混凝土耐久性相关因素的分析与探讨
关键字：混凝土耐久性，相关因素，混凝土原材料
目前，结构设计侧重荷载作用下的强度需要而能充分考虑环境作用下混凝土的耐久性，导致结构使用性能差、寿命短、维修费用大。混凝土耐久性包括混凝土材料的耐久性与混凝土结构的耐久性两个方面。混凝土材料耐久性是指混土材料暴露在使用环境下抵抗外界和材料自身各种物理和化学作用破坏的能力。混凝土结构的耐久性是指在一定的设计、施工和维护条件下，混土结构抵抗使用环境中化学和物理作用而长期保持使用功能，达到预期使用寿命的能力。因此，混凝土的耐久性应是基于材料耐久性的混凝土结构的耐久性。
1混凝土原材料选择
1.1水泥
水泥是混凝土中的活性组分,其强度的大小直接影响着混凝土强度的高低。我国混凝土的质量验收习惯上以混凝土的强度指标为单一的衡量标准,从而导致水泥工业对水泥强度的不适当追求,使水泥细度增加,早强的矿物成分比例提高,而这一切都不利于混凝土的耐久性,所以不是所有早强和高标号的水泥就是好的。实际应用时,应根据混凝土工程特点或所处环境条件,选用合适的水泥。
1.2骨料
骨料是混凝土的骨架,对收缩有一定的抵抗作用,质量良好、技术条件合格的骨料,是保证混凝土耐久性的重要条件。骨料由粗骨料和细骨料(砂、石)组成。长期处于潮湿和严寒环境中的混凝土,粗骨料和细骨料应作坚固性试验。
(1)细骨料。配制混凝土的细骨料应使用清洁不含杂质、级配符合要求的粗砂或中砂。因为,如果砂中含有有害杂质,如云母、粘土、淤泥、粉砂等,这些有害杂质就会粘附在骨料的表面,妨碍水泥与砂的粘结,降低混凝土的强度,同时还增加混凝土的用水量,从而加大混凝土的收缩,最终导致裂缝产生,降低抗冻性和抗渗性等耐久性能。砂的粗细及颗粒级配是砂质量的重要指标,在拌制混凝土时,这两个因素应同时考虑。采用配级良好的粗砂或中砂,砂的空隙率及总表面积较小,不仅可减少水泥浆用量,还可提高混凝土的密实性和强度。
(2)粗骨料。混凝土使用的粗骨料有碎石和卵石,同样粗骨料要求清洁不含杂质、级配良好且最大粒径符合有关要求。粗骨料表面粗糙,与水泥粘结较好,混凝土强度较高;针、片状颗粒含量过多,会使混凝土强度降低;骨料的最大粒径应在条件许可下,尽量选用的大些,因为当骨料粒径增大时,其表面积随之减小,混凝土中所需水泥浆或砂浆的数量也相应减小,而对于高性能混凝土,一般认为粗骨料最大粒径不宜超过30mm为宜;石子级配良好,可节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性,特别是拌制高强度混凝土,石子级配更为重要。
1.3拌合混凝土用水,按水源可分为饮用水、地表水、地下水、海水以及经适当处理或处置后的工业废水。符合国家标准的生活饮用水,可拌制各种混凝土。地表水和地下水,首次使用前,应按《混凝土拌合用水标准》(JGJ63—1989)规定进行试验。海水可用于拌制素混凝土,但不得用于拌制钢筋混凝土和预应力混凝土。有饰面要求的混凝土,不应用海水拌制。
1.4和矿物掺合料
(1)外加剂。外加剂的掺入可增加混凝土拌合物的流动性,降低混凝土的用水量,减小水灰比,提高混凝土的密实度,从而提高混凝土的耐久性。外加剂的掺入是混凝土实现高性能的技术途径之一。长期处于潮湿和严寒环境中的混凝土,应掺用引气剂或引气减水剂。引气剂能提高混凝土的耐久性,但掺量必须适量,掺用量过小,混凝土中形成的封闭微孔过少,起不到改善耐久性的作用;掺用量过大,则会降低混凝土的强度,对耐久性产生相反的影响。JGJ22000普通混凝土配合比设计规程规定,引气剂的掺入量应根据混凝土的含气量并经试验确定,混凝土的含气量不宜超过7%。
(2)矿物掺料。有粉煤灰、矿渣、硅灰等。矿物掺料的掺入不仅可节约水泥,更主要的是提高混凝土的耐久性能。混凝土中掺入活性矿物掺料能改善水泥石的胶凝物质的组成,大大减小混凝土的空隙率,实现其超耐久性。活性矿物掺料含有大量活性SiO2,能和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。有的超细矿物掺合料,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,并阻断可能形式的渗透通路,所以应在混凝土中推广应用矿物掺料混凝土。
2.相关因素对于混凝土耐久性的影响
混凝土耐久性不足而造成破坏的主要因素有：冻融循环、碱集料反应、钢筋锈蚀、盐类侵蚀、酸腐蚀、淡水溶蚀浸析、碳化以及磨耗和冲蚀等机械破坏作用等。影响混凝土体积稳定性的因素主要有温度变化、水分(湿度)变化、化学反应等三类，具体表现为温度变形、干燥收缩、湿胀、塑性收缩、自收缩、化学收缩、碳化收缩及碱集料反应等。可以认为体积稳定性的产生机理在于热、湿及化学离子在多孔介质中与环境之间的迁移和扩散引起混凝土体积变化，混凝土体积稳定性的可通过收缩系数及热膨胀系数试验进行测试，也可以根据多孔介质中热质传输原理，在实验研究混凝土热物性能及湿物性能基础上，对混凝土体积变化进行数值模拟。混凝土与环境之间的温、湿度变化及化学离子迁移、反应，形成温度梯度、湿度梯度及浓度梯度，使整体混凝土宏观体积和局部微观体积发生变化，混凝土内部出现应力，尤其是在混凝土结构中，混凝土受到内部或外部的约束作用，混凝土内部的应力更大、更不均匀，超过混凝土极限抗拉强度时就会出现开裂。无论是钢筋锈蚀、化学腐蚀、冻融破坏还是碱集料反应，其破坏过程的发生都与混凝土材料的渗透性(水、气体和各种离子)密切相关，在混凝土中迁移的水混凝土诸多破坏因素的载体，因此混凝土的渗透性是出现耐久性问题的症结所在。因体积稳定性不良产生的裂缝，不论大小，都会使混凝土的渗透性大幅增加，也因此大大加速了各种劣化过程的发展，对混凝土耐久性极为不利。体积稳定性对耐久性的影响就在于此，其理论影响过程可以表示如下：体积变化—内部
应力—收缩开裂(超过混凝土极限抗力)—渗透性降低—相关劣化过程加剧—耐久性下降。
3.结语
人口膨胀、城市化和生活条件改善需要使得基础设施建设规模不断扩大,混凝土消耗量迅猛增长。为了获取资源和维持经济高增长,在有害的严酷环境修建了大量的混凝土结构,这些混凝土结构出乎预期地出现了过早破坏。环境污染、温室效应导致的气候变暖和生态恶化也对用量最大的混凝土材料提出了可持续发展要求。实现混凝土工程的高耐久和长寿命是效益巨大的节能减排和可持续发展举措,因此混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键问题。混凝土耐久性研究始于材料层次,构件结构层次的研究起步较晚,因此形成目前在材料层次和构件结构层次的脱节。目前,耐久性研究从定性描述逐步转向“模型”定量或半定量分析。我国对混凝土耐久性的研究晚于西方发达国家,但近年来取得了丰富成果和巨大进步,编制了多部耐久性规范和标准,在重大工程的建设中已经充分贯彻了“混凝土耐久性设计”理念,并提升到了“强度设计与耐久性设计并重,强度服从耐久性”的认识高度。“混凝土耐久性的整体论模型”和“混凝土结构寿命周期评价”是在更科学、更全面层次上对混凝土耐久性问题的全新认识和理解,会对混凝土耐久性研究的方向和混凝土工程的建设管理产生重要影响,而且这种影响己经发生。混凝土的耐久性问题是涉及多因素综合作用和寿命周期全过程的复杂问题,要实现基于数学模型的定量分析和设计还需要做大量的科学研究工作.