影響混凝土耐久性之原料分析
2005-07-06 00:00
一、前言
當今，混凝土已成為最廣泛使用的建筑結構材料。以往工程中都比較重視混凝土的強度而容易忽視混凝土的耐久性。但試驗和應用都標明，混凝土和鋼筋混凝土在使用過程中，受到土壤、水和空氣中有害介質的侵蝕或混凝土本身組成材料有害成分的化學及物理作用，會產生開裂、溶蝕、剝落、膨脹、松軟及強度等級下降等現象，嚴重的還會出現結構破壞或倒塌。隨著我國商品混凝土和高強混凝土的推廣應用，混凝土的耐久性和安全性已受到越來越廣泛的關注。
提高混凝土的耐久性對于當前實現可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，更好地利用資源、節(jié)約能源和保護環(huán)境，都具有十分重要的意義。本文著重從原料的生產和使用層面上分析影響混凝土耐久性的因素及原因，有助于我們更新觀念，從耐久性的角度評價水泥和混凝土的質量。
二、水泥的生產和使用
在影響混凝土耐久性問題上，其原因涉及多方面，其中裂紋是導致混凝土耐久性降低的一個關鍵因素。就材料本身來說，影響混凝土抗裂性的主要因素則是水泥。
1 、水泥在生產中存在的問題和原因
⑴過多追求水泥強度，尤其是早期強度
綜合多種因素分析，混凝土的開裂有著相當復雜的多方面的原因。但在對其中一個主因的認知上大家的看法是比較接近的，即：為滿足現代高速施工所采用的高早強水泥及其混凝土拌合物是使混凝土結構早期開裂的一個重要的原因。
在水泥的質量要求中，水泥的強度是很重要的指標。對水泥標準的修改也主要在于強度的檢測上。隨著三次標準的修改，對水泥的強度要求越來越高。同時，隨著混凝土建筑業(yè)越來越受高速建設的經濟利益所驅動，使得水泥企業(yè)越來越重視生產早強水泥來滿足現代建筑工業(yè)的要求，其方式主要是通過改變水泥的礦物組成和提高水泥的細度。如增加C3S、C3A 的含量，將水泥磨至3500cm2/g 以上等措施。水泥熟料中四種主要礦物的水化熱和收縮率見表1、表2。
由表1 和表2 可見，C3A 的水化熱和收縮率均高于其他礦物。其次為C 3S ，其水化熱在反應初期也是C2S 的數倍。因此，在水泥生產中提高C3A 和C3S的含量，對于水泥水化早期是很容易因溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。這樣就自然使得混凝土的耐久性下降。
提高水泥的細度，雖能提高水泥的早期強度，但對混凝土的耐久性也是不利的。圖1是水泥細度與混凝土抗凍性的關系，如圖所示，當水泥的細度從2500cm2/g 變化到4800cm2/g時，抗凍循環(huán)次數從420次變化到不足100 次。
在目前的施工過程中，施工單位為了加快施工的進度，往往希望水泥生產企業(yè)提供早強水泥。在這種背景下，水泥生產企業(yè)包括新型干法水泥廠也為了適應這個要求而生產出比表面積高的早強水泥。這種做法對混凝土的耐久性方面是相當不利的。
⑵混合材的摻入
我國水泥標準中規(guī)定在普通硅酸鹽水泥生產中可以摻加15%以內的混合材。但現在存在的問題是水泥生產企業(yè)往往并不標明混合材的品種和摻加的數量。而隨著現代混凝土工業(yè)的發(fā)展，混合材在混凝土的使用中也越來越廣泛，多的可達30%以上。如果混凝土行業(yè)不了解所采用的水泥中混合材的品種和數量，而自己再加入相同的混合材，這樣以來就會帶來力學性能和其他性能有顯著的變化，這樣就可能造成混凝土早期開裂，從而影響混凝土的耐久性。
水泥企業(yè)還存在的一個問題是，許多新型干法水泥企業(yè)和先進的立窯企業(yè)由于技術上的優(yōu)勢，生產的熟料強度很高。但由于市場對高標號水泥的需求不大，而水泥企業(yè)如果生產礦渣水泥又會降低利潤。所以為了充分利用熟料強度，水泥廠就超標準摻加混合材生產低標號水泥。于是就存在水泥企業(yè)生產水泥時混合材的超標現象。因為混合材摻量這一標準規(guī)定一般為人們所忽視。若在這種情況下，再在商品混凝土站摻20%～30%的磨細摻合料，而不采取措施，就會因混合材的疊加效應而導致混凝土工程質量低劣。
2、水泥使用中存在問題和原因
水泥的用量也會影響到混凝土的耐久性。由于高水泥用量在早期和后期易產生裂紋。而裂紋對混凝土的耐久性是致命的。強度過低顯然對耐久性是不利的，但強度過高又會給耐久性帶來風險。同濟大學黃士元認為，水泥用量在350kg/m3的C40混凝土一般不易開裂，是優(yōu)質混凝土。水泥用量在400～500kg/m很難滿足。國家標準中對建筑工程使用沙石的粒徑和級配有嚴格的要求，建筑用砂的最大粒徑為5mm，石子的最小粒徑為5mm；而目前實際混凝土用沙石一般做不到連續(xù)級配。這樣以來，就必須增加高效減水劑摻量來滿足拌合物流動性的要求，不僅不經濟，而且使混凝土彈性模量降低，收縮增大，從而影響耐久性。
3 、集料和水泥之間的結合
沙石和水泥之間的結合程度也影響到混凝土的耐久性。沙石和水泥的結合界面體現二者之間的彈性模量上：當石子和混凝土彈性模量差別很大時，在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時，二者變形不一致，會導致界面產生微裂縫，從而影響混凝土的耐久性；如果二者彈性模量差別縮小，則界面結合可得到加強。
4 、堿－骨料反應
堿—骨料反應是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿與骨料中的活性成分的反應，在混凝土澆筑成型后若干年（數年至二三十年）逐漸反應，反應生成物吸水膨脹使混凝土失去設計性能。由于活性骨料經攪拌后大體上呈均勻分布，所以一旦發(fā)生堿骨料反應，混凝土內部各部分均產生膨脹應力，將混凝土自身脹裂，發(fā)展嚴重的只能拆除，無法補救，因而被成為混凝土的癌癥。所以砂石骨料（集料）的堿活性指標是一項重要的指標，必須引起重視，否則后果是嚴重的。
三、外加劑的生產和使用
1 、外加劑與水泥的適應性
每一種混凝土外加劑都有它特有的功能，摻加這種外加劑，能夠改善混凝土某一方面或某幾方面的性能。不注意外加劑和水泥的適應性問題，就會對工程帶來影響。如：用幾種普通硅酸鹽水泥并摻加某種高效減水劑（經檢驗符合高效減水劑質量標準）配制混凝土，在配制條件都相同的情況下，有種水泥所配制的混凝土水泥在減水率方面出現了嚴重不足，則說明這種水泥與該高效減水劑不適應，而其他幾種水泥與該高效減水劑相適應。再如，當某種水泥所配制的混凝土中摻加經檢驗符合相關質量標準要求的速凝劑卻得不到速凝效果，或摻加緩凝劑卻得到了假凝效果，都可以認為是由于外加劑與水泥之間不相適應所致。
幾乎所有品種的外加劑與水泥之間都存在適應性問題，只是目前來說減水劑使用最普遍，而且當其與水泥產生不適應的時候能夠比較直觀快速地反應出來（如流動性差、減水率低、或拌合物板結發(fā)熱、流動度損失過快等現象）。
水泥與外加劑的相容性是一個很有意義的科學問題，更是一個工程實際問題，這個問題出自于工程事故。因此必須引起生產單位和工程應用部門的高度重視。
2 、高效減水劑帶來的問題
目前外加劑的主要種類為各種高效減水劑。混凝土中摻加減水劑，使得水灰比降低至0.4 甚至是0.3 以下，從而使得較低標號的水泥同樣可以配制出高強度的混凝土，這種認識被大家所熟悉。但是，水灰比降低相應帶來的其他變化，就不容易檢測了。一般來說，水灰比降低，容易造成混凝土尤其是暴露面積很大的混凝土構件由于表面蒸發(fā)而出現收縮。這種現在基本上發(fā)生在早期。表面水分向外蒸發(fā)引起的收縮是主要問題，而當水灰比較大時，上升的泌水還可以使其表面得到補充，不容易出現開裂。
此外，隨著水灰比（水膠比）的降低，在骨料質量不變的前提下，填充間隙并包裹與潤滑骨料的膠凝材料用量必然加大，因此通常要增大混凝土的溫升。低水灰比和高水化環(huán)境溫度是加速混凝土強度發(fā)展的兩個“催化劑”，然而隨之發(fā)生彈性模量的迅速提高（比強度發(fā)展更迅速）、徐變松弛作用的減小和降溫階段混凝土發(fā)生的溫度收縮，這些因素的疊加導致了現代混凝土易于開裂的趨勢。
四、混和材的使用
高強混凝土一般含有較多水泥，因此收縮大，并在硬化時產生更高的溫度?，F代水泥又因為細度更高而更易開裂。經驗說明，最經濟有效的解決辦法是將混凝土中的部分水泥用粉煤灰或礦渣來替代。含有粉煤灰或礦渣的混凝土在砂漿與粗集料的結合區(qū)的強度更高，不易發(fā)生微裂，因而具有更高的水密性和耐久性及使用壽命。目前混凝土工業(yè)中混合材主要包括粉煤灰、硅灰、高爐礦渣等。但由于不正確的觀念或技術方面的束縛，在混合材的使用中也會存在一些影響混凝土耐久性的因素。
1 、混合材的摻量
過去由于認識上的誤解，往往重視水泥在混凝土中的作用，認為越多加水泥，則就能得到高強的混凝土，其實這是片面的。在混凝土中摻加混合材，一方面降低了成本，另外對改善混凝土的耐久性也有重要的影響?，F在一些企業(yè)也開始多摻加混合材。但在一些邊遠地區(qū)，還是沒有徹底的轉變認識，在混凝土制備過程中很少加入混合材。另外一個問題，我國普通硅酸鹽水泥中已摻有一定量的混合材，在使用過程中，一定要注意其疊加效應。
2、加入混合材要注意養(yǎng)護條件
采用高混合材的混凝土如果不注意養(yǎng)護條件同樣會帶來問題。從50 年代我國就大量使用摻粉煤灰和礦渣。但在工程中也發(fā)現早強低、易碳化，抗凍性能也不太好等問題，從而使混凝土耐久性降低。其實這是與混凝土的養(yǎng)護條件有關的。國外的混凝土摻入大量粉煤灰，其試驗條件是長期濕養(yǎng)護。如果這種混凝土沒有在長期濕養(yǎng)護條件下而盲目強調多摻粉煤灰，很容易出現問題。
五、小結
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