摘要:混凝土已成為當今世界上使用量最大的建筑材料,其耐久性是影響工程質量的重要因素。文章初步探討分析了混凝土原材料對混凝土耐久性的影響。
關鍵詞:混凝土 級料 耐久性
中圖分類號:TU528．04 文獻標識碼:A
隨著生產技術的發展和生產成本的降低,混凝土已成為使用量最大的建筑材料。長期以來,混凝土被認為具有較好的耐久性,直到20 世紀70 年代末期,發現有些工程出現過早損壞。1988 年,美國對45 個州的水泥混凝土道路進行了使用壽命調查,結果表明其平均壽命僅為2015 年。建設部于20 世紀80 年代調查表明,國內大多數工業建筑物在使用25～30 年后就需大修,處于嚴酷環境下的建筑物使用壽命僅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用環境相對較好,一般可維持50 年以上,但室外的陽臺、雨棚等露天構件的使用壽命通常僅有30～40 年。海港碼頭一般使用十年左右就因混凝土開裂和剝落而需要大修。京津地區的城市立交橋由于冬天灑除冰鹽及冰凍作用,使用十幾年后就出現問題,有的不得不限載、大修或拆除重建。高等級公路、高速公路修建的歷史不長,大約是近15 年才開始大量修建的,但是一部分新投入運營才幾年的混凝土道路,路面已經出現相當嚴重的病害,如路面板露石、剝落、開裂、斷板、缺棱掉角、起拱、塌陷等等。鐵路隧道用低強度的C15 混凝土作襯砌材料,密實度和抗滲性差,不耐地下水與機車廢氣侵蝕,開裂與滲漏嚴重。對幾個鐵路局所轄的隧道進行抽樣調查表明,漏水的占50．4 % ,其中1/ 3 滲漏嚴重,并導致鋼軌等配件銹蝕以及電力牽引地段漏電,影響列車正常運行。
1 影響混凝土耐久性的原因
影響普通混凝土結構耐久性的原因有: ①混凝土在凝固過程中的水化反應所形成的孔隙,特別是其中毛細孔占相當大部分。毛細孔是水分、各種侵蝕介質、氧氣、二氧化碳及其它有害物質進入混凝土內部的通道,可引起混凝土耐久性的不足。②水泥石中的水化物穩定性不足。水泥水化后的主要化合物是高堿性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。③在水化物中還有數量很大的游離石灰,它的強度極低,穩定性極差,在侵蝕條件下,是首先遭到侵蝕的部分,要大幅度提高混凝土的耐久性,就必須減少或消除這些穩定性低的組分,特別是游離石灰。④混凝土中原材料的影響。混凝土中集料通常要占體積的55 %～70 % ,因此它對混凝土的耐久性、使用壽命的影響相當顯著。集料的粒形與級配不良,會導致空隙率增大,需要大量水泥砂漿來填充,從而導致混凝土抗沖擊、抗疲勞、抗凍融及耐磨等性能的下降。
2 原材料對混凝土耐久性的影響
混凝土一般是由水、水泥、集料、砂、添加劑、礦粉六種原料按一定的配比拌合而成,其中各種原材料對混凝土耐久性均有影響。
2．1 水和水泥
混凝土的早期強度特別是目前的技術規范要求的28 d齡期的試件強度被當作評判工程質量的參數。高水灰比的混凝土因其水泥的水化反應很快、凝固時間縮短、早期強度上升較快而被普遍使用;高強度的水泥顆粒細,加水多,硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣,混凝土早期強度高。這兩種方法生產出來的混凝土在水化作用期間的自干燥作用會使多余的水分蒸發后形成更多的孔隙即“內傷”,影響結構的耐久性,對于大體積混凝土工程的影響比較大。
2．2 集料和砂
1) 控制粗集料的粒徑和級配。粗集料的最大粒徑過大,而且只有一個級別,從攪拌機出料卸到翻斗車里和翻斗車運到工地的過程,就會發生一定程度的離析(指石子與砂漿分離) ,雖經人工攤鋪和振搗,但混凝土的密實度仍不能得到保證,成形后混凝土強度的均質性較差。
國外研究表明:混凝土粗集料的最大粒徑越小,其抗沖擊與疲勞的強度就越好。但是粗集料粒徑的減小(國外一般都以20 mm 為最大粒徑) 會使包裹它們的砂漿需要量增大。通過改善集料的品質(包括改善其粒形與級配) ,盡量減小集料的空隙率及增加中間顆粒部分來補償。
受凍融循環影響的混凝土,飽和的粗集料在受凍時會向外排水,所以液相壓力來自于砂漿,也來自粗集料顆粒本身,如果這個壓力超過了粗集料的強度,粗集料就會破壞或脫離混凝土體,導致混凝土破壞。壓力的大小取決于所用巖石的結構和石子的粒徑,粒徑越大,產生的壓力也就越高,因此對每種巖石存在一個“臨界粒徑”的概念,對于同一巖種,最大粒徑為40 mm的石子比20 mm 產生的壓力要大。
2) 合理摻加石粉。當集料和砂中含泥量過大時,混凝土在水化時與泥粒反應,會產生大體積膨脹,凝固后的膠結體結構受到破壞,抗壓和抗拉強度急劇下降,嚴重時會導致混凝土失效。需要提到的另一個問題就是機制砂中的石粉,石粉與泥成分不同、粒徑分布不同,在混凝土水化反應過程中基本不參加反應。工程實踐表明,機制砂中摻入適量的石粉對混凝土是有益的,有適量石粉的存在,彌補了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷,同時,對完善混凝土特細骨料的級配,提高混凝土密實性都有益處,能起到提高混凝土綜合性能的作用。
3) 防止混凝土堿集料反應。堿集料反應是指水泥水化中的堿性物質與集料中的物質發生的化學反應。一般來說有兩類堿集料反應:堿—碳反應,指堿性物質與含有碳酸鹽類物質的集料(如白云石等) 發生化學反應,另一類是堿—硅反應,指堿性物質與含硅酸鹽類物質的集料(如蛋白石和硅酸石灰石等) 發生化學反應。
堿集料反應的結果是在水泥骨料表面發生膨脹性斷裂,從而導致混凝土結構開裂。國內普通水泥中堿含量普遍較高( > 0．6 %) ,而一些地區的粗集料(石子) 具有明顯的堿活性,二者結合在一起,容易形成堿集料反應破壞。有堿活性的粗集料分別分布在華北、華中、西南、西北地區。對粗集料、添加劑及礦粉中堿含量的測試是非常必要的。按工程類別和周邊環境,混凝土中含堿總量控制在3～5kg/ m3 范圍之內是防止混凝土發生堿集料反應,提高耐久性的重要環節。
2．3 添加劑
在混凝土的生產過程中,摻入少量的(不超過水泥用量的5 %) 能改變混凝土性能的材料,稱為混凝土添加劑?；炷撂砑觿┌雌渲饕δ芸煞譃? ①改善混凝土拌和物流變性能的添加劑(包括普通減水劑和高效減水劑、引氣劑和泵送劑等) 。②調節混凝土凝結時間、硬化性能的添加劑(包括緩凝劑、早強劑和速凝劑等) 。③改善混凝土耐久性的添加劑(包括引氣劑、防水劑和阻銹劑等) 。④改善混凝土其他性能的添加劑(包括膨脹劑、防凍劑、著色劑等) 。
可以利用不同的添加劑改善混凝土的特性,在滿足生產施工需要的同時,最終得到高性能的混凝土產品。但對添加劑的用量及堿含量應特別注意,否則會導致混凝土性能缺陷。
2．4 礦粉
礦粉一般是指粉煤灰或冶煉礦碴的磨細粉,目前使用較多的是脫炭優質粉煤灰。礦粉在混凝土中所起的主要作用有以下幾個方面: ①填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層。由于礦粉的表觀密度只有水泥的2/ 3 左右而且粒形好(質量好的礦粉含大量玻璃微珠) ,因此能填充得更密實,在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。②對水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻。當混凝土水膠比較低時,水化緩慢的礦粉可以提供水分,使水泥水化得更充分。③礦粉和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反應,生成具有膠凝性質的產物(與水泥中硅酸鹽的水化產物相同) ,對改善混凝土的各項性能有顯著作用。④礦粉可延緩水化速度,減小混凝土因水化熱引起的溫升,對防止混凝土產生裂縫十分有利。
3 結語
提高混凝土的耐久性,可以減少水泥用量,節約資源,有利于延長工程修補和復建周期,提高投資效率,有利于環境保護?？刂圃牧?嚴格施工工藝是提高混凝土耐久性的根本。
參考文獻
[1 ]吳中偉,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中國鐵道出版社,1999.
