混凝土耐久性的研究進展及存在的問題

      關鍵詞: 現代混凝土； 耐久性；建筑材料

　　混凝土是當今世界用量大的建筑材料。我國混凝土使用量居，年用量達20 億t ，為適應經濟快速發展發揮了極其重要的作用。混凝土的應用過程中暴露出許多問題，其中尤為突出的是耐久性問題。如不少工程在使用10～20 年后，有的甚至在使用幾年之后即需維修。混凝土工程大多是*性的，工程量大、耗資多，若耐久性不良將會給未來社會造成極為沉重的負擔。因此，從資金節約、資源的有效利用及環境保護等方面綜合考慮，必須深入研究混凝土的耐久性問題。

1 　重新認識混凝土材料

1.1 　歷史的啟示

      首先來關注兩個事實: ①20 世紀50～60 年代，受當時國內生產技術條件的限制，生產的水泥活性小、標號低，為滿足較低的強度和施工要求并大限度地節約水泥，配制混凝土的水泥用量和用水量少，拌和物流動性小，穩定性較好、早期強度發展緩慢，硬化后裂縫少，后期強度發展幅度較大，耐久性普遍較好，有的幾十年后仍在使用。②古羅馬的建筑工匠用火山灰和石灰做膠凝材料建造的“混凝土”建筑，如的萬神殿、競技場、海港、引水渡槽及浴室等，經歷2000 多年的流水、雨雪、海水等自然因素的作用，至今仍在使用，令人驚嘆； 研究發現，古代“混凝土”的膠凝材料用量很少，水灰比很小(靠夯實) ，強度增長極為緩慢，幾乎不會因干燥和溫度變化產生應力和裂縫。

1.2 　混凝土技術發展現狀

      科學技術高度發達的今天，人們對混凝土結構從施工到性能方面提出的要求越來越苛刻，力求施工速度快、強度高，水泥生產工藝的改進和混凝土施工技術的進步為此提供了可能。結果是所用水泥標號高、活性大、用量多、水化速度快，混凝土早強、高強，彈性模量大，變形能力差；為了便于運輸、澆搗，塌落度由過去的0～20mm 增加到180mm ，甚至更大。但是，從另一方面看，水泥生產工藝和混凝土施工技術發展帶來的混凝土性能的變化又直接影響著混凝土的耐久性。因此，從提高混凝土耐久性的角度出發，必須重新認識混凝土這一人造材料。

2 　混凝土的性能對其耐久性的影響

2.1 　強度與耐久性

      混凝土強度(抗壓) 是混凝土重要的力學性能指標，直接影響其應用，提高混凝土的強度一直是人們所追求的目標。從理論上講，混凝土的強度越高其結構越致密，抵抗外部環境作用的能力越強，耐久性越好。但事實上并非如此。因為要實現高強就必須加大水泥用量、提高水泥標號，從而引起水化反應劇烈，水化放熱多而快，混凝土自生收縮、干燥收縮、溫度收縮作用強烈，由此產生的拉應力足以導致混凝土開裂，混凝土結構一旦出現裂縫(紋) ，就為凍融、化學侵蝕及堿骨料反應等劣化作用敞開了方便之門，耐久性降低在所難免。可見，混凝土強度過低固然對耐久性不利，但過高也會給耐久性帶來風險[ 1 ] 。這也是專家建議在我國發展C25～C30 的HPC[ 2 ]的原因之一。

2.2 　流動性與耐久性

      混凝土拌和物的流動性從10 年前70～80mm 發展到現在大量商品混凝土180～200mm ，實現了混凝土泵送和高拋，大大提高了施工效率，保證了振搗質量，這無疑是混凝土施工技術的一大進步。但大流動性需要較大的用灰量和用水量，而這正是混凝土收縮裂縫產生的一個重要原因；雖然減水劑的使用可以保證在水灰比不變或有所降低的前提下流動性得到改善，但拌和物的均質性和穩定性卻明顯變差，在運輸、澆搗過程及成型后都容易出現離析、沉降、泌水現象，從而在骨料和水泥漿的界面，以及鋼筋與混凝土的界面形成薄弱的過渡區，混凝土硬化后，形成大量孔隙和微裂縫。這是導致混凝土結構耐久性降低的根本原因。因此，從提高混凝土的耐久性考慮，不宜過分增加拌和物的流動性，應根據工程特點全面考慮，注重拌和物的工作性，流動性的大小要服從于體積穩定性和均質性[ 3 ] 。

2.3 　延伸性與耐久性

     混凝土的延伸性與徐變、變形模量和抗拉強度三者存在密切關系，見圖1 。徐變大、變形模量小、抗拉強度高的混凝土延伸性較好，裂縫的開展得以延遲和減小，并具有一定自愈能力，混凝土的耐久性好。混凝土隨著強度的提高，徐變松弛作用急劇減小、變形模量增大。因此盡管混凝土的抗拉強度伴隨抗壓強度的提高有所提高，但延伸性卻大大降低，開裂的時間反而提前[ 4 ] ，裂縫開展的寬度增加，耐久性變差了。

      綜上所述，水泥生產工藝的改進、混凝土施工技術的發展，對混凝土性能產生了顯著的影響，客觀上造成了混凝土拌和物體積穩定性下降，均質性變差，硬化后變形能力降低；結構本身存在著隱患，混凝土硬化期間的變形受約束而得不到徐變松弛的緩解，導致比以往大得多的拉應力，二者共同作用造成混凝土裂縫不斷地擴展與連通，再加上混凝土結構自身的孔隙缺陷，在外界環境的作用下過早劣化即耐久性下降就成為必然。

3 　提高混凝土耐久性的有效途徑

      盡管混凝土耐久性問題是多種多樣的，但造成耐久性不良的原因可歸結為兩方面，一是外部環境，二是混凝土內部缺陷及組成材料的特性。因此，提高混凝土的耐久性必須從提高結構抵抗環境劣化作用能力和減少混凝土內部缺陷及改善其組成材料的性能著手。

3.1 　強化環境的針對性

      耐久性是一個籠統的概念，它必須與結構物所處的環境相才有明確意義。環境條件千差萬別，抽象地說要設計一種高耐久性混凝土顯然是不科學甚至是不可能的。因此，混凝土耐久性設計的前提是將結構所處的環境調查清楚，并從中確定哪個或哪些是主要破壞因素，進而針對破壞因素進行耐久性設計。

3.2 　優化設計、精選材料、加強施工管理

      更新設計觀念，正確認識混凝土強度與耐久性之間的關系，改變長期以來沿襲的“混凝土強度越高越耐久”的觀念，選擇適當的強度，做到耐久性與強度兼顧；嚴格控制水灰比和水泥用量，改變“水泥用量越多越耐久”的觀念，在保證拌和物具有良好工作性的前提下來滿足流動性要求。選材方面應根據工程所處的環境合理選擇水泥品種，選用質量良好、技術條件合格的砂和石骨料，提高其粒形和級配品質參數。施工方面應強化管理，混凝土要攪拌均勻、澆灌和振搗密實，加強養護。

3.3 　摻入活性礦物摻和料和外加劑

      實踐證明，在水泥中摻入硅灰、粉煤灰、磨細礦渣等礦物摻和料，在保證強度的同時可降低水化熱和收縮應力，提高混凝土的抗裂性；二次水化產物能堵塞水泥石中的孔隙，阻斷滲透通路，提高混凝土的抗滲性及抗凍性、抗侵蝕性，避免堿骨料反應。某些超細礦物摻和料還能改善骨料和水泥石的界面結構及界面區性能。此舉既利用了廢物、降低了成本，又可減少混凝土的裂縫和孔隙率，對提高混凝土的耐久性有本質性的貢獻，可謂一舉多得。外加劑作為混凝土的第五組分，其中的某些品種(引氣劑、防水劑、阻銹劑等) 對提高混凝土的耐久性效果明顯，但在我國外加劑的應用還遠未達到應有的水平。因此，應提倡科學、合理、廣泛地使用外加劑，使其更好地為提高混凝土的耐久性服務。

3.4 　建立完善的混凝土耐久性檢測、評價系統

　　研制一套強化快速試驗系統，使之能夠比較客觀地反映使用環境下混凝土的主要破壞因素及其實際運行狀態，并能與實際結構的檢測相互印證，對混凝土的劣化狀態做出科學評價，并據此采取切實有效的維修措施，延長混凝土結構的使用壽命。在這方面，歐美國家及日本的研究成果值得借鑒。

4 　結　語

      由于混凝土原材料的復雜多變，施工條件的波動，混凝土結構本身的復雜與不斷發展，環境條件的多樣性和復合作用等，造成混凝土耐久性研究的高度復雜性。筆者認為，水泥生產工藝及混凝土施工技術發展引起的混凝土性能的變化，是導致混凝土耐久性不良的重要原因。消除傳統認識中的某些誤區，針對環境條件從配合比設計、材料選擇、施工管理、檢測預測等方面采取綜合措施，才能從根本上提高混凝土的耐久性。

參考文獻:

[1 ] 　黃士元. 混凝土早期裂紋的成因及防治[J ] . 混凝土，2000 (7) : 3～5.

[2 ] 　習志臻. 粉煤灰高性能混凝土[J ] . 混凝土，1999 (4) : 17 ～18.

[3 ] 　廉慧珍. 對“高性能混凝土”十年來推廣應用的反思[J ] . 混凝土，2003 (7) : 10～13.

[4 ] 　覃維祖. 混凝土性能對結構耐久性與安全性的影響[J ] . 混凝土，2002 (6) : 3～5.