混凝土水害问题探析

2020-02-15

江西建材 2020年5期

山西五建集团有限公司，山西太原 030013

1 前言

混凝土是一种由胶凝材料（其中最广泛使用的是水泥）、粗骨料、细骨料、水、掺和料和外加剂等材料按一定比例配制，经过拌合、浇筑塑形和养护等工艺，硬化形成的人造石材。混凝土具有优良的抗压性能，目前配置C80 混凝土技术已经比较成熟。发展高和高性能混凝土是混凝土研究的主要方向。混凝土与钢材弹性模量非常接近，因此能够与钢材协同工作，发展成为当代最主要的土木工程材料之一。混凝土拌制离不开水，养护也需要水。水对混凝土也具有反作用，需要采取多种措施预防混凝土水害发生。

2 水泥、水、混凝土

水泥是混凝土主要的胶凝材料。水泥品种不同，其化学成分也各不相同。硅酸盐类水泥主要化学成分是三氧化二铝Al2O3、三氧化二铁Fe2O3、二氧化硅SiO2、和氧化钙CaO，主要矿物成分是铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3简式C4AF）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简式C3A）、硅酸二钙（2CaO·SiO2，简式C2S）、，硅酸三钙（3CaO·SiO2，简式C3S）、。地球上水以气态、固态和液态的形式广泛存在，液态水覆盖面积约占地球表面积的四分之三。常态下水的纯净物是透明状无色无味的液体，主要成分是H2O。由于水与其他物质不可避免地接触，发生了水化、水解、电离等作用，导致水中不同程度溶解着各种盐类化合物，充斥着各种带电离子。天然水中最常见有碳酸根离子（CO32-）、碳酸氢根离子（HCO3-）、硫酸根离子（SO42-）、氯离子（Cl-）、硝酸根离子（NO3-）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、以及及其他一些离子。水泥与水混合后，在凝结硬化的过程中，中间物有3CaO 2SiO2H2O、3CaO Al2O36H2O、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O、CaO·Fe2O3·H2O 和Ca（OH）2，发生的是水化折叠反应，生成的混凝土是一种成分非常复杂的非匀质多孔性材料。

3 水对混凝土材料的影响

（1）通过水泥与水反应产物分析，混凝土中水泥石主要组成物质是各种水合物及Ca（OH）2。水合物在不同环境温度下，形态会发生变化，体积也会随之发生变化。在较高温下水化时，Ca（OH）2、水化硫铝（铁）酸钙（三硫型和单硫型）的成分变化不大，但晶体尺寸将较大［1］。

（2）水在混凝土形成过程中发挥着重要作用，在后期强度形成过程中同样不可或缺。一般认为，混凝土在标准养护条件下（20±2℃、湿度为95%的标养室或不流动的饱和Ca（OH）2溶液中）养护28d［2］，能够达到100%的设计强度。但水化作用是一个缓慢的过程，可能会伴随混凝土的一生，与混凝土的干湿状况有很大关系。为了防止混凝土凝固过程中表面产生收缩裂缝，还需要加强混凝土表面洒水养护。

4 混凝土中水的存在形式

（1）结晶水。水分子与其他分子水合在一起，以结晶水形式存在于混凝土内部。以结晶状态存在的水相对比较稳定。

（2）吸附水。吸附水也称凝胶水，存在于胶凝材料中。因凝胶材料的孔隙多且小，这部分水存量多，存在状态也比较稳定。

（3）毛细水。毛细水存在于混凝土毛细孔中，在低温下能够被冻结。根据毛细水冻结的相关理论公式［3］，毛细水冻结温度与毛细水的密度、表面张力以及毛细管的曲率半径有关。水的密度、水的表面张力以及毛细管的曲率半径不同，毛细水的冰点也不相同。也就是说，影响毛细水冻结的因素主要有两个：一个是水的性质，另一个是混凝土自身结构的密室程度。

（4）游离水。游离水存在于固体颗粒之间的的封闭空腔中，也称自由水。由于混凝土特殊的多孔结构，游离水在混凝土存量较大。游离水在低温下能够被冻结，常温下容易蒸发，高温下则被汽化，因此低温、常温和高温条件下都会对混凝土都会产生不利影响。游离水在冻结和汽化时因体积膨胀而产生内压，常温蒸发后则在混凝土内部形成空腔，对混凝土结构强度造成削弱，降低混凝土的耐久性和其他性能。

5 水对混凝土的破坏

5.1 物理性腐蚀

（1）普通混凝土的非匀质多孔结构，容易被环境水渗透。混凝土充水后在冷热交替作用下，反复发生冻融破坏。毛细水能够在毛细管中逆重力方向移动，加速渗透和破坏过程。

（2）盐类溶液渗透到混凝土表面的裂隙和毛细孔中，由于干湿交替，盐类溶液低温蒸发浓缩，析出白毛状或梭柱状结晶，对裂隙和毛细管产生内压，引发盐类结晶性胀裂，促使混凝土由表及里，逐层破裂疏松脱落［4］。

5.2 化学性腐蚀

（1）水中SO42-浓度过高时，SO42-与水泥石中的Ca（OH）2发生反应，生成难溶的CaSO4和石膏。发生反应后较发生反应前体积增大，产生内部压应力，造成混凝土破坏。但是，当SO42-浓度过低时，水泥石中的铝酸三钙与Ca（OH）2、SO42-发生反应，反应后生成固相硫铝酸钙晶体，体积增大较反应前更加明显，产生的内部压应力产生显著破坏作用破坏。

（2）水中的镁盐（如MgSO4、MgCl2等）、氯盐（CaCl2、MgCl2等）与水泥石中的Ca（OH）2发生反应，生成物分别为Mg（OH）2和CaCl2。Mg（OH）2胶体胶结力非常差，CaCl2则易溶于水。这两种产物都容易被渗透水带走而流失，使混凝土变得更加疏松多孔，强度逐渐降低，加速其他作用破坏。

（3）如果不含或仅含少量重碳酸盐（含HCO-的盐）的水与水泥石长期接触，在渗透水的作用下，混凝土中的Ca（OH）2随水逐渐流失，溶液中的Ca（OH）2浓度不断降低，形成溶出性破坏。

（4）水中溶解的CO2超过Ca（HCO3）2平衡所需，混凝土表面的Ca（HCO3）2会溶解于水中，引发混凝土有效成分流失，造成混凝土累积性破坏。

（5）水中含有大量Hz+，各种酸与Ca（OH）2作用后，生成相应的钙盐，产生内应力，引发混凝土破坏。

6 混凝土水害解决思路

6.1 对混凝土自身进行强化

通过加强对原材料、配合比、搅拌运输、浇筑振捣和成品保护的管理，控制水灰比，提高混凝土的密实度。通过掺加各种外加剂，减少混凝土中水的用量，减少混凝土中自由水的含量，同时封闭堵塞混凝土中的毛细孔道，达到结构自防水的要求［1］，防止由毛细水、自由水和外界水侵入造成的冻融交替胀性裂损。

6.2 用水选择

无论是在成型阶段还是在后期阶段，在整个生命周期内，水对混凝土影响都非常大。无论是混凝土拌合用水，还是养护用水，必须符合《混凝土用水标准》（JGJ63）要求。对有疑问的水进行水质检验时，必须按标准规定的方法和规定的检验程序进行［4］。实际上，对混凝土有害的成分不仅仅来源于水，还有可能来源于骨料、外加剂和矿物掺合料中，在水媒介的作用下，对混凝土造成破坏。

6.3 混凝土生成过程中的保护和后期保护

6.3.1 混凝土生成过程中的保护

要注意对混凝土施工缝和变形缝的细部处理，防止发生渗漏水。要注意加强对混凝土强度成长期间的养护：首先养护用水的水质要达标，防止用水不当造成对混凝土的硫酸盐（SO42-）侵蚀、镁盐（Mg2+）侵蚀、软水（（少HCO-环境））侵蚀、碳酸盐侵蚀（富CO2环境）和一般酸性（富H+环境）侵蚀；其次，要选择合理养护方法。养护应持续进行，尤其应注意开始7d的养护，防止混凝土表面发生收缩裂缝和其他裂缝破坏。

6.3.2 对混凝土的后期保护

做好混凝土结构外防水，降低动水压力，隔绝阻断水流入侵混凝土，同时防止混凝体中水分流失形成新的孔隙。针对不同周围环境，对混凝土表面进行适当形式的保护，既能改善混凝土干湿状况，又能防止混凝土在同空气中的水蒸气和CO2接触后出现由表及里的碳化现象，影响混凝土的使用寿命。