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混凝土强度概念的细化及其与耐久性的关系

放大字体  缩小字体 发布日期:2011-05-19  来源:中国混凝土网  作者:陈立军
核心提示:混凝土强度概念的细化及其与耐久性的关系
  目前,讨论混凝土强度与耐久性之间的关系似乎有些老生常谈,然而两者的关系复杂多变,其内在规律还不十分清楚。因耐久性试验周期较长,且其适用范围的局限性很大,故工程界仍然存在忽视混凝土组成结构和环境条件的具体变化,片面强调混凝土强度与耐久性有关的现象。认为只要是普通混凝土,强度与耐久性就应有一定的正比关系;而且,存在对混凝土强度概念的认识不够细致,对混凝土耐久性在材料科学要素中所属范畴的认识不够清晰的现象。因此,对混凝土强度的概念及其与耐久性的关系作进一步讨论还是很有必要的。

  1 混凝土强度概念的细化 

  混凝土材料的强度与其它大多数材料的强度有一个重要区别,即混凝土强度与时间的相关性十分密切,而且,不同组成结构的混凝土强度与时间的相关性又完全不同。通常,混凝土的强度是指28d抗压强度,而混凝土的最高强度一般是5年强度。在很多情况下,这两种强度并不成正比关系。也就是说28d抗压强度相对较高的混凝土,其5年强度却存在相对较低的情况;而28d抗压强度相对较低的混凝土,其5年强度也存在相对较高的情况。如果说混凝土的强度与耐久性有关,且5年强度与耐久性有较好的相关性,那么28d抗压强度与耐久性的相关性则是不确定的。因此,在讨论混凝土强度与耐久性的关系时,阐述混凝土强度的概念一定要强调具体的龄期。也就是说应当将笼统的强度概念细化为具体的龄期强度,并且时刻谨记各龄期强度之间、尤其是早期强度与长期强度之间变化不定的对应关系。 

  另外,高强混凝土的概念也是一个十分粗略且不断变化的概念。20世纪50年代,强度达到35MPa以上的混凝土就被认为是高强混凝土;60年代以后,40~50MPa的混凝土被认为是高强混凝土;到1980年以后,世界各国高强混凝土的强度标准也不尽相同。例如我国CECS104:99《高强混凝土技术规程》1.0.2条明确规定C50~C80级混凝土为高强混凝土。美国混凝土学会(ACI)、国际预应力混凝土联合会(FIP)和欧洲混凝土委员会(CEB)在1990年、1992年公布的报告都将高强混凝土界定为大于或等于41MPa(不包括应用特种材料和技术制备的混凝土)。如果说高强混凝土与普通混凝土之间,强度(以下皆指28d强度)与耐久性的相关性不一致,也即强度与耐久性受其它因素影响发生变化的规律不一致(在混凝土组成结构和环境条件相同的情况下,其强度与耐久性之间有一定的对应关系,但这种对应关系会随着组成结构和环境条件的变化而发生相似或相反的变化),且普通混凝土的强度与耐久性应呈正比,那么高强混凝土与普通混凝土的界限究竟应按多少MPa划分(C35还是C50)才更加准确、合理呢?答案恐怕不是马上就能确定的。两者概念的定义是否合适都有待商榷。实际上,即使同属于高强混凝土或普通混凝土,而且是强度等级完全相同的混凝土,其强度与耐久性的相关性也可能会发生变化。因为强度相同的混凝土组成结构有可能不同,故简单地认为某种强度的混凝土耐久性好或差都是不严谨的。

  2 混凝土强度、耐久性与组成结构的关系 

  从材料科学的四要素(合成、结构、性能和使用性能)来看,混凝土的标准强度即28d标养抗压强度属于四要素中的性能范畴,混凝土在使用条件下的实际强度属于四要素当中的使用性能范畴;而混凝土的耐久性则只属于使用性能范畴,不属于性能范畴。因为混凝土耐久性包含的内容很多,它的主要指标几乎都不能用一种固定的试验方法来进行检测和评价[1~3]。例如,混凝土的抗冻性是典型的与环境条件密切相关的使用性能,它没有一种固定的通用方法来进行检测和评价。目前,各种测试混凝土抗冻性的试验方法(见GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》)均明确规定了其适用范围,每种抗冻性试验方法只能近似代表与其试验条件相似的环境条件下混凝土的使用性能,而且用不同试验方法测试的混凝土抗冻性之间并无明确的可比性。同样,混凝土的抗渗性也与之类似。因此,只有将混凝土的抗冻性、抗渗性等概念进一步细化为具体环境条件下的抗冻性和抗渗性才能归入混凝土的性能范畴,而笼统的抗冻性和抗渗性仅属于混凝土的使用性能范畴。 

  由于混凝土的性能只取决于混凝土的组成结构,而混凝土的使用性能既取决于混凝土的组成结构,也取决于混凝土的环境条件,故两种科学要素中的相同指标或不同指标之间的相关性都是不确定的。即使同属于使用性能这一要素当中的不同指标,如混凝土的实际强度和耐久性,其相关性也是不确定的。因为这一要素同时受内部结构和外部环境两种因素的影响,两种因素单独或同时发生变化,都会影响混凝土的强度和耐久性。这就决定了具有不同组成结构的混凝土在不同环境条件下,强度和耐久性之间变化规律的复杂性。所以,很难按混凝土强度的高低确定混凝土耐久性的好坏。假设混凝土组成结构及其所处环境条件在一定范围内变化较小,其强度和耐久性也会有近似固定的对应关系;掌握了这种对应关系,也可以在此组成结构的变化范围内,通过混凝土的强度间接了解混凝土的耐久性;但当混凝土组成结构发生较大变化时,这种对应关系就会随之发生较大甚至相反的变化。在完全掌握这种变化规律之前,就无法在较大的组成结构变化范围内,根据混凝土的强度了解混凝土的耐久性。 

  从理论上讲,当混凝土组成结构发生较大变化时,其强度和耐久性随之变化的规律可能具有相似性,也可能具有相反性,但不会具有完全相同的变化规律。例如,混凝土孔隙结构的相对细化,在很大的孔径变化范围内(无论是由大毛细孔变为微毛细孔,还是由微毛细孔变为超微孔)都会提高混凝土的强度;但在同样的孔径变化范围内对混凝土耐久性的影响却是变化的,既有有利的一面,也有不利的一面[4~6]。首先以混凝土的大气抗冻性为例,混凝土孔径的细化,可以使孔内水分的冰点降低,在这方面有利于提高混凝土的大气抗冻性;但当混凝土孔径由大毛细孔转化为微毛细孔时,由于毛细孔凝结现象和毛细孔压力的增加[4~7],会使混凝土孔隙内部的含湿量增加,毛细孔压力渗透性加大,自收缩裂纹增多,在这几方面则不利于提高混凝土的大气抗冻性;当不利因素的影响大于有利因素的影响时,就会造成混凝土大气抗冻性的下降。另外,这些不利因素还会导致混凝土的抗碳化性、抗化学腐蚀性和钢筋的耐锈蚀性等变差,从而使混凝土孔径在此范围内的细化,对混凝土耐久性的不利影响远大于有利影响,造成混凝土耐久性的下降。可见,在此孔径变化范围内,混凝土强度与耐久性存在反比关系。但是当混凝土孔径由微毛细孔转化为超微孔时,由于孔中毛细孔压力基本消失,不会增大混凝土的自收缩和毛细孔压力渗透性;且因孔径超细而不会产生碳化收缩[9]和结冰(冰点可达-40℃~-50℃),故超微孔对混凝土耐久性的影响是十分有利的。在此孔径范围内,混凝土的强度与耐久性存在正比关系。 

  此外,由于混凝土的化学组成对耐久性的影响与孔隙结构对耐久性的影响具有相似性,主要体现在不同化学组分的化学键强度对耐久性的影响既有有利的一面,也有不利的一面(如增大材料表面的亲水性)[6];而不同化学组分的化学键强度对混凝土强度的影响基本是有利的。从而可以得知,随着化学组成的变化,混凝土强度与耐久性的关系既存在正比情况,也存在反比情况。与孔隙结构对两者关系的影响具有相似的规律。 

  从实践上看,现代混凝土的发展历史已接近200年,其生产技术一直在不断地发展跨越,特别是近几十年内出现了很大的变化。现今混凝土材料的化学组成、矿物组成和颗粒组成乃至水的掺量,都已经完全不同于当初混凝土工业发明的、世界性通用的20MPa混凝土,这导致硬化后的混凝土结构发生了相当大的变化。即使混凝土的强度一样或相近,但其组成结构(尤其是胶凝材料的矿物组成和颗粒组成以及混凝土的孔结构)也不会相同,甚至差别很大,从而导致混凝土的耐久性发生较大变化。例如,高强混凝土的技术发展经过3个阶段[10]:第一阶段采用振动加压等方法降低水灰比;第二阶段采用高效减水剂降低水灰比;第三阶段采用高效减水剂和矿物掺合料双掺提高强度。三个阶段生产的高强混凝土,其组成结构都有较大变化。虽然混凝土强度不断提高,但其耐久性并不都是相应的提高,甚至有降低的现象。正如吴中伟先生在著作中所述[11]:“为了提高混凝土的强度,过去除采取降低水灰比的措施以改善孔结构外,还采取了其它一些有效措施,但却带进了某些不利于耐久性的因素,给土建工程造成了不小的损失。” 

  上述情况表明,混凝土强度与耐久性的对应关系是复杂的,而且是随着混凝土组成结构的变化而变化的。在某一化学组成或孔结构的变化范围内,两者存在正比关系;而在另一化学组成或孔结构的变化范围内,两者存在反比关系。导致两者关系发生根本转变或较大变化的组成结构范围,以及在每一范围内的变化程度,还需进一步深入细致的研究。

  3 结语

  (1)混凝土的耐久性只属于材料科学要素中的使用性能范畴,而不属于性能范畴,故不能用研究性能的简单思路去研究复杂的耐久性。在同一范畴内讨论混凝土强度与耐久性的关系,应注意混凝土强度的时间概念,不同龄期混凝土强度与耐久性的相关性存在相反的情况。

  (2)即使28d抗压强度完全相同的混凝土,其组成结构也可能不同或差异较大,故其强度与耐久性的相关性也会随之发生变化。

  (3)在不同的混凝土组成结构范围内,混凝土强度与耐久性的相关性分别存在正比关系和反比关系,更细致的内在规律还需不断深入的研究。 
 
 
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