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混凝土耐久性的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題

更新時(shí)間:2014-07-11      瀏覽次數(shù):2515

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?;炷恋膽?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(mǎn)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。可見(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(zhuān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)念,在保證拌和物具有良好工作性的前提下來(lái)滿(mǎn)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(guān)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):

[1 ]  黃士元. 混凝土早期裂紋的成因及防治[J ] . 混凝土,2000 (7) : 3~5.

[2 ]  習(xí)志臻. 粉煤灰高性能混凝土[J ] . 混凝土,1999 (4) : 17 ~18.

[3 ]  廉慧珍. 對(duì)“高性能混凝土”十年來(lái)推廣應(yīng)用的反思[J ] . 混凝土,2003 (7) : 10~13.

[4 ]  覃維祖. 混凝土性能對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性與安全性的影響[J ] . 混凝土,2002 (6) : 3~5.

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