混凝土组成材料对混凝土耐久性的影响

高 飞（常德职业技术学院，湖南 常德415000）

混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，在设计施工中往往把混凝土的抗压强度作为主要技术指标而对混凝土的耐久性重视不够[1]。

混凝土是各类建筑工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一。如果混凝土工程耐久性不足，在长期使用过程中会造成结构不同程度的损坏，并因此对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万美元，每年所需维修费或重建费用约3千亿美元。美国对二战前后修建的混凝土工程，在使用30～50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%～50%以上[2]。中国50～60年代所建设的混凝土工程已使用40余年，如果我国混凝土工程的平均寿命30～50年计，在今后的10～30年内，为了维修建国以来所建基础设施的费用，将是极其巨大的。

目前，我国的基础设施建设工程规模宏大，每年投资高达2万亿元人民币以上，约30～50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用或重建费将更加巨大。因此提高混凝土的耐久性，对延长混凝土建筑物的使用年限、节约国家投资，具有重要的现实意义和长远意义。

混凝土的耐久性是指组成混凝土的材料在使用过程中或在其结构设计使用年限内，抵抗其自身及环境因素造成的侵蚀和破坏，保持原有性能不变的能力。吴中伟指出混凝土耐久性是一个综合概念，主要指抗渗性、抗冻性、抗碳性、抗化学侵蚀及碱集料反应等多种破坏因素的综合作用[3、4]。蒲心诚认为以波特兰水泥为基础的现代低强度混凝土要提高其耐久性，在于改善其结构和优化其水化产物组成两方面。而在实际工作中则要求混凝土组成材料质量、配合比、施工养护及结构设计等四方面密切配合才能从整体上保证混凝土耐久性。

造成混凝土损坏和破坏的原因有外部环境条件、混凝土内部缺陷及混凝土组成材料。提高混凝土的耐久性必须从减少混凝土内部缺陷和改善其组成材料着手，以改善混凝土性能，提高混凝土质量，减少或降低混凝土内部缺陷，延长混凝土建筑物的使用年限。

1 混凝土组成材料对耐久性的影响

1.1 水泥

1.1.1 水泥强度

随着现代混凝土高强度需求的不断提高，我国实行水泥新标准GB175-2007取代相应旧标准后，对水泥的强度进一步提高，迫使水泥厂以提高C3S和比表面积来提高水泥的强度，形成了所谓的“三高”水泥。

近年来国外许多专家根据实际调查研究认为，混凝土结构不断增多的开裂现象与上述趋势有关，认为增加C3S含量和细度，虽能提高早期强度，但对混凝土的耐久性、体积稳定性和工作性能并无好处。“高细度、高C3S含量、高强度”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响越来越大。

“三高”水泥，加上现代混凝土的低水胶比、高水泥用量，一方面造成混凝土的温度收缩、自收缩和干燥收缩增加，抗裂性下降、混凝土的微结构不良、抗腐蚀性差。另一方面，混凝土早期强度的提高使得混凝土早期弹性模量提高，受约束时产生较大的内应力。同时混凝土早期强度提高使得其早期徐变减少，无法缓解这种应力，而产生早期裂缝。内部不可见的微裂缝在混凝土长期使用过程中继续发展，造成混凝土耐久性降低，对混凝土长期性能极为不利。

1.1.2 水泥含碱量

对水泥含碱量的控制，以往主要从控制碱骨料反应的角度提出要求。但工程实践发现，不管是否有活性骨料存在，碱的影响首先表现在增加混凝土的开裂倾向。美国垦务局的R.Burrows曾对104种大坝混凝土面板进行了53年的调查研究，发现尽管有活性骨料且水泥具有高含碱量，但开裂处却没有碱骨料反应产物，混凝土也并没有膨胀，说明这种开裂首先是由于水泥的高含碱量所引起的收缩，而不是碱骨料反应。低碱水泥能降低混凝土的收缩变形[5]，当含碱量低于0.6%Na2O当量时，水泥抗裂性明显增加。

1.2 砂、石集料

选择质量、级配良好、技术条件合格的砂、石集料，是保证混凝土耐久性的重要条件。在骨料的相关技术参数中，我国工程界相对看重的是骨料强度和含泥量等指标，而忽视了骨料粒形和级配对混凝土强度及耐久性的影响。级配良好的骨料，能减小混凝土孔隙率，提高混凝土密实度，对减小水泥浆用量，提高混凝土的体积稳定性，减少混凝土的收缩变形等，起着重要作用[1][2]。

一般天然骨料的强度，对于普通混凝土来说是足够的，而骨料的其他性能如吸水性、热膨胀系数等对混凝土耐久性则有重要影响。吸水率大的骨料，配制的混凝土会有较大的长期收缩，从而影响混凝土的抗裂性。

对粗集料而言，粗骨料的级配和粒形不好，必然要加大混凝土的胶凝材料总量和用水量，不仅增加混凝土的收缩，而且会增加混凝土的渗透性和有害介质在混凝土中的扩散系数，降低混凝土耐久性。当级配满足要求，主要考虑混凝土强度因素时，可在允许的最大粒径范围内尽量选用较大粒径；但当耐久性作为主要因素考虑时，骨料的最大粒径尽量取小一些，最大粒径较小时，混凝土的抗渗性提高；此外，粗骨料中应尽量减少针、片状颗粒及活性骨料的存在，以提高混凝土强度，减少混凝土因变形、胀缩及碱-骨料反应等引起的混凝土劣化，这都有助于提高混凝土的耐久性。

1.3 活性矿物掺料

普通混凝土的水泥石中水化物稳定性不足，是混凝土不能超耐久的另一因素。冯乃谦、蒲心诚等学者认为，活性矿物粉体加入普通混凝土以后，具有微观填充作用，能够填充水泥颗粒间和界面的空隙，使水泥石结构和界面结构更为致密，阻断了可能形成的渗透通道，使混凝土抗渗性大幅提高，水和侵蚀介质难以进入混凝土内部。从而大幅提高了混凝土的耐久性。更重要的是，由于火山灰活性成分反应的进行，游离石灰不但可以减少或消除，而且增加了低碱性水化硅酸钙，使水泥石中胶凝物质质量及数量得到提高，并且水泥石与骨料的界面结构和界面区性能也得到大幅改善，因此混凝土的强度、抗渗性以及耐久性均得以大幅提高。

研究表明将粉煤灰、矿渣粉和硅粉等复合使用，能弥补单掺之不足，各组分颗粒形态、细度、化学组成均有不同，能产生相互紧密填充、相互激发、相互补充，对水泥石的孔隙及界面结构产生复合效应，提高混凝土致密性、降低碳化对混凝土的负面影响。为有效改善混凝土抗化学侵蚀性能，粉煤灰最佳替代量一般应在20%以上。但是大掺量矿物掺合料混凝土只有在低水胶比时才能提高混凝土强度及耐久性。

1.4 混凝土外加剂

混凝土外加剂掺加量小，对混凝土性能改善作用大，在混凝土中合理掺加具有减水率高、坍落度损失小、适量引气、能明显改善或提高混凝土耐久性[8]。合理的使用外加剂及矿物细粉能保持混凝土拌合物较高施工性能，并能大幅度的降低水胶比，减少混凝土水及水泥用量，改善混凝土内部孔隙结构，对提高混凝土强度、抗掺性、抗冻性、抗侵蚀性均有良好效果。

2 混凝土组成材料配合比对耐久性的影响

混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量的限制，是混凝土设计施工标准中为保证混凝土耐久性的常用做法。

2.1 控制混凝土的水胶比

水胶比的大小是决定混凝土密实性的主要因素，它不但影响混凝土的强度，而且也严重影响其耐久性。人们总认为[2]大体积混凝土的温升直接与水泥用量成正比，而忽视了水胶比的影响，实际上随着水胶比降低，水泥水化速度迅速降低，单位质量水泥水化放热随之降低，对混凝土温差引起的体积稳定性问题大有帮助。低水胶比能提高混凝土的密实度，增强体积稳定性，提高混凝土综合性能[6]；水胶比过大必然会使混凝土裂缝及变形增加，过大的水胶比尤其不利于使用矿物掺和料混凝土的内部微结构发展，同时严重影响混凝土的耐久性与强度。故必须根据工程实际情况严格控制水胶比，一般情况下现代混凝土通过外加剂及矿物细粉复配技术可以使水胶比控制在0.4左右甚至更低，当然水胶比降低，混凝土表面易因自干燥收缩产生裂缝，因此低水胶比混凝土应及时进行养护。

2.2 控制混凝土的浆骨比

混凝土中胶凝材料的用量是决定混凝土强度及耐久性的重要因素。减少单方混凝土中胶凝材料用量有利于降低混凝土的渗透性能，减少收缩量，保证混凝土的体积稳定性，提高混凝土耐久性。我国对低水胶比混凝土的胶凝材料用量过去一直偏高，甚至有高到550kg/m3以上的，而国外有规程规定胶凝材料用量不应超过475kg/m3。

通过控制浆骨比可以控制混凝土中胶凝材料的用量，如前所述保持和控制混凝土浆骨比的稳定必然要保证骨料级配良好，含泥量低。浆骨比过小，将导致混凝土拌合物施工性能过差，混凝土密实度严重降低，耐久性下降；浆骨比过大，除改变骨料界面结构，使混凝土强度降低外，水泥及用水量的增加，会导致混凝土硬化过程中收缩增大，混凝土表面及内部裂缝增加，造成混凝土耐久性过早降低。因此在实际工程中应严格控制浆骨比来保证混凝土的长期性能稳定。

3 结语

“工程质量、百年大计”，混凝土耐久性是影响工程使用寿命的主要问题，应针对影响混凝土耐久性的主要因素：混凝土组成材料自身及环境因素造成的抗渗性降低、冻融破坏、碳化破坏、介质侵蚀破坏、碱集料反应、钢筋锈蚀等的复合侵蚀和破坏的作用，从提高和改善混凝土组成材料及其配比入手，结合工程具体情况采取如下措施，提高混凝土耐久性。

①合理选择使用碱含量小、水化热低，干缩性小、抗腐蚀性、抗冻性能好的水泥品种；②合理的掺加活性矿物掺料与外加剂，不盲目追求工程工期及混凝土的高早期强度；③选择粒形、级配良好的骨料。④加强混凝土结构设计，保证混凝土组成材料质量及配比合理的同时，加强混凝土浇捣与养护，采用新技术、新成果。只有多方面工作相互配合，多管齐下，才能从整体上改进和提高混凝土的耐久性，延长混凝土结构的使用寿命。

[1]莆心诚.超高强高性能混凝土[M].重庆:重庆大学出版社,2004.7-27

[2]吴中伟，廉慧珍. 高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.27-32

[3]卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑.1997,27(5):1-6

[4]吴中伟 混凝土耐久性综合症及其防治[J].混凝土.1991,4:4-8

[5]威德曼德F.H.Wittmann编著，冯乃谦译.高性能混凝土—材料特性与设计[M].北京:中国铁道出版社,1997.21-23

[6]李继业，刘福胜.新型混凝土实用技术[M].化学工业出版社.北京.2005，1-18