水分对普通混凝土性能的影响

荆可歆（甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

水是混凝土的重要组成材料。水分从与水泥、砂、石按一定比例拌和成混凝土浆开始，到硬化混凝土完成结构使命，直至完全破坏为止，水分在其中始终扮演着重要角色，发挥着重要作用。水使水泥水化成为凝胶体，并赋予混凝土拌合物浇注时的和易性；空隙水的含量对混凝土的长期强度有显著影响；水也是混凝土发生收缩开裂的主要原因；一些有害介质（如氯盐、硫酸盐、镁盐等）是通过水渗入混凝土内部造成其性能劣化，也可使混凝土中的钢筋锈蚀，加速钢筋混凝土结构的破坏；饱水混凝土在冻结时，孔隙水结冰对混凝土产生膨胀应力，使结构发生冻融损害；水的存在也是混凝土碳化、碱骨料反应的条件。本文讨论水分对混凝土主要性能的影响。

1 混凝土中水的存在方式

硬化水泥石结构中存在的水分有游离水、毛细孔水、凝胶水和结晶水四类。游离水存在于各种固体颗粒之间，赋予混凝土拌合物流动性，提供混凝土中水泥水化、维持与外界使用环境湿度下相平衡的含水量，这些水分在负温下可冻结。毛细孔水存在于毛细孔中，相对游离水容易保存，提供混水泥后期水化所需的水分。凝胶水存在于各种水化物中，如C-S-H凝胶水等，在自然条件下不结冰。结晶水是水化产物Ca(OH)2和钙矾石等晶体中所存有的水分，也是不冻结水。

混凝土硬化后，多余的水分要么存在于内部，要么蒸发出来。在混凝土体内形成孔隙和毛细管通道，改变了混凝土的微观结构。混凝土内部的水分可与水泥进行二次水化反应，提高其密实程度。另外，当混凝土表面的细微裂缝与水接触，水与此处未水化的水泥颗粒水化或裸露的Ca(OH)2发生碳化形成CaCO3，从而使得裂缝自愈合。

2 水分在混凝土内部的运动规律

由于水泥石中存在可溶性离子，所以混凝土中的水分不是纯水，而是水溶液。含有侵蚀介质的水溶液在混凝土内部的运动是一个复杂过程，总体有三种侵入方式：渗透、毛细吸附和扩散。这三种方式所需的一个共同条件就是在混凝土孔隙里必须有水分存在。

3 水分对混凝土浆和易性的影响

水分对混凝土拌合物和易性的影响主要体现在单位用水量上。保持水灰比不变，单位用水量实际决定了水泥浆的数量多少。单位用水量少时，水泥浆数量少，集料颗粒之间缺少足够的粘结物质，混凝土拌合物的粘聚性较差，易出现混凝土拌合物的离析和崩塌现象，混凝土本身不易密实成型；单位用水量过多时，水泥浆数量过多，将会出现流浆现象，混凝土拌合物的粘聚性和保水性常常随之恶化，产生严重的泌水、分层、流浆，致使混凝土拌合物产生离析。

试验表明，采用一定集料时，如果保持单位水量不变，在实用范围内，单位水泥用量增减不超过50～100kg，混凝土拌合物的坍落度可大致保持不变。这个规律即“李斯恒用水量定则”，它给混凝土配合比设计带来方便，即通过固定单位用水量，混凝土拌合物的坍落度基本保持不变，在此条件下适当变化水灰比，就可配制出不同强度而坍落度相近的混凝土。

在实际工程中，常常通过添加适当的外加剂来调节水分对混凝土拌合物和易性的影响。

4 水分对混凝土强度的影响

“水灰比定则”表明水泥强度和水灰比是影响混凝土强度的最主要因素。

仅从水灰比来看，水泥充分水化所需的水灰比在23%左右。但实际上，以这样的水灰比拌制混凝土时，混合料过于干硬，即使在一定的振捣条件下也难以成型密实，混凝土存在较大的孔隙率，强度下降。所以常加入较多的水分以使混凝土拌合物获得必要的流动性。但当用水量较大时，即使充分捣实的混凝土，也会由于硬化过程中部分水分的损失而形成了一些孔的结构，并有部分水分残留在混凝土中形成孔穴或蒸发后形成气孔。它们大大减少了混凝土抵抗荷载的有效截面，且还有可能在孔隙周围产生应力集中，降低混凝土强度。

用水量过多，也容易导致水泥混凝土收缩裂缝的产生，严重降低混凝土强度和耐久性。

5 水分对混凝土耐久性的影响

5.1 水分对混凝土的物理作用

1）气蚀

在水工工程中，流动的水会因气蚀而对混凝土造成损坏。当水流不稳定并且与混凝土表面不成切面时会产生气蚀，致使混凝土表面反复不断地遭受局部的高能量冲击，这种冲击压力可高达700MPa，使混凝土表面出现孔状剥落，造成表面粗糙而不均匀，并进一步加剧混凝土的损坏。

2）液态 — 固态转化

混凝土内部的水分结冰时体积膨胀达9%，因此，如果混凝土毛细孔水含量饱和或接近饱和时，发生冰冻后，孔壁将会受到很大的压力而出现裂缝。经多次冻融循环，这种应力反复作用导致裂缝不断的加剧扩大和深入，混凝土便逐步破坏。

3）液态 — 气态转化

在建筑物发生火灾时，混凝土中的自由水、毛细孔水，甚至一部分结晶水都在高温下由液态变成气态，体积急剧增大。当水蒸气的压力达到一定程度时，会使混凝土发生爆炸；另外，当建筑物内外的温度差和湿度差很大时，混凝土壳体的内外层不断发生液态水与气态水的交换，使混凝土内部形成更多的毛细管通道。

5.2 水分对混凝土的化学侵蚀作用

1）淡水侵蚀与酸性水侵蚀

在流动淡水或有压力淡水环境下，水泥石中的Ca(OH)2溶解度较其他水化物大，很容易被水溶解并带走。随着Ca(OH)2不断被水溶解并带走，混凝土孔隙率逐步增大，强度逐渐降低。后来碱性高的水化硅酸钙、水化铝酸钙、钙矾石等晶体也相继分解，直至水泥石崩裂破坏。

当水溶液中有一些酸类时，他们在水中完全或部分分解成H+离子和酸根R-离子。H+离子和水泥石中Ca(OH)2的OH-离子结合成H2O，Ca2+酸根R-离子结合形成钙盐CaR2，消耗了水泥石中的Ca(OH)2，也会导致其他水化产物的分解。

2）混凝土碱骨料反应

碱骨料反应是混凝土原材料中的碱（Na2O或K2O）与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后若干年（数年至几十年）逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土内部产生应力，膨胀开裂，导致混凝土失去设计性能。碱骨料反应包括碱与二氧化硅或碱与碳酸盐的反应。

在碱与二氧化硅的反应中，生成具有胶凝能力的凝胶，它吸收大量的水分导致凝胶膨胀，混凝土开裂。

2ROH+nSiO2—R2O·nSiO2·H2O

在碱与碳酸盐（含有少量黏土白云石）的反应中，反应生成物与水泥石中的Mg(OH)2继续反应生成ROH，循环往复进行。反应本身体积并不膨胀，而是碳酸盐包裹的黏土暴露出来吸收水分，导致膨胀破坏的。

CaCO3·MgCO3+2ROH—Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3

R2CO3+Ca(OH)2—2ROH+CaCO3

在混凝土结构工作过程中没有水的条件下，则没有碱骨料反应的环境。即使这种反应已经发展到对混凝土造成伤害，但只要维持混凝土的干燥，就可将该反应中止。

3）硫酸盐侵蚀

大气中、水中或土壤中都可能含有硫酸盐类物质。硫酸盐对水泥混凝土的腐蚀，主要是溶液中的SO42-和水泥石中的水化铝酸钙反应生成体积剧烈膨胀的钙矾石，导致混凝土开裂的过程。在这个其中，水分仍然是反应的主要成分和载体。

4）水分对混凝土中钢筋的锈蚀作用

（1）水分对钢筋的锈蚀作用

研究混凝土耐久性时，钢筋锈蚀是一个主要方面，其受很多因素的影响，其中混凝土中的水分是一个很重要的因素。

钢筋锈蚀只有在水和氧都存在的条件下才能发生。钢筋开始锈蚀时，电子从阳极区域的铁分子中脱离，向阴极移动；氧与水反应形成的氢氧根离子（OH-）与铁离子（Fe2+）生成氢氧化亚铁，再进一步形成氢氧化铁，最后生成铁锈。

阳极：Fe—2e-+Fe2+

阴极：O2+2H2O+2e-—4OH-

从上述反应可看出，水直接参与了钢筋的锈蚀反应，是反应物之一；另外，水是电子从阳极移动到阴极的载体。所以，水是钢筋锈蚀的必要条件。

如果携带氯离子的水分进入到混凝土内部，当钢筋表面的氯离子浓度达到一定程度时，孔隙中的含有盐类的水就会起到电极的作用而引发钢筋锈蚀。

Fe2++2Cl-+4H2O—FeCl2·4H2O

FeCl2·4H2O—Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O

在富氧条件下，Fe(OH)2进一步被氧化成Fe(OH)3

Fe(OH)2+2H2O+2O2—Fe(OH)3

水是该过程中形成电化学电池不可缺少的物质。若混凝土结构处于完全干燥环境中，即使钢筋表面氯离子浓度较高，钢筋也很难开始锈蚀。

（2）水分对钢筋的锈蚀速率的影响

混凝土中的水分对钢筋锈蚀有双重作用：一方面影响混凝土中氧气的扩散速度，另一方面则影响混凝土的电导率。水分越多，混凝土的导电性越好，钢筋的电化学锈蚀就越快。大多数混凝土结构构件处于干燥环境下，服役几十年也不会发生钢筋锈蚀。而当结构构件处于湿度较大的环境下，尤其是处于干湿交替的环境或漏雨、渗水部位，钢筋锈蚀一般较快。

6 结语

水是混凝土重要的组成成分。它是水泥水化的反应物，并生成产生强度的水化物；它赋予新拌混凝土浆施工和易性，养护时也确保了混凝土的正常硬化。硬化混凝土特殊的微观结构是水分可以在其内部自由移动，同时也导致有害介质进入混凝土内部并扩散，给碳化、冻融循环、碱骨料反应、水泥石腐蚀以及钢筋锈蚀提供了反应条件和环境，并成为载体。充分认识这些问题，对于提高或改善混凝土性能，在一定条件下尽量避免水分对混凝土的破坏会有帮助。正确把握水分对混凝土主要性能的影响，对于提高混凝土的使用性能和延长使用寿命都具有重要意义。

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