摘要:混凝土已成为当今世界上使用量最大的建筑材料,其耐久性是影响工程质量的重要因素。文章初步探讨分析了混凝土原材料对混凝土耐久性的影响。
关键词:混凝土 级料 耐久性
中图分类号:TU528．04 文献标识码:A
随着生产技术的发展和生产成本的降低,混凝土已成为使用量最大的建筑材料。长期以来,混凝土被认为具有较好的耐久性,直到20 世纪70 年代末期,发现有些工程出现过早损坏。1988 年,美国对45 个州的水泥混凝土道路进行了使用寿命调查,结果表明其平均寿命仅为2015 年。建设部于20 世纪80 年代调查表明,国内大多数工业建筑物在使用25～30 年后就需大修,处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好,一般可维持50 年以上,但室外的阳台、雨棚等露天构件的使用寿命通常仅有30～40 年。海港码头一般使用十年左右就因混凝土开裂和剥落而需要大修。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用,使用十几年后就出现问题,有的不得不限载、大修或拆除重建。高等级公路、高速公路修建的历史不长,大约是近15 年才开始大量修建的,但是一部分新投入运营才几年的混凝土道路,路面已经出现相当严重的病害,如路面板露石、剥落、开裂、断板、缺棱掉角、起拱、塌陷等等。铁路隧道用低强度的C15 混凝土作衬砌材料,密实度和抗渗性差,不耐地下水与机车废气侵蚀,开裂与渗漏严重。对几个铁路局所辖的隧道进行抽样调查表明,漏水的占50．4 % ,其中1/ 3 渗漏严重,并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电,影响列车正常运行。
1 影响混凝土耐久性的原因
影响普通混凝土结构耐久性的原因有: ①混凝土在凝固过程中的水化反应所形成的孔隙,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,可引起混凝土耐久性的不足。②水泥石中的水化物稳定性不足。水泥水化后的主要化合物是高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。③在水化物中还有数量很大的游离石灰,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,特别是游离石灰。④混凝土中原材料的影响。混凝土中集料通常要占体积的55 %～70 % ,因此它对混凝土的耐久性、使用寿命的影响相当显著。集料的粒形与级配不良,会导致空隙率增大,需要大量水泥砂浆来填充,从而导致混凝土抗冲击、抗疲劳、抗冻融及耐磨等性能的下降。
2 原材料对混凝土耐久性的影响
混凝土一般是由水、水泥、集料、砂、添加剂、矿粉六种原料按一定的配比拌合而成,其中各种原材料对混凝土耐久性均有影响。
2．1 水和水泥
混凝土的早期强度特别是目前的技术规范要求的28 d龄期的试件强度被当作评判工程质量的参数。高水灰比的混凝土因其水泥的水化反应很快、凝固时间缩短、早期强度上升较快而被普遍使用;高强度的水泥颗粒细,加水多,硬化后生成更多薄弱的氢氧化钙,混凝土早期强度高。这两种方法生产出来的混凝土在水化作用期间的自干燥作用会使多余的水分蒸发后形成更多的孔隙即“内伤”,影响结构的耐久性,对于大体积混凝土工程的影响比较大。
2．2 集料和砂
1) 控制粗集料的粒径和级配。粗集料的最大粒径过大,而且只有一个级别,从搅拌机出料卸到翻斗车里和翻斗车运到工地的过程,就会发生一定程度的离析(指石子与砂浆分离) ,虽经人工摊铺和振捣,但混凝土的密实度仍不能得到保证,成形后混凝土强度的均质性较差。
国外研究表明:混凝土粗集料的最大粒径越小,其抗冲击与疲劳的强度就越好。但是粗集料粒径的减小(国外一般都以20 mm 为最大粒径) 会使包裹它们的砂浆需要量增大。通过改善集料的品质(包括改善其粒形与级配) ,尽量减小集料的空隙率及增加中间颗粒部分来补偿。
受冻融循环影响的混凝土,饱和的粗集料在受冻时会向外排水,所以液相压力来自于砂浆,也来自粗集料颗粒本身,如果这个压力超过了粗集料的强度,粗集料就会破坏或脱离混凝土体,导致混凝土破坏。压力的大小取决于所用岩石的结构和石子的粒径,粒径越大,产生的压力也就越高,因此对每种岩石存在一个“临界粒径”的概念,对于同一岩种,最大粒径为40 mm的石子比20 mm 产生的压力要大。
2) 合理掺加石粉。当集料和砂中含泥量过大时,混凝土在水化时与泥粒反应,会产生大体积膨胀,凝固后的胶结体结构受到破坏,抗压和抗拉强度急剧下降,严重时会导致混凝土失效。需要提到的另一个问题就是机制砂中的石粉,石粉与泥成分不同、粒径分布不同,在混凝土水化反应过程中基本不参加反应。工程实践表明,机制砂中掺入适量的石粉对混凝土是有益的,有适量石粉的存在,弥补了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷,同时,对完善混凝土特细骨料的级配,提高混凝土密实性都有益处,能起到提高混凝土综合性能的作用。
3) 防止混凝土碱集料反应。碱集料反应是指水泥水化中的碱性物质与集料中的物质发生的化学反应。一般来说有两类碱集料反应:碱—碳反应,指碱性物质与含有碳酸盐类物质的集料(如白云石等) 发生化学反应,另一类是碱—硅反应,指碱性物质与含硅酸盐类物质的集料(如蛋白石和硅酸石灰石等) 发生化学反应。
碱集料反应的结果是在水泥骨料表面发生膨胀性断裂,从而导致混凝土结构开裂。国内普通水泥中碱含量普遍较高( > 0．6 %) ,而一些地区的粗集料(石子) 具有明显的碱活性,二者结合在一起,容易形成碱集料反应破坏。有碱活性的粗集料分别分布在华北、华中、西南、西北地区。对粗集料、添加剂及矿粉中碱含量的测试是非常必要的。按工程类别和周边环境,混凝土中含碱总量控制在3～5kg/ m3 范围之内是防止混凝土发生碱集料反应,提高耐久性的重要环节。
2．3 添加剂
在混凝土的生产过程中,掺入少量的(不超过水泥用量的5 %) 能改变混凝土性能的材料,称为混凝土添加剂。混凝土添加剂按其主要功能可分为: ①改善混凝土拌和物流变性能的添加剂(包括普通减水剂和高效减水剂、引气剂和泵送剂等) 。②调节混凝土凝结时间、硬化性能的添加剂(包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等) 。③改善混凝土耐久性的添加剂(包括引气剂、防水剂和阻锈剂等) 。④改善混凝土其他性能的添加剂(包括膨胀剂、防冻剂、着色剂等) 。
可以利用不同的添加剂改善混凝土的特性,在满足生产施工需要的同时,最终得到高性能的混凝土产品。但对添加剂的用量及碱含量应特别注意,否则会导致混凝土性能缺陷。
2．4 矿粉
矿粉一般是指粉煤灰或冶炼矿碴的磨细粉,目前使用较多的是脱炭优质粉煤灰。矿粉在混凝土中所起的主要作用有以下几个方面: ①填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层。由于矿粉的表观密度只有水泥的2/ 3 左右而且粒形好(质量好的矿粉含大量玻璃微珠) ,因此能填充得更密实,在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。②对水泥颗粒起物理分散作用,使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时,水化缓慢的矿粉可以提供水分,使水泥水化得更充分。③矿粉和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应,生成具有胶凝性质的产物(与水泥中硅酸盐的水化产物相同) ,对改善混凝土的各项性能有显著作用。④矿粉可延缓水化速度,减小混凝土因水化热引起的温升,对防止混凝土产生裂缝十分有利。
3 结语
提高混凝土的耐久性,可以减少水泥用量,节约资源,有利于延长工程修补和复建周期,提高投资效率,有利于环境保护。控制原材料,严格施工工艺是提高混凝土耐久性的根本。
参考文献
[1 ]吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社,1999.
