摘要:混凝土已成為當(dāng)今世界上使用量最大的建筑材料,其耐久性是影響工程質(zhì)量的重要因素。文章初步探討分析了混凝土原材料對(duì)混凝土耐久性的影響。
關(guān)鍵詞:混凝土 級(jí)料 耐久性
中圖分類號(hào):TU528．04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)成本的降低,混凝土已成為使用量最大的建筑材料。長(zhǎng)期以來,混凝土被認(rèn)為具有較好的耐久性,直到20 世紀(jì)70 年代末期,發(fā)現(xiàn)有些工程出現(xiàn)過早損壞。1988 年,美國(guó)對(duì)45 個(gè)州的水泥混凝土道路進(jìn)行了使用壽命調(diào)查,結(jié)果表明其平均壽命僅為2015 年。建設(shè)部于20 世紀(jì)80 年代調(diào)查表明,國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25～30 年后就需大修,處于嚴(yán)酷環(huán)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(huán)境相對(duì)較好,一般可維持50 年以上,但室外的陽臺(tái)、雨棚等露天構(gòu)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(qū)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(xiàn)問題,有的不得不限載、大修或拆除重建。高等級(jí)公路、高速公路修建的歷史不長(zhǎng),大約是近15 年才開始大量修建的,但是一部分新投入運(yùn)營(yíng)才幾年的混凝土道路,路面已經(jīng)出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)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(qiáng)度的C15 混凝土作襯砌材料,密實(shí)度和抗?jié)B性差,不耐地下水與機(jī)車廢氣侵蝕,開裂與滲漏嚴(yán)重。對(duì)幾個(gè)鐵路局所轄的隧道進(jìn)行抽樣調(diào)查表明,漏水的占50．4 % ,其中1/ 3 滲漏嚴(yán)重,并導(dǎo)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(yùn)行。
1 影響混凝土耐久性的原因
影響普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的原因有: ①混凝土在凝固過程中的水化反應(yīng)所形成的孔隙,特別是其中毛細(xì)孔占相當(dāng)大部分。毛細(xì)孔是水分、各種侵蝕介質(zhì)、氧氣、二氧化碳及其它有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)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(wěn)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(shù)量很大的游離石灰,它的強(qiáng)度極低,穩(wěn)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(wěn)定性低的組分,特別是游離石灰。④混凝土中原材料的影響?；炷林屑贤ǔＲ俭w積的55 %～70 % ,因此它對(duì)混凝土的耐久性、使用壽命的影響相當(dāng)顯著。集料的粒形與級(jí)配不良,會(huì)導(dǎo)致空隙率增大,需要大量水泥砂漿來填充,從而導(dǎo)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(duì)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(duì)混凝土耐久性均有影響。
2．1 水和水泥
混凝土的早期強(qiáng)度特別是目前的技術(shù)規(guī)范要求的28 d齡期的試件強(qiáng)度被當(dāng)作評(píng)判工程質(zhì)量的參數(shù)。高水灰比的混凝土因其水泥的水化反應(yīng)很快、凝固時(shí)間縮短、早期強(qiáng)度上升較快而被普遍使用;高強(qiáng)度的水泥顆粒細(xì),加水多,硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣,混凝土早期強(qiáng)度高。這兩種方法生產(chǎn)出來的混凝土在水化作用期間的自干燥作用會(huì)使多余的水分蒸發(fā)后形成更多的孔隙即“內(nèi)傷”,影響結(jié)構(gòu)的耐久性,對(duì)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(jí)配。粗集料的最大粒徑過大,而且只有一個(gè)級(jí)別,從攪拌機(jī)出料卸到翻斗車?yán)锖头奋囘\(yùn)到工地的過程,就會(huì)發(fā)生一定程度的離析(指石子與砂漿分離) ,雖經(jīng)人工攤鋪和振搗,但混凝土的密實(shí)度仍不能得到保證,成形后混凝土強(qiáng)度的均質(zhì)性較差。
國(guó)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(qiáng)度就越好。但是粗集料粒徑的減小(國(guó)外一般都以20 mm 為最大粒徑) 會(huì)使包裹它們的砂漿需要量增大。通過改善集料的品質(zhì)(包括改善其粒形與級(jí)配) ,盡量減小集料的空隙率及增加中間顆粒部分來補(bǔ)償。
受凍融循環(huán)影響的混凝土,飽和的粗集料在受凍時(shí)會(huì)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(gè)壓力超過了粗集料的強(qiáng)度,粗集料就會(huì)破壞或脫離混凝土體,導(dǎo)致混凝土破壞。壓力的大小取決于所用巖石的結(jié)構(gòu)和石子的粒徑,粒徑越大,產(chǎn)生的壓力也就越高,因此對(duì)每種巖石存在一個(gè)“臨界粒徑”的概念,對(duì)于同一巖種,最大粒徑為40 mm的石子比20 mm 產(chǎn)生的壓力要大。
2) 合理摻加石粉。當(dāng)集料和砂中含泥量過大時(shí),混凝土在水化時(shí)與泥粒反應(yīng),會(huì)產(chǎn)生大體積膨脹,凝固后的膠結(jié)體結(jié)構(gòu)受到破壞,抗壓和抗拉強(qiáng)度急劇下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土失效。需要提到的另一個(gè)問題就是機(jī)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(yīng)過程中基本不參加反應(yīng)。工程實(shí)踐表明,機(jī)制砂中摻入適量的石粉對(duì)混凝土是有益的,有適量石粉的存在,彌補(bǔ)了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷,同時(shí),對(duì)完善混凝土特細(xì)骨料的級(jí)配,提高混凝土密實(shí)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(yīng)。堿集料反應(yīng)是指水泥水化中的堿性物質(zhì)與集料中的物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。一般來說有兩類堿集料反應(yīng):堿—碳反應(yīng),指堿性物質(zhì)與含有碳酸鹽類物質(zhì)的集料(如白云石等) 發(fā)生化學(xué)反應(yīng),另一類是堿—硅反應(yīng),指堿性物質(zhì)與含硅酸鹽類物質(zhì)的集料(如蛋白石和硅酸石灰石等) 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
堿集料反應(yīng)的結(jié)果是在水泥骨料表面發(fā)生膨脹性斷裂,從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。國(guó)內(nèi)普通水泥中堿含量普遍較高( > 0．6 %) ,而一些地區(qū)的粗集料(石子) 具有明顯的堿活性,二者結(jié)合在一起,容易形成堿集料反應(yīng)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(qū)。對(duì)粗集料、添加劑及礦粉中堿含量的測(cè)試是非常必要的。按工程類別和周邊環(huán)境,混凝土中含堿總量控制在3～5kg/ m3 范圍之內(nèi)是防止混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng),提高耐久性的重要環(huán)節(jié)。
2．3 添加劑
在混凝土的生產(chǎn)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(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間、硬化性能的添加劑(包括緩凝劑、早強(qiáng)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(chǎn)施工需要的同時(shí),最終得到高性能的混凝土產(chǎn)品。但對(duì)添加劑的用量及堿含量應(yīng)特別注意,否則會(huì)導(dǎo)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(xì)粉,目前使用較多的是脫炭?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰。礦粉在混凝土中所起的主要作用有以下幾個(gè)方面: ①填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤(rùn)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(zhì)量好的礦粉含大量玻璃微珠) ,因此能填充得更密實(shí),在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。②對(duì)水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時(shí),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(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng),生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物(與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同) ,對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)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(duì)防止混凝土產(chǎn)生裂縫十分有利。
3 結(jié)語
提高混凝土的耐久性,可以減少水泥用量,節(jié)約資源,有利于延長(zhǎng)工程修補(bǔ)和復(fù)建周期,提高投資效率,有利于環(huán)境保護(hù)?？刂圃牧?嚴(yán)格施工工藝是提高混凝土耐久性的根本。
參考文獻(xiàn)
[1 ]吳中偉,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.
