提高复杂环境下混凝土服役寿命的技术措施研究

朱晓萍，邱成江，董兴林，余明坤

（1. 海纳明川建设工程有限公司 云南 昆明 650000）

（2.云南省建筑科学研究院 云南 昆明 650223）

0 引言

混凝土是一种人造石材，以其整体性好，可塑性好，维护方便成为如今建筑行业用量最大的一种建筑材料。但现有调研表明，我国至少有50%的混凝土建筑提前进入老化阶段，即有超过20 亿m2的混凝土建筑未达到预期服役寿命[1]；设计服役年限50 年的混凝土工业建筑往往在服役龄期达到25～30 年就需要大修加固[2]。造成这一现象的主要原因是由于混凝土在服役阶段会受到冻融、海水侵蚀、有压水等复杂环境的侵蚀，造成混凝土出现开裂、表层剥落、钢筋锈蚀甚至是结构失效，大大缩减了混凝土的服役寿命。

如今我国正处于大规模基础建设阶段，寻找切实有效的技术措施提高混凝土在复杂环境下的服役寿命，是保证混凝土工程的安全性、可靠性以及功能要求的重点，对我国工程建设的发展有着重大意义。鉴于此，本文综述了部分学者为提高恶劣环境下混凝土服役寿命所做的研究，为混凝土结构耐久性设计、施工及维护提供一定的参考。

1 现阶段混凝土工程主要遭受的复杂环境

1.1 复杂冻融环境

在寒冷地区的混凝土经常会遭受冻融作用的影响，产生的冰胀压及水分的渗透压会导致混凝土出现开裂、表层破坏甚至是失效[3]；而近些年来，为避免冰雪对混凝土路面通行的影响，往往会采用除冰盐来融化冰雪，这进一步恶化了交通混凝土的服役环境；加上大多混凝土工程不可避免地会遭受到大气的侵蚀而发生碳化，当在碳化、冻融以及盐类的共同作用下，混凝土会出现非常严重的盐冻剥蚀破坏[4]，同时盐类中的有害离子会引起混凝土内钢筋的锈蚀，从而造成混凝土结构安全性的下降。为确保复杂冻融环境下混凝土的服役寿命，必须提高混凝土的抗渗水性能、抗冻性能、抗氯离子渗透能力以及抗碳化能力[5]。

1.2 复杂盐类侵蚀环境

我国沿海地区的部分跨海大桥工程、海底隧道工程、近海工程等经常会受到海水或其他含有害离子液体浸泡—干燥—再浸泡—再干燥的干湿循环作用。已有研究表明[6]干湿循环下混凝土的劣化速率远高于持续浸泡下，而有害介质下的干湿循环会直接导致混凝土表层出现胀裂，抗渗性能下降，从而致使钢筋锈蚀、混凝土整体强度下降等缺陷。所以为保证盐类侵蚀环境下混凝土的服役能力，必须提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能、抗氯离子渗透性能以及抗渗性能[7]。

1.3 复杂有压水环境

对于实际工程中混凝土水坝、水渠、涵管、或混凝土罐体等混凝土建筑来说，服役期间会长期接触有压水。混凝土在长期接触有压水的情况下容易发生渗漏，造成污染；再者，若水中有害离子过多，则会导致混凝土表层被剥蚀，诱发混凝土内部钢筋锈蚀，极大地缩短混凝土的服役寿命；再一方面，已有研究表明[8]，若混凝土长期接触有压水，将会大大提高混凝土发生碱-骨料破坏的几率。所以在可能接触到有压水的混凝土工程中必须提高混凝土的抗渗能力、抗氯离子渗透能力、抗硫酸盐侵蚀能力以及抗碱-骨料破坏能力。

2 提高复杂环境下混凝土服役寿命的技术措施

2.1 优化混凝土的配合比

一般来说，混凝土配合比的计算是以强度为主要控制指标，通过鲍罗米公式确定水灰比，然后根据混凝土工作性能的要求确定单位用水量及砂率。已有学者[9]提出在混凝土配合比设计过程中应考虑混凝土的耐久性，以保证混凝土有较好的综合服役性能。

冷发光[10]通过正交试验研究了混凝土配合比对混凝土耐久性的影响，结果表明，降低混凝土的水胶比以及减少混凝土的用水量均有利于混凝土的抗渗性，并提出当混凝土的单方用水量应在165～175 kg /m3内时，最有利于延长混凝土的服役寿命。

张杰[11]通过实际工程总结出混凝土配合比设计时应进行多目标优化控制，应该同时考虑混凝土的耐久性、体积稳定性、工作性、力学性、经济性等，仅局限于单一或部分因素而进行混凝土配合比的设计是不合理的，无法确保混凝土的服役寿命。

刘志伟[12]研究发现，当混凝土的氯离子扩散系数以及孔隙率与混凝土的水灰比、单方水泥用量成正比，进而总结出在混凝土配合比设计时较低的水灰比及较低的单方胶凝材料用量更有利于混凝土的抗氯离子渗透能力以及抗渗能力。

2.2 提高原材料的品质

混凝土作为一种人工石材，其主要原材料有胶凝材料、粗骨料、细骨料以及水，原材料的基本性能对混凝土的服役寿命有着至关重要的影响。水泥是如今混凝土最常用的一种胶凝材料，但为了追求高活性、高强度，现有水泥往往会出现比表面积过大、碱含量偏高、C3S 或C3A 含量过高等现象，使用前述水泥往往会导致混凝土出现早期水化热过高、开裂等问题，不利于混凝土的服役性能[13]。但张大康[14]认为水泥品质对混凝土耐久性有一定的影响，但不是本质因素，过分地要求使用比表面积较小、早期强度低的水泥会得不偿失，需要付出巨大的环境及经济代价。

粗细骨料是混凝土的重要组成部分，骨料的总质量占比超过混凝土质量的50%，对混凝土服役寿命的影响同样不可忽略。在拌制混凝土时应尽量避免使用高吸水率骨料，温欣岚[15]通过总结试验发现，使用大吸水率骨料配制的混凝土相比于使用普通吸水率骨料配制混凝土往往会出现坍落度经时损失增大，收缩大、徐变大，抗折强度降低，抗冻性差等不足，所以为保证混凝土的服役寿命应避免使用高吸水率骨料作为混凝土的原材料。同时，陈智[16]提出在选择骨料方面应配选质地均匀坚固、吸水率低、孔隙率小、配选合理、粒形良好的骨料作为混凝土的原材料，以保证混凝土具有良好的密实程度，从而延长混凝土的服役寿命。

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此外，骨料的含泥量也是影响混凝土服役能力的主要因素之一。封孝信[17]通过试验与总结得出混凝土骨料含泥量的提高会引起新拌混凝土流动性的下降，同时也会导致混凝土抗压、抗折能力的降低，抗渗、抗碳化能力的降低以及干缩的增大，缩短混凝土的服役寿命；所以在实际工程中应尽量避免使用含泥量较高的原材料；当无法避免必须使用含泥量原材料时，应该适当提高混凝土单位胶凝材料、外加剂的用量，适当延长搅拌时间，加强泥土的分散性，尽量减小泥土对混凝土的影响。

2.3 掺入合适的掺合料

随着混凝土科学的发展，有学者研究发现[18]，在拌制混凝土时掺入部分活性工业废渣能充分发挥废渣的火山灰活性效应、微集料效应、减水塑化效应及耐久效应，有利于提高混凝土的耐久性能，从而增强混凝土的服役能力。如今在混凝土中常用的掺合料大致有矿渣粉、粉煤灰、硅灰及偏高岭土[19]，不同的掺合料对混凝土服役性能的提高效果也不尽相同。

粉煤灰就是从火力发电厂烟气中收集的灰尘。吕娜[20]研究发现，在混凝土内掺入20%的粉煤灰有利于提高混凝土的抗冻性能以及抗氯离子渗透能力，但会降低混凝土的抗碳化能力。杨太文[21]研究总结发现，大掺量粉煤灰混凝土（粉煤灰掺入质量超过胶凝材料总质量40%） 的抗冻性能明显优于普通混凝土，并且能够有效地抑制碱骨料反应的发生，同时有着较好的抗硫酸盐侵蚀能力；但是大掺量粉煤灰混凝土抗盐冻剥蚀能力较差，在盐冻环境下使用可能会缩短混凝土的服役寿命，应慎重考虑。

矿渣粉是粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨，达到相当细度且符合相当活性指数的粉体。赵顺湖[22]通过一些列试验研究了掺入矿渣粉对混凝土耐久性的影响，结果表明在混凝土内掺入小于50%的矿渣粉有利于提高混凝土抗水渗性以及抗冻性能，同时可以减小混凝土的早期收缩形变。高英力[23]研究发现当矿渣粉掺量在20%以下时，混凝土的抗碳化能力能够得到提高。闫乙鹏[24]通过RCM 法研究发现在混凝土内掺入适量的矿渣粉可以提高混凝土的抗氯离子渗透能力，有利于保护混凝土内的钢筋，延长混凝土的服役寿命。

硅灰是冶炼硅铁和工业硅时产生的副产物，具有活性高、比表面积较大的特点。M.Sharfuddin.Ahmed[25]通过RCPT 法和UCT 法研究发现在混凝土内掺入硅灰可以有效限制氯离子在混凝土内的迁移，有利于混凝土的抗氯离子渗透能力，但是混凝土内硅灰的掺量最好控制在10%以内。王阳[26]通过试验研究发现在混凝土内掺入10%的硅灰有利于提高混凝土碱骨料反应的抑制能力以及混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。

偏高岭土是高岭土在适当温度下脱水形成的无水硅酸铝，是一种高活性火山灰材料，在水泥水化产物Ca（OH）2的作用下发生火山灰反应，生成的水化产物与水泥类似，起辅助胶凝材料的作用，是优质的活性矿物掺合料[27]。C.S.Poon[28]研究发现在混凝土内掺入偏高岭土有利于提高混凝土的抗渗能力，并且在低水灰比条件下，偏高岭土对混凝土抗渗性的提高效果更优于硅灰。蒋国伟[29]研究发现在混凝土内掺入25%的偏高岭土可以降低混凝土水化的放热总量；当偏高岭土的掺入量小于15%时可以提高混凝土的抗碳化能力以及抗冻融能力，对于混凝土在冻融环境下的服役寿命有利。

2.4 采用功能型外加剂

郭捷菲[31]研究了功能型外加剂对混凝土抗碳化能力以及抗冻能力的影响，结果表明使用减水剂可以降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗碳化能力，但不同成分的减水剂对混凝土抗碳化能力的提高效果不尽相同，由优到劣依次排序为聚羧酸减水剂＞萘系减水剂＞木钙减水剂；但由于木钙减水剂有引气功能，在混凝土内掺入木钙减水剂或引气剂可以明显提高混凝土的抗冻性能。

尤启俊[32]针对缓凝剂对混凝土的影响进行了研究，结果表明缓凝剂能够延缓混凝土的凝结时间，推迟混凝土水化放热高峰的出现，减少了混凝土因温差而出现的结构开裂；同时缓凝剂能够延缓水化，使混凝土后期水化生成物分布更加均匀，水化更完全，更有利于混凝土的耐久性，但在使用缓凝剂时应避免混凝土在完全硬化前表层水分的蒸发。

高函[33]通过总结研究指出：现有早强剂虽然有利于缩短混凝土的凝结时间，但是现有早强剂大多含有氯离子，会与混凝土内钢筋反应使钢筋发生锈蚀的现象，造成混凝土表层膨胀、开裂，甚至造成混凝土结构的破坏，对混凝土的耐久性极为不利，所以在实际钢筋混凝土工程中应慎重选用早强剂，或配合阻锈剂共同使用。

2.5 选用合理的养护方式

混凝土的养护是指为保证新拌混凝土能够正常硬化而人为提供的温湿度条件[34]；而在混凝土成型初期为混凝土提供充足的温湿度及养护时间也是保证混凝土强度、耐久性持续增长的保障和前提[35]。

林浩[36]通过试验研究发现，不对混凝土进行早期养护会导致混凝土早期自收缩增大，表层混凝土硬化不完全、容易开裂，从而大大降低了混凝土的耐久性，缩短了混凝土的服役寿命；特别是在复杂环境下，对混凝土进行早期保温保湿养护是保证混凝土服役寿命的重中之重。

刘鹏[37]研究了混凝土养护龄期对混凝土耐久性以及微观结构的影响，结果表明早期养护龄期的延长可以降低混凝土的孔隙率，使硬化后混凝土的微观结构更加致密，有利于提高混凝土的抗渗性能以及抗氯离子渗透能力。

姚明甫[38]总结了养护条件对混凝土的影响，提出为保证混凝土强度的持续增长，混凝土的养护时间不应小于7d；为保证混凝土强度发展速率，混凝土的养护温度不应低于27℃，以避免产生应力变形及开裂而缩短混凝土的服役寿命。

2.6 选用合适的表层防护涂料

在混凝土表面涂刷防护性涂料也是提高混凝土服役寿命的一种手段，具有操作简单，经济高效的特点。丁铸[39]研究了表面成膜型及渗透性涂料对混凝土抗氯离子渗透能力、抗渗能力的影响。结果表明：无论涂料类型，在混凝土表面涂刷保护涂料可以有效提高混凝土的抗氯离子渗透能力以及抗渗能力；同时总结得出涂渗透型涂料和成膜型涂料对混凝土的抗氯离子渗透能力相差不大，但涂渗透型涂料混凝土的抗渗能力明显优于涂成膜型涂料的混凝土。

孙学志[40]研究了各类涂料对混凝土耐久性的影响，结果表明各种涂料对混凝土抗碳化性能的改善由优到劣依次为立邦抗碱封墙底漆＞γ-氨丙基三乙氧基硅烷＞HM1500 无机水性水泥密封防水剂＞JT- CCCW，同时总结出在14d 龄期条件下，有机涂料对混凝土耐久性的提高效果要优于无机涂料。

刘东[41]以环氧树脂与低分子质量聚硅氧烷为原料合成制备了既具有渗透性，又可形成涂膜的渗透成膜型混凝土防护涂料，并研究了渗透成膜型防护涂料对混凝土性能的影响，结果表明涂渗透成膜型涂料混凝土的氯离子扩散系数较传统涂料混凝土降低了75%，抗冻性能至少提高了15%，抗碳化性能则提高了50%，有利于混凝土的耐久性，能大幅提高混凝土的服役寿命。

3 结论及展望

提升混凝土的服役寿命，是涉及整个混凝土的寿命周期多因素复杂问题，需要在考虑混凝土耐久性的条件下计算配合比，选用性能合理的原材料，根据工程实际情况掺入合适的矿物掺合料及外加剂，同时在浇筑完毕后要给予混凝土合适的养护措施，以及涂覆合适的表层防护涂料等。在混凝土服役环境越来越复杂的今天，只有进一步掌握提高混凝土在复杂环境下服役寿命的技术措施，建立更加完整的混凝土服役性能保证手段，才能确保混凝土事业的可持续发展。