高性能混凝土耐久性的影响因素和对策

高性能混凝土耐久性的影响因素和对策

摘要:混凝土是建筑工程中用途最广、用量最大的建筑材料之一,发展趋势是强度不断提高,但日显的耐久性不足对未来社会造成了极为沉重的负担。本文针对混凝土耐久性提出了提高混凝土耐久性的必要性,分析了影响混凝土耐久性的原因,同时引出高性能混凝土在提高混凝土耐久性方面的作用机理。

关键词:高性能混凝土耐久性影响因素

对于国家的基础建设大部分工程都离不开混凝土,据统计,中国50年代所建设的混凝土工程已使用40余年,如果我国混凝土工程的平均寿命按30～50年计,在今后的10～30年内,为了维修建国以来所建基础设施的费用,将是极其巨大的。目前,我国的基础设施建设工程规模宏大,每年高达2万亿元人民币以上,约30～50年后,这些工程也将进入维修期,所需的维修费或重建费将更为巨大。另外对于现在的铁路公路桥梁等设施设计年限都为100年,但很多设施很难达到这个设计要求,基于上述实际情况,以耐久性优和施工和易性好为设计理念的高性能混凝土就应运而生。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的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。高性能混凝土的核心是保证耐久性。

1 影响高性能混凝土耐久性的主要因素

影响混凝土耐久性的原因很多。

1.1 内因

用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性(超耐久)要求的根本原因,在于混凝土本身的内部结构。首先,为满足混凝土施工工作性要求,即用水量大、水灰比高,因而导致混凝土的孔隙率很高,约占水泥石总体积的25％～40％,特别是其中毛细孔占相当大部分,毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道,引起混凝土耐久性的不足;其次,水泥石中的水化物稳定性不足。波特兰水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外,在水化物中还有数量很大的游离CaO,它的强度极低,稳定性极差,在侵蚀条件下,是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性,就必须减少或消除这些稳定性低的组分,特别是游离CaO。

1.2 外因

混凝土结构所处的环境条件和防护措施,是影响混凝土结构耐久性的外在因素。外界环境因素对混凝土结构的破坏是环境因素对混凝土结构物理化学作用的结果。常见的外界环境因素主要有以下几点。

(1)冻融循环破坏;(2)氯离子侵蚀;(3)碳化破坏;(4)碱骨料反应;(5)磨蚀破坏;(6)钢筋锈蚀。

2 提高高性能混凝土耐久性的对策

2.1 合理的结构构造设计

混凝土结构的设计,根据结构所处的侵蚀环境来进行合理耐久性设计,要考虑荷载作用下的承载力要求,还要考虑结构长期使用过程中由于环境作用引起材料性能劣化对结构安全性与适用性的影响。混凝土结构外形应力求简洁,便于养护维修,应有利于减轻环境对结构的作用,有利于避免水、水汽和有害物质在混凝土表面的积聚,便于施工时混凝土的捣固和养护。混凝土结构表面应设置可靠的防、排水等构造措施。混凝土结构的各种接缝应尽量避开最不利环境作用的部位。混凝土保护层垫块的强度和密实度应不低于构体本体混凝土的强度和密实度。

2.2 选用优质原材料

混凝土的耐久性主要取决于混凝土的组成材料,提高混凝土自身的耐久性能有效阻止腐蚀性介质的侵入,是解决混凝土结构耐久性的前提和基础。

2.2.1 水泥

水泥宜选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥,水泥的混合材宜为矿渣或粉煤灰。水泥除应满足相关标准规定外,还要注意水泥不能过细,

如果水泥过细,水泥熟料中的铝酸三钙含量增高,将导致水泥的水化速度过快,水化热过于集中释放,表现为混凝土的收缩增大、内外温差偏大、抗裂性下降,对耐久性不利。水泥中的碱含量过高不仅容易引发混凝土的碱骨料反应,而且增加了混凝土的开裂倾向。所以一般情况下不要采用碱含量过高的水泥。

2.2.2 矿物掺合料

矿物掺合料应选用品质稳定的产品,矿物掺合料的品种宜为粉煤灰、磨细矿渣粉或硅灰。矿物掺合料除应满足相关标准规定外,还要注意对粉煤灰的烧失量予以重点控制。如果采用烧失量大的粉煤灰配置的混凝土,则其工作性很差(坍落度损失大,不易捣实),强度效应差(波特兰效应降低),从而耐久性差。在水灰比不变的情况下,掺入硅灰可明显提高混凝土的强度和抗化学腐蚀性,但由于硅灰活性高,不利于减少温度变形,并且增大混凝土自收缩。因此,当有特殊需要使用硅灰时,宜与其他矿物掺合料联合掺用。

2.2.3 细骨料

细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂,也可选用采用专门机组生产的人工砂,不宜使用山砂,不得使用海砂。其中有害物质含量对混凝土的耐久性影响较大,应加以严格控制。

2.2.4 粗骨料

粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石或碎乱石,不宜采用砂岩碎石。同细骨料一样,要严格控制其有害物质含量,还要严格控制粗骨料的最大粒径。为保证良好的级配,应采用二级或多级级配,使用过程中通过对粗骨料实行分级采购、分级存储、分级计量,配合比试配时再确定各级配石的具体用量,以使骨料具有尽可能小的空隙率,从而降低混凝土的胶凝材料用量。

2.2.5 外加剂

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CaO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。

2.2.6 水

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和易性。施工中为了保持混凝土拌和物的和易性,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。当加入减水剂后,减水剂的