提高混凝土耐久性的措施

2020-01-12戴丽金

河南建材 2020年10期

戴丽金

福建省顺安建筑工程有限公司（351200）

1 影响混凝土耐久性的主要因素

混凝土由水泥、水、石灰、碎石骨料等拌和而成。在施工过程中，为了确保混凝土的坍落度等指标符合标准要求，常常在预制混凝土时加入减水剂、缓凝剂、早强剂、防水剂等外加剂，以此提高混凝土强度、抗腐蚀性、抗渗性、抗碳化性及抗磨性。但在碳化反应、冻融环境、化学物质侵蚀作用下，混凝土耐久性极易受到影响，导致混凝土强度下降，或者混凝土结构的局部区域出现裂缝、孔洞、脱落等现象，严重的还会给混凝土建筑带来致命性打击。

1.1 碳化反应的影响因素

由于空气中含有氮气、氧气、氦气、二氧化碳等成分，当空气中的二氧化碳气体与混凝土结构接触后，一部分二氧化碳将渗入混凝土的内部结构，而混凝土的化学成分当中含有氢氧化钙，当氢氧化钙与二氧化碳结合后，极易发生化学反应，生成碳酸钙，反应式为:CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O。此时，碳酸盐中和了混凝土结构中的碱性物质，致使氢氧化钙含量降低，从而使附着在钢筋表面的钝化防护膜受到破坏，导致钢筋锈蚀而降低甚至失去保护作用。另外，在发生碳化反应时，混凝土内部的气相、液相与固相将形成一个完整而复杂的化学反应链，促使混凝土结构的收缩。当收缩应力超过混凝土结构的承载应力时，混凝土表面就会出现开裂的情况，混凝土的强度将大幅降低，耐久性能将持续递减[1]。

1.2 冻融环境的影响因素

冻融是指混凝土结构由于温度降到零度以下和升至零摄氏度以上而产生冻结和融化的一种物理现象。在冻结与融化的交替作用下，混凝土结构常常受到两种破坏应力的影响，导致使用寿命缩短。第一种是外界温度降到零摄氏度以下时，混凝土内部的毛细孔水的物态特征发生变化，即由液态水转变成为固态冰。这时，混凝土结构体积膨胀率将达到9%，随着膨胀应力的逐步扩散，毛细孔壁周围的混凝土结构就会产生拉应力，而加快了混凝土裂缝的产生速度。第二种是混凝土结构的毛细孔水转变成固态冰时，凝胶孔中的冷水发生迁移，而产生渗管压力，在冻结与融化的交替作用下，压力值经过逐步累积而达到混凝土结构的承载负荷极限，这时，混凝土表面就会出现大量的相互连通、纵横交错的裂缝，使混凝土强度大幅降低，严重的还会引发开裂、脱落等安全事故。

1.3 化学侵蚀的影响因素

化学侵蚀的主要介质包括硫酸盐、酸性物质以及碱性物质，当这些化学物质与混凝土结构直接接触后，将对混凝土表面与内部结构产生侵蚀作用。如日常生活中常见的酸雨，酸雨与混凝土结构中的组成物质发生化学反应后，经过一段时间后，混凝土内部结构的微观形态就会发生改变，导致强度下降，从而影响耐久性。此外，风沙、超高温天气、机械磨损等不可预知因素的影响，也会缩短混凝土结构的使用寿命。

1.3.1 硫酸盐侵蚀

水泥是混凝土的重要成分。水泥当中含有大量的氢氧化钙，一旦氢氧化钙与硫酸钠、硫酸镁等硫酸盐结合后，彼此之间极易发生化学反应，生成硫铝酸钙及石膏等物质。这些物质将导致混凝土膨胀系数增大，当膨胀系数达到极限值时，混凝土内部结构将被胀裂，出现裂缝现象。另外，水泥中的氢氧化钙与硫酸镁发生化学反应时，生成物中含有氢氧化镁成分，这一成分将直接降低混凝土的碱度，产生分解性腐蚀作用，进而影响混凝土结构的耐久性。

1.3.2 酸性物质侵蚀

较为常见的酸性物质主要包括氧离子、氮气、硫化氢等。当水泥中的氢氧化钙与这些酸性离子发生化学反应时，混凝土结构体积就会发生膨胀现象，导致内部混凝土性状发生改变，混凝土体积松散。一旦生成物与空气中的水结合后，还会发生水解粉化反应，这不仅影响混凝土的结构强度，导致安全性能也大打折扣。

1.3.3 碱性物质侵蚀

碱性物质的侵蚀作用一般分为两大类，即物理结晶侵蚀与化学侵蚀。当液态碱性物质与混凝土混合后，碱性物质极易渗入混凝土缝隙当中，与混凝土成分产生结晶作用，这些结晶体将加快混凝土的膨胀速度，使混凝土结构与性状发生改变。化学侵蚀是水泥中的水化物与液态碱发生化学反应，生成物将促使混凝土结构的胶结力减弱，导致混凝土强度下降。如利用碱性水配置混凝土，能够使钢筋表面的钝化膜厚度增加，钢筋受到侵蚀的概率减小。由于混凝土与碱性水极易产生化学反应，混凝土的膨胀系数增大，这就会影响混凝土的强度与耐久性，严重的还会发生安全事故。

2 提高混凝土耐久性的有效措施

提高混凝土耐久性，首先应当提高混凝土的抗裂性与密实性。这就需要工程技术人员在设计水、水泥、骨料等成分的配合比时，严格遵照GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计规范》的要求，从材料选择、施工技术、日常养护等方面着手，使混凝土的使用寿命满足耐久性的设计标准要求。

2.1 合理选择原材料

混凝土的主要原材料包括水泥、集料、外加剂及掺合料等。在选择水泥品种时，需要着重考虑水泥的水化热、干缩性、耐热性及含碱量等。为了提高混凝土强度，应当选择含碱量小、水化热低、干缩性小、抗热性与抗冻性好的水泥，不能仅仅考虑水泥的强度指标，因为一些低标号的水泥也可以配制出高标号的混凝土。

在选择混凝土集料时，需要着重考虑集料的耐腐蚀性与吸水性，选择合理的级配碎石，以改善混凝土的和易性，提升混凝土密实度，延长混凝土的使用寿命。混凝土的耐久性与掺合料的选择密切相关。目前，混凝土掺合料主要包括粉煤灰、矿渣及硅粉等混合材料。这些材料在改善混凝土性能方面发挥着至关重要的作用。因此，合理选择原材料是提高混凝土耐久性首先需要考虑的问题。

2.2 提高混凝土的抗碳化能力

为了避免空气中的二氧化碳与水泥中的氢氧化钙等物质发生化学反应，可以采取减缓二氧化碳渗透速度或者阻止二氧化碳渗透路径的方法。首先对碳化机理进行分析，当二氧化碳进入混凝土内部结构时，混凝土将形成外部完全碳化区、中间碳化反应区以及内部未碳化区三个区域。每一个区域的pH值及二氧化碳浓度均存在明显差异。完全碳化区的pH值一般介于10.5～11，根据费克第一定律可以计算出该区域的碳化深度。计算公式是x=at1/2，其中x表示碳化深度，a表示碳化系数，t表示碳化时间。根据已知条件，能够计算出多年以后混凝土的碳化深度，根据碳化深度可以获得粉煤灰等掺和物的用量多少。如使用粉煤灰水泥，其标号不得大于C30，水灰比应高于0.6。如果水泥用量不变，利用粉煤灰来取代部分砂子，能够大幅提高混凝土的抗碳化能力，混凝土的耐久性也会随之提升[2]。

2.3 提高混凝土的抗冻能力

除了选择抗冻性能好的骨料外，还可以通过加入引气剂与减水剂的方法，来改善混凝土抗冻性能。以某混凝土建筑工程为例，在配制混凝土过程中，混凝土的配合比为:水∶水泥∶碎石∶砂∶引气剂∶粉煤灰∶矿渣∶减水剂=150∶200∶1036∶870∶4∶100∶130∶13。虽然引气剂与减水剂的含量较少，但是混凝土内部结构能够始终保持良好的气泡参数。由此可见，引气混凝土的抗冻能力远高于不引气混凝土。