细孔虽然较微毛细孔孔隙率高，但能降低毛细孔压力和毛细孔渗透力，减少混凝土自收缩裂缝，提高其抗渗性。大毛细孔没有毛细孔凝结现象，不会吸收空气中的水分，反而可以将自身内部的水分释放到空气中，从而提高混凝土的抗冻性和大气稳定性。

通过上述分析可知，随着孔径由小变大，3种孔隙对混凝土耐久性的影响从有利转为不利，再从不利转为有利。孔隙增大至过度大孔、非毛细孔时，对耐久性的影响仍是从有利转为不利，再转为有利的循环效应。孔隙半径区间与混凝土耐久年限的关系如图1所示。

图1 孔隙半径区间与混凝土耐久年限的关系

2.孔隙大小的影响因素。影响孔隙大小的因素是多方面的，如水泥细度、水灰比、外加剂、施工质量等,这些都是间接影响混凝土耐久性的重要因素。

（1）水泥细度。提高水泥中的细颗粒含量可以增加水化速度，进而提高混凝土早期强度，但会增加混凝土的自收缩，同时也会影响混凝土的孔隙结构。研究表明，水泥颗粒中小于5μm的细颗粒含量增多时能明显改变混凝土的孔隙结构，使混凝土中的大毛细孔数量减少，微毛细孔数量增多。如前所述，微毛细孔对混凝土耐久性的影响是最不利的，且有实验表明，在气干状态下（与实际使用环境条件相近），水泥中细颗粒含量越多，所制得的混凝土试块在毛细孔压力作用下的渗透高度和渗透速率也随之增加。渗透性越好，耐久性就越差。因此，水泥颗粒中细颗粒含量过多会降低混凝土使用寿命。

（2）水灰比。水灰比也会影响混凝土的孔隙结构。众所周知，水灰比越大，水泥硬化后，内部因水分蒸发而留下的孔隙越多，强度越低。水灰比还会影响混凝土的耐久性，有研究表明，气干状态下，混凝土早期渗水速率和渗水高度均随水灰比增大而减小。即水灰比越低，混凝土渗透性越强，相应的耐久性就越差。因此并不是水灰比越低越好，盲目降低水灰比虽能增加混凝土强度，但会增强其渗透性，因此对耐久性不利。

（3）外加剂。外加剂主要使用引气剂。加入引气剂可以生成大量封闭的微小气泡，改善孔隙结构，提高耐久性。

（4）施工质量。施工质量的控制主要是指加强施工中的搅拌、振捣、养护控制，避免出现蜂窝状的孔洞。

三、结论

1.对因水泥化学成分、矿物组成影响的混凝土耐久性问题，主要通过增加氧化物SiO2的含量，提高矿物组成中C2S含量，控制C3S和C3A含量，来达到提高硅钙比的目的，从而提高混凝土的稳定性。

2.对因孔隙结构引起的混凝土耐久性问题，首先可以通过控制水泥颗粒中细粉含量来控制混凝土耐久性，而加入经超细粉磨的混合材，更可以制得以超微孔为主要孔隙的超密实混凝土。其次，可以通过调整混凝土的水灰比，使其既满足强度要求，又满足耐久性要求。施工时控制好各段工序的施工质量，必要时可加入引气剂，但引气剂掺量必须加以严格控制。

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