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摘要: 介紹了現(xiàn)代混凝土在耐久性方面存在的問(wèn)題，分析了水泥生產(chǎn)工藝及混凝土施工技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)的混凝土性能變化，剖析了混凝土性能對(duì)其耐久性的影響，進(jìn)而提出了解決混凝土耐久性問(wèn)題的有效途徑。
關(guān)鍵詞: 現(xiàn)代混凝土； 耐久性；建筑材料
混凝土是當(dāng)今世界用量大的建筑材料。我國(guó)混凝土使用量居，年用量達(dá)20 億t ，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展發(fā)揮了極其重要的作用。混凝土的應(yīng)用過(guò)程中暴露出許多問(wèn)題，其中尤為突出的是耐久性問(wèn)題。如不少工程在使用10～20 年后，有的甚至在使用幾年之后即需維修?；炷凉こ檀蠖嗍?性的，工程量大、耗資多，若耐久性不良將會(huì)給未來(lái)社會(huì)造成極為沉重的負(fù)擔(dān)。因此，從資金節(jié)約、資源的有效利用及環(huán)境保護(hù)等方面綜合考慮，必須深入研究混凝土的耐久性問(wèn)題。
1 重新認(rèn)識(shí)混凝土材料
1.1 歷史的啟示
首先來(lái)關(guān)注兩個(gè)事實(shí): ①20 世紀(jì)50～60 年代，受當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)條件的限制，生產(chǎn)的水泥活性小、標(biāo)號(hào)低，為滿足較低的強(qiáng)度和施工要求并大限度地節(jié)約水泥，配制混凝土的水泥用量和用水量少，拌和物流動(dòng)性小，穩(wěn)定性較好、早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，硬化后裂縫少，后期強(qiáng)度發(fā)展幅度較大，耐久性普遍較好，有的幾十年后仍在使用。②古羅馬的建筑工匠用火山灰和石灰做膠凝材料建造的“混凝土”建筑，如的萬(wàn)神殿、競(jìng)技場(chǎng)、海港、引水渡槽及浴室等，經(jīng)歷2000 多年的流水、雨雪、海水等自然因素的作用，至今仍在使用，令人驚嘆； 研究發(fā)現(xiàn)，古代“混凝土”的膠凝材料用量很少，水灰比很小(靠夯實(shí)) ，強(qiáng)度增長(zhǎng)極為緩慢，幾乎不會(huì)因干燥和溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力和裂縫。
1.2 混凝土技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，人們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)從施工到性能方面提出的要求越來(lái)越苛刻，力求施工速度快、強(qiáng)度高，水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和混凝土施工技術(shù)的進(jìn)步為此提供了可能。結(jié)果是所用水泥標(biāo)號(hào)高、活性大、用量多、水化速度快，混凝土早強(qiáng)、高強(qiáng)，彈性模量大，變形能力差；為了便于運(yùn)輸、澆搗，塌落度由過(guò)去的0～20mm 增加到180mm ，甚至更大。但是，從另一方面看，水泥生產(chǎn)工藝和混凝土施工技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的混凝土性能的變化又直接影響著混凝土的耐久性。因此，從提高混凝土耐久性的角度出發(fā)，必須重新認(rèn)識(shí)混凝土這一人造材料。
2 混凝土的性能對(duì)其耐久性的影響
2.1 強(qiáng)度與耐久性
混凝土強(qiáng)度(抗壓) 是混凝土重要的力學(xué)性能指標(biāo)，直接影響其應(yīng)用，提高混凝土的強(qiáng)度一直是人們所追求的目標(biāo)。從理論上講，混凝土的強(qiáng)度越高其結(jié)構(gòu)越致密，抵抗外部環(huán)境作用的能力越強(qiáng)，耐久性越好。但事實(shí)上并非如此。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)高強(qiáng)就必須加大水泥用量、提高水泥標(biāo)號(hào)，從而引起水化反應(yīng)劇烈，水化放熱多而快，混凝土自生收縮、干燥收縮、溫度收縮作用強(qiáng)烈，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)裂縫(紋) ，就為凍融、化學(xué)侵蝕及堿骨料反應(yīng)等劣化作用敞開(kāi)了方便之門(mén)，耐久性降低在所難免?？梢?jiàn)，混凝土強(qiáng)度過(guò)低固然對(duì)耐久性不利，但過(guò)高也會(huì)給耐久性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[ 1 ] 。這也是專家建議在我國(guó)發(fā)展C25～C30 的HPC[ 2 ]的原因之一。
2.2 流動(dòng)性與耐久性
混凝土拌和物的流動(dòng)性從10 年前70～80mm 發(fā)展到現(xiàn)在大量商品混凝土180～200mm ，實(shí)現(xiàn)了混凝土泵送和高拋，大大提高了施工效率，保證了振搗質(zhì)量，這無(wú)疑是混凝土施工技術(shù)的一大進(jìn)步。但大流動(dòng)性需要較大的用灰量和用水量，而這正是混凝土收縮裂縫產(chǎn)生的一個(gè)重要原因；雖然減水劑的使用可以保證在水灰比不變或有所降低的前提下流動(dòng)性得到改善，但拌和物的均質(zhì)性和穩(wěn)定性卻明顯變差，在運(yùn)輸、澆搗過(guò)程及成型后都容易出現(xiàn)離析、沉降、泌水現(xiàn)象，從而在骨料和水泥漿的界面，以及鋼筋與混凝土的界面形成薄弱的過(guò)渡區(qū)，混凝土硬化后，形成大量孔隙和微裂縫。這是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的根本原因。因此，從提高混凝土的耐久性考慮，不宜過(guò)分增加拌和物的流動(dòng)性，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)全面考慮，注重拌和物的工作性，流動(dòng)性的大小要服從于體積穩(wěn)定性和均質(zhì)性[ 3 ] 。
2.3 延伸性與耐久性
混凝土的延伸性與徐變、變形模量和抗拉強(qiáng)度三者存在密切關(guān)系，見(jiàn)圖1 。徐變大、變形模量小、抗拉強(qiáng)度高的混凝土延伸性較好，裂縫的開(kāi)展得以延遲和減小，并具有一定自愈能力，混凝土的耐久性好?；炷岭S著強(qiáng)度的提高，徐變松弛作用急劇減小、變形模量增大。因此盡管混凝土的抗拉強(qiáng)度伴隨抗壓強(qiáng)度的提高有所提高，但延伸性卻大大降低，開(kāi)裂的時(shí)間反而提前[ 4 ] ，裂縫開(kāi)展的寬度增加，耐久性變差了。
綜上所述，水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、混凝土施工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)混凝土性能產(chǎn)生了顯著的影響，客觀上造成了混凝土拌和物體積穩(wěn)定性下降，均質(zhì)性變差，硬化后變形能力降低；結(jié)構(gòu)本身存在著隱患，混凝土硬化期間的變形受約束而得不到徐變松弛的緩解，導(dǎo)致比以往大得多的拉應(yīng)力，二者共同作用造成混凝土裂縫不斷地?cái)U(kuò)展與連通，再加上混凝土結(jié)構(gòu)自身的孔隙缺陷，在外界環(huán)境的作用下過(guò)早劣化即耐久性下降就成為必然。
3 提高混凝土耐久性的有效途徑
盡管混凝土耐久性問(wèn)題是多種多樣的，但造成耐久性不良的原因可歸結(jié)為兩方面，一是外部環(huán)境，二是混凝土內(nèi)部缺陷及組成材料的特性。因此，提高混凝土的耐久性必須從提高結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境劣化作用能力和減少混凝土內(nèi)部缺陷及改善其組成材料的性能著手。
3.1 強(qiáng)化環(huán)境的針對(duì)性
耐久性是一個(gè)籠統(tǒng)的概念，它必須與結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境相才有明確意義。環(huán)境條件千差萬(wàn)別，抽象地說(shuō)要設(shè)計(jì)一種高耐久性混凝土顯然是不科學(xué)甚至是不可能的。因此，混凝土耐久性設(shè)計(jì)的前提是將結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境調(diào)查清楚，并從中確定哪個(gè)或哪些是主要破壞因素，進(jìn)而針對(duì)破壞因素進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。
3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)、精選材料、加強(qiáng)施工管理
更新設(shè)計(jì)觀念，正確認(rèn)識(shí)混凝土強(qiáng)度與耐久性之間的關(guān)系，改變長(zhǎng)期以來(lái)沿襲的“混凝土強(qiáng)度越高越耐久”的觀念，選擇適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，做到耐久性與強(qiáng)度兼顧；嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量，改變“水泥用量越多越耐久”的觀念，在保證拌和物具有良好工作性的前提下來(lái)滿足流動(dòng)性要求。選材方面應(yīng)根據(jù)工程所處的環(huán)境合理選擇水泥品種，選用質(zhì)量良好、技術(shù)條件合格的砂和石骨料，提高其粒形和級(jí)配品質(zhì)參數(shù)。施工方面應(yīng)強(qiáng)化管理，混凝土要攪拌均勻、澆灌和振搗密實(shí)，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。
3.3 摻入活性礦物摻和料和外加劑
實(shí)踐證明，在水泥中摻入硅灰、粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物摻和料，在保證強(qiáng)度的同時(shí)可降低水化熱和收縮應(yīng)力，提高混凝土的抗裂性；二次水化產(chǎn)物能堵塞水泥石中的孔隙，阻斷滲透通路，提高混凝土的抗?jié)B性及抗凍性、抗侵蝕性，避免堿骨料反應(yīng)。某些超細(xì)礦物摻和料還能改善骨料和水泥石的界面結(jié)構(gòu)及界面區(qū)性能。此舉既利用了廢物、降低了成本，又可減少混凝土的裂縫和孔隙率，對(duì)提高混凝土的耐久性有本質(zhì)性的貢獻(xiàn)，可謂一舉多得。外加劑作為混凝土的第五組分，其中的某些品種(引氣劑、防水劑、阻銹劑等) 對(duì)提高混凝土的耐久性效果明顯，但在我國(guó)外加劑的應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平。因此，應(yīng)提倡科學(xué)、合理、廣泛地使用外加劑，使其更好地為提高混凝土的耐久性服務(wù)。
3.4 建立完善的混凝土耐久性檢測(cè)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)
研制一套強(qiáng)化快速試驗(yàn)系統(tǒng)，使之能夠比較客觀地反映使用環(huán)境下混凝土的主要破壞因素及其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并能與實(shí)際結(jié)構(gòu)的檢測(cè)相互印證，對(duì)混凝土的劣化狀態(tài)做出科學(xué)評(píng)價(jià)，并據(jù)此采取切實(shí)有效的維修措施，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。在這方面，歐美國(guó)家及日本的研究成果值得借鑒。
4 結(jié) 語(yǔ)
由于混凝土原材料的復(fù)雜多變，施工條件的波動(dòng)，混凝土結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜與不斷發(fā)展，環(huán)境條件的多樣性和復(fù)合作用等，造成混凝土耐久性研究的高度復(fù)雜性。筆者認(rèn)為，水泥生產(chǎn)工藝及混凝土施工技術(shù)發(fā)展引起的混凝土性能的變化，是導(dǎo)致混凝土耐久性不良的重要原因。消除傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的某些誤區(qū)，針對(duì)環(huán)境條件從配合比設(shè)計(jì)、材料選擇、施工管理、檢測(cè)預(yù)測(cè)等方面采取綜合措施，才能從根本上提高混凝土的耐久性。
參考文獻(xiàn):
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