高性能混凝土耐久性的影响因素及提高措施.doc

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目录

一、高性能混凝土的定义 2

二、影响高性能混凝土耐久性的因素 3

1、钢筋的锈蚀 3

2、混凝土的碳化 3

3、环境水的侵蚀 3

1）溶出性侵蚀（软水侵蚀 3

2）一般酸性侵蚀 4

3）硫酸盐侵蚀 4

4）镁盐侵蚀 4

4、碱—集料反应 4

5、混凝土的冻融破坏 4

三、提高耐久性的措施 5

1、掺入高效减水剂 5

2、掺入高效活性矿物掺料 6

3、消除混凝土自身的结构破坏因素 6

4、保证混凝土的强度 6

5、完善混凝土结构的耐久性设计 7

6、施工对耐久性能的保证 7

影响高性能混凝土耐久性的因素及其提高措施

【背景】

高性能混凝土是最近十多年才出现的新型高技术混凝土，它以高强度，良好的工作性，优良的耐久性等技术指标为设计目标，保证混凝土有良好的工作性、适用性、力学强度、体积稳定性和经济性，采用现代混凝土技术制作的混凝土。

高性能混凝土不仅是对传统混凝土的重大突破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境等高面都具有重要意义，是一种环保型、集约型的新型材料。

近年来它在世界各地被广泛应用于多种建筑结构，但实践中，混凝土的耐久性已成为国际工程界普遍关注的问题，种种事故及惊人的维修费用，使人们意识到了解影响高性能混凝土耐久性的因素及探究耐久性的提高措施己是刻不容缓。

【摘要】

本文探讨了高性能混凝土的耐久性的影响因素，并就其影响因素提出了提高其耐久性的相关措施。

【关键词】

混凝土耐久性影响因素碳化碱—集料

【正文】

一、高性能混凝土的定义

1990年5月在马里兰州Gaithersburg城，由美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土协会（ACT）召开会议，首次提出“高性能混凝土（HPC）”这个名词，认为HPC是同时具有某些性能的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺与优质原材料，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高，并具有韧性和体积稳定等性能的混凝土，在恶劣的使用环境下寿命长，也就是说HPC要求高的强度、高的流动性以及优良的耐久性。

目前各国根据不同要求，对HPC认识还不大统一，但重视耐久性是大势所趋。

美国：

NIST与ACT认为HPC是用优质水泥、集料、水和活性细掺料与高效外加剂制成的，同时具有优良耐久性、工作性和强度的匀质混凝土。

欧洲：

重视强度与耐久性，常与高强混凝土并提，（HSC/HPC）。

法国与加拿大正研究开发超高性能混凝土UHPC.

日本：

重视工作性与耐久性，有足够强度即可。

我国著名的吴中伟院士认为高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理的条件下制成的;除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与高效外加剂，HPC重点保证下列性能:

耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济合理性。

HPC不仅在性能上对传统混凝土有很大突破，在节约资源、能源、改善劳动条件、经济合理等方面，尤其对环境有着十分重大的意义，因此是一种可持续发展的绿色材料。

目前国内外学者多数还认为高性能棍凝土必须是高强混凝土（大于C50），但从目前已取得的效果以及从工程安全性与安全使用期等要求来看，高强混凝土必须是高性能混凝土，因此高强混凝土应当包括在高性能混凝土之中。

单纯的高强混凝土不一定就具有高性能;受钢筋混凝土结构最小断面的限制，往往也并不需要广泛采用高强混凝土。

总之，高性能混凝土因其优异的综合性能必将逐步取代过去的普通混凝土，可以预想，21世纪将成为高性能混凝土的时代。

二、影响高性能混凝土耐久性的因素

1、钢筋的锈蚀

钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要原因。

根据其产生原因可分为:

1）钢筋在外部介质作用下发生电化反应,逐步生成氢氧化铁即铁锈，体积增大造成混凝土顺筋裂缝，便于腐蚀介质渗入钢筋，加快结构的损坏；2）氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当混凝土中氯含量超过标准时钢筋会锈蚀,若混凝土开裂，造成水和氧的通道，形成恶性循环；3）钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成脆性断裂，这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏；4）钢筋的氢脆现象。

钢筋锈蚀的直接后果是钢筋的有效截面面积减小,不均匀锈蚀导致钢筋表面凹凸不平,产生应力集中现象,使钢筋的力学性能退化,如强度降低、脆性增大、延性变差,导致构件承载能力降低。

2、混凝土的碳化

影响碳化速度的因素之一是环境条件，如相对湿度、二氧化碳浓度、温度以及混凝土表面的覆盖层,混凝土的应力状态，施工质量等；二是材料本身的因素,如水灰比,水泥品种、水泥用量、骨料品种与粒径、外掺加剂、养护方法与龄期、混凝土强度等级。

除时间因素外，影响混凝土碳化的因素还包括环境因素和混凝土材料本身的因素以及混凝土的施工、早期养护和使用中的维护等。

混凝土碳化到钢筋表面后，钢筋表面钝化膜遭到破坏，当有氧和水存在时，钢筋开始锈蚀，其力学性能将急剧衰减。

3、环境水的侵蚀

1）溶出性侵蚀（软水侵蚀）：

水泥中的水化产物都必须在一定浓度的石灰溶液中才能稳定存在,当环境水中的石灰浓度小于该水化产物的极限石灰浓度时,则该水化产物将会被溶解或分解,首先是溶解溶解度比较大的氢氧化钙，直到达到所需要的极限浓度。

2）一般酸性侵蚀：

某些地下水或工业废水中含有游离态的酸，这些酸能够和混凝土中的氢氧化钙发生反应，生成相应的钙盐。

所生成的钙盐或易溶于水,或松软无胶结力，或在水泥石的孔隙内结晶，体积膨胀，产生破坏作用。

3）硫酸盐侵蚀：

在海水、地下水及盐沼地矿物水中，常含有大量的硫酸盐,如硫酸镁、硫酸钠等,对混凝土均有严重的破坏。

它们与氢氧化钙作用生成石膏,石膏在混凝土孔隙中结合结晶水，体积膨胀，对混凝土造成破坏。

4）镁盐侵蚀：

海水、地下水及其他矿物水中常富含镁盐，主要有硫酸镁及氯化镁等。

它们与水泥石中的氢氧化钙发生反应，生成溶于水的氯化镁和松软无胶结力的氢氧化镁。

石膏则产生硫酸盐侵蚀，都将破坏混凝土的结构。

4、碱—集料反应

碱—集料反应主要是指混凝土中的氢氧根离子与集料中的活性二氧化硅发生化学反应,生成含有碱金属的硅凝胶。

它具有强烈的吸水膨胀能力，使混凝土发生不均匀膨胀，造成裂缝、强度和弹性模量下降，影响混凝土耐久性。

该反应造成的混凝土开裂破坏未有有效的修补方法，因而被称为混凝土的“癌症”混凝土在配制时由原材料带人或由外界环境中带人碱离子，混凝土中同时存在活性矿物集料活性二氧化硅等,在有水的条件下，碱离子与二氧化硅反应生成碱硅胶,碱硅胶有强烈的吸水膨胀能力，其形成和成长常常造成混凝土内部的膨胀,这种膨胀所产生的内部应力，使混凝土内部形成微裂缝，甚至造成混凝土的严重开裂。

碱一集料反应发生需要具备三个条件活性集料、混凝土碱的含量、水或潮湿的环境。

为了避免碱集料反应，混凝土应采用非活性集料，采用低碱水泥或控制混凝土中其他组分碱的引人，掺用粉煤灰、矿渣、硅灰等掺和料以降低混凝土中碱性。

5、混凝土的冻融破坏

混凝土是多孔隙的复合材料。

外界水可以通过毛细作用进入混凝土的内部。

混凝土吸后在低温下结冰，体积膨胀约9％,在孔隙中产生应力，使混凝土承受压力，产生微裂缝。

在冻融循环作用下，微裂缝逐步发展，使更多的封闭孔相互连接贯通，进一步降低混凝土的抗冻性，加速混凝土的冻融破坏。

混凝土的冻融分为早期受冻凝固过程中受冻以及投入使用后受冻。

早期受冻是指在混凝土凝固前受冻．解冻后重新震捣则不会影响混凝土的强度。

若混凝土在凝固后，强度尚不大时受冻，则对混凝土影响最大。

水结冰膨胀在混凝土内部留下大量的大孔．混凝土凝固后解冻，这些大孔将不可恢复，严重影响混凝土的密实性和强度，并相应影响到混凝土的抗渗性和抗腐蚀能力。

混凝土抗冻性的高低与水泥的品种、标号、混凝土的水灰比、外加剂及参合料的品种和掺量，以及骨料的品质等有密切的关系。

混凝土中掺人引气剂时，可显著提高其抗冻性。

在原材料一定的条件下，水灰比的大小是影响抗冻性的主要因素。

混凝土的抗冻性随水灰比的增大而减小，另外水的饱和程度也是影响混凝土抗冻性的主要因素。

一般认为混凝土中空气含水量小于孔隙体积的91.7％时，不会引起混凝土的冻坏。

三、提高耐久性的措施

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，减小水灰比，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，包裹着很多拌和水，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的增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。

当加入减水剂后，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—水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，同时使水泥絮凝状的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的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（硅灰、矿渣、粉煤灰等）中含有大量活性SiO2（及活性Al2O3），它们能和波特兰水泥水化过程中所产生的游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化硅酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成并消除游离石灰的目的。

有的超细矿物掺料，其平均粒径远小于水泥粒子的平均粒径，它们能填充于水泥粒子之间的空隙中，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透通路。

此外，它们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的结构破坏以外，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，水化热过快过高引起的温度裂缝，硫铝酸钙的延迟生成，以及混凝土的碱集料反应等。

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。

限制或消除从原材料引入的碱、sO3，（21一等可以引起结构破坏和钢筋锈蚀物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，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的概念，但它们又是密切相关的。

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。

在现代的高性能混凝土中，除掺人高效减水剂外，还掺入了活性矿物掺料，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，其抵抗环境侵蚀因素破坏的作用能力也越强。

综上所述，高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物细集料和高效减水剂，减少水泥用量，减少混凝土内部孔隙率，减少体积收缩，提高强度，提高耐久性。

5、完善混凝土结构的耐久性设计

1）详细勘察结构所处的环境条件,从中确定主导破坏因素（如大气和雨雪造成混凝土干缩循环和冻融循环作用、地表水或地下水中的侵蚀性介质影响等）,实现考虑环境条件的建筑结构设计。

2）严格遵守设计规范的要求,结构布置力求简单,合理布置排水及各种结构缝;构件截面应设计成利于潮气散发的形状,恶劣环境应慎用薄肋型构件。

对于结构中使用环境较差的构件,宜设计成便于检测、维护和更换的构件;对变形缝、施工缝、预应力钢筋的锚固端等易遭侵蚀的薄弱关键部位应采取专门的措施。

3）合理选择混凝土和钢筋品种。

对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件,宜采用有利于提高结构耐久性的高性能混凝土和钢纤维混凝土等;针对钢筋的腐蚀可采用对混凝土进行表面处理的耐腐蚀钢筋;混凝土中掺加钢筋阻锈剂、阴极保护技术、电化学驱氯和电化学再碱化等措施。

4）合理确定保护层厚度。

保护层厚度小,不能保护钢筋,也不能满足钢筋的有效锚固;保护层厚度过大,一方面不经济,另一方面可能使裂缝宽度增大。

5）根据概念设计理论,按结构几何尺寸与荷载可以合理预防和控制裂缝,保证结构截面尺寸具有足够的配筋率,控制垂直于主筋方向裂缝;合理选择钢筋直径和混凝土保护层厚度,控制平行于主筋方向的顺筋裂缝。

6）受重复荷载的结构构件应进行疲劳验算和磨损验算,并根据具体情况合理控制裂缝。

6、施工对耐久性能的保证

1）提高施工质量、施工技术工艺水平，完善施工管理工作，强化对施工过程的监督、检查,严格按照混凝土结构验收规范要求进行施工。

2）从施工的源头抓起,严把材料质量关。

砂、石、水泥、钢筋必须符合质量要求,外加剂必须试验合格后方可使用。

不定期对搅拌时间及混凝土拌合物的稠度、含气量、水灰比、水泥含量及均匀性等进行测量,并适时测定砂、石的含水率,及时调整混凝土配合比。

3）振捣是浇筑混凝土的关键工序,它直接关系到混凝土的成品质量。

在适宜混凝土入模温度的前提下,确保混凝土保护层的厚度及钢筋位置的准确性;根据混凝土的标号,选取合理的振捣时间、振捣工具、振捣方式和顺序。

4）养护是混凝土正常硬化并产生足够强度的必要条件。

在浇筑完成后12h内立即采取合理养护措施,控制混凝土表面裂缝;且浇水养护不得少于7d,有特殊要求的须参照有关规范。

气温过低时,须采用保温措施。

对不同水泥品种、外加剂、掺料、龄期的混凝土,合理地选用潮湿养护、水养护和养护剂养护方法,以取得良好的养护效果。

【结语】

影响钢筋混凝土结构耐久性最为重要的是混凝土保护层的孔隙率、孔隙分布形态、裂缝形态以及钢筋和混凝土之间的粘结状态，而流经混凝土结构表面和裂缝的水是影响混凝土桥梁耐久性的外在因素。

合理的原材料品种选择，较好的配合比设计，适当外掺剂的引入，精确的结构设计，先进的施工技术，超载的有效控制以及及时到位的维修养护都能有效提高钢筋混凝土结构的耐久性。

参考文献

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