水工混凝土强度与耐久性改善措施研究

张安生

(盘山县水利建筑工程处，辽宁 盘锦 124000)

实践表明，强度和耐久性是反映水工混凝土质量的重要参数，以往的水利工程比较注重强度而较少考虑耐久性能[1]。实际上，水工混凝土的耐久性体现了正常条件下水利工程长效运行的能力，直接决定着水工结构的使用年限。近年来，气候环境的改变和工程结构的老化使得人们越来越关注耐久性问题[2-5]。原材料的含量及性质在一定程度上决定了水工混凝土强度与耐久性，施工工艺与混凝土质量也密切相关。因此，为提高水工混凝土强度和耐久性必须掌握原材料的质量要求、作用及其性质，并在此基础上合理选择原材料和施工工艺。

1 水工混凝土强度的改善措施

水利工程对水工混凝土有力学性能、抗冻性、抗渗性等多种性能要求，强度与这些性能直接相关[6]。一般地，水工混凝土强度越高则其抗侵蚀介质侵入、抗风化、不透水性和刚性就越好，但干缩性、脆性也较大，很容易出现断裂。所以，主要用强度来评价工程质量状况。

受力破坏时水工混凝土大多发生在水泥与骨料的分界面上，即出现黏结面破坏，且强度较低的水泥石破坏形式也比较常见。水工混凝土中骨料最先发生破坏的概率最小，这是由于黏结面和水泥石的强度远远小于骨料强度。因此，骨料表面的黏结强度及水泥石的强度与水灰比、水泥等级、骨料性质直接相关，并决定了水工混凝土强度。

1.1 水泥强度等级与水灰比

水泥作为活性组分与混凝土强度密切相关，相同配合比情况下水泥等级越高则配制成的混凝土强度越高；水泥类型相同时，水灰比直接决定了混凝土强度。这是由于水泥水化所需的结合水仅占水泥质量的20%左右，但拌合物拌制过程中，为获取必要的流动性一般需要较多的水，即保证一定的水灰比。混凝土内部存在的气孔或水泡使得其抵抗荷载的断面大大减小，孔隙周边还可能出现应力集中的现象。所以，同一水泥标号条件下，水灰比越小则强度越高。

另外，胶空比Pc或毛细管孔隙X也会影响水泥胶砂强度，其计算公式为：Pc=W/C-0.36a、X=0.68a/(0.32+W/C)，其中a为水化程度，W/C为水灰比。然而，实际上很难估计或测定以上指标值，并且任何水灰比程度下充分密实的水工混凝土都是由水胶比决定的。

外观形状和骨料与水泥石之间的黏结力密切相关，即同一水灰比与水泥标号情况下，选用卵石配置的结构强度要低于碎石。

1.2 养护湿度与温度

水泥水化速度取决于周围环境的温度，初期水化速度快、强度增长也快，但初期的水化速度过快会使得水化产物不均匀分布，水泥石的薄弱点集中分布在水化物稀疏的部位，使得结构整体强度明显下降；水化物稠密的区域水泥粒子周围包裹的水化物会阻碍水化反应，不利于后期强度的增强。在较低的养护温度条件下，因水化缓慢具有相应的扩散时间，能够保证水泥石中水化产物的均匀分布，可为后期强度发展创造有利条件。温度继续降低至零点以下时混凝土内的大部分水分结冰，冰与水泥颗粒无法发生反映，水化终止则强度也不再提升。另外，结冰膨胀还会产生作用于孔隙的巨大压力，从而破坏毛细管内部结构，对结冰前混凝土已获取的强度带来损失。如果气温升高并开始融化，如此冻融循环使得内部出现微裂缝，并进一步扩大增长，加之早期强度低很容易被冻坏。所以，早期混凝土要特别防止受冻。

水泥水化取决于周围环境的湿度，合适的温湿度能够保证水化的正常进行和强度发展；若湿度不足会发生失水干缩，水泥水化作用受到影响甚至水化终止。水泥水化生成的凝胶吸附了混凝土中大量的自由水，这使得内部参与水化的水分不断减少，混凝土强度明显降低，因未完成水化作用使得混凝土渗水增大，结构疏松出现干缩裂纹，其耐久性受到较大影响。

因此，必须维持一定的温湿度，促使水泥顺利进行硬化。混凝土凝结后要在表面覆盖草袋等，通过不断浇水也可以防止不正常收缩的发生。夏季要按时浇水保持一定的适度，冬季采取有效的保温，也有工程选用塑料薄膜的方法进行养护。

1.3 混凝土龄期

正常养护情况下，随着龄期的延长混凝土强度不断提高，7-14d龄期内混凝土强度增长较快，28d龄期后增长变慢。混凝土的成熟度N(℃·d)是指温度与历时乘积的总和，成熟度与强度之间存在复杂的关系，不仅与养护制度、温度等因素有关，还取决于混凝土的质量和水泥的性质。历时内未出现干燥失水，初始温度处于可控区间时，混凝土成熟度与强度的对数表现出线性关系。

综上分析，水工混凝土强度受诸多复杂因素的综合影响，对于水工结构的设计、施工和养护必须全面考虑各种因素，从满足工程使用要求出发做出科学合理、经济适用的方案。

2 水工混凝土耐久性改善措施

水工混凝土耐久性就是受外部或内部多种因素作用，工程结构发生演变最终失去其使用功能，即所谓的失效。一般地，引起耐久性失效的原因有钢筋锈蚀、化学腐蚀、抗冻和碱集料反映等。水工混凝土耐久性在一定程度上取决于钢筋保护层厚度和混凝土养护施工质量，还是确定钢筋混凝土保护层厚度和材料耐久性能的重要参数，有效的排水措施可以降低不利因素作用。

混凝土既要有足够的强度确保能够安全地承受荷载作用，还要考虑具体的使用要求以及周围的自然环境，使其具备一定的特殊性能，例如混凝土承受压力水作用时要具备一定的抗渗性，遭受环境水侵蚀时要具备相应的抗侵蚀能力，高温环境下要具备一定的耐热性能等。另外，在使用环境条件下要求混凝土性能保持一定稳定性。因此，可将混凝土能够维持结构正常安全运行的能力称为耐久性，一般包括钢筋锈蚀、抗侵蚀、抗冻抗渗、抗碳化和碱骨料反应性能。

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2.1 抗冻性

水工混凝土的抗冻性就是受冻融作用，在饱水情况下仍然维持其完整性的能力，龄期越长则抗冻性越好。水泥水化的不断进行使得混凝土内部可冻结的水分越来越少，水中溶解盐浓度逐渐增加，其冰点也随之下降，混凝土抗冻融能力有所提高。因此，将混凝土冻结前的养护时间延长能够改善其抗冻性。一般地，采用快冻法测试混凝土的抗冻性能。其中，采用密实混凝土或加入防冻剂、减水剂和引气剂的混凝土是最为有效的提高抗冻性的方法。

2.2 抗渗性

水工混凝土的抗渗性是在压力作用下其抗水渗透作用的能力，直接决定了其抗侵蚀性和抗冻性。实践表明，水工混凝土的内部构造、孔隙大小及其密实程度与抗渗性密切相关。因振捣不密实产生蜂窝、孔洞、内部孔隙和毛管通路等都会降低抗渗能性。目前，影响抗渗性因素主要有水泥品种、水灰比、养护方法、骨料粒径、掺合料和外加剂等，具体如下：

1)水泥品种：水工混凝土抗性性与水泥性质、品种有关，细度越大则孔隙率越低，相应的抗渗性也就越好。

2)水灰比：一般地，水灰比越大则抗渗性越差，成型密实时其抗渗性能主要受水泥品质的影响。

3)养护方法：水工混凝土潮湿养护时的抗渗性要优于蒸汽养护，干燥环境下早期混凝土失水过多易出现收缩裂缝，使得其抗渗性有所下降。

4)骨料粒径：同一水灰比条件下，骨料最大粒径越大则混凝土抗渗性越差，因为水泥浆与骨料界面处易形成裂缝，骨料粒径较大时边缘处很容易产生空穴。

5)掺合料：将适量掺合料掺入水工混凝土中，可以发挥其界面、微骨料、活性和形态效应，通过细化内部孔隙改善混凝土密实度以及界面过渡区结构和孔结构，提高其抗渗性。

6)外加剂：掺入适量的外加剂有利于改善混凝土可以行及密实性，相应的抗渗性也会提高。

7)龄期：龄期越长则混凝土抗渗性越好，随着水泥水化的进行混凝土密实度不断增加。

2.3 抗侵蚀性

水工混凝土处于腐蚀环境下就会发生侵蚀，一般有强碱、硫酸盐、镁盐、氯离子和软水等侵蚀类型。所用水泥的密实度、孔隙状况与抗侵蚀性相关，环境水很难侵入孔隙封闭或密实度较高的混凝土中，故具有较强的抗侵蚀性。目前，主要通过改善孔隙结构和密实度、减小水灰比、合理选择水泥品种等措施提高水工混凝土抗侵蚀性。

2.4 碱骨料反应

为有效减小碱骨料反应所采取的方法如下：①有条件的地区可以采用非活性骨料；②无法选用无活性骨料时要严格控制总碱含量，砂石料的碱含量要符合现行标准要求，为了减少碱含量也可选用低碱水泥；③掺入粉煤灰、矿粉等活性混合料时，可在一定程度上抑制碱骨料反应；④水分作为反应的必要条件，所以要尽量控制水分的渗入。

2.5 混凝土碳化

混凝土碳化降低了内部碱度，破坏了钢筋表面的保护膜使其发生锈蚀，故碳化有不利作用。另外，碳化使得混凝土的收缩速度加快，着主要是碳酸钙在无压力处沉淀和氢氧化钙晶体在干缩应力下溶解所致。水泥用量不变时水灰比越低则碳化速度越慢，水灰比不变时水泥用量越高则越难碳化，二氧化碳浓度越大则碳化速度越快。在相对湿度100%或水中，由于水分填满孔隙通道抑制了二氧化碳的渗入，所以碳化终止。混凝土处于干燥环境下时，因缺少所必需的水分碳化也会停止。所以，湿度处于50%-75%范围时一般认为碳化最快。

综上分析，水工混凝土耐久性涉及施工、设计、材料和环境等诸多复杂因素，为改善混凝土耐久性必须考虑各方面因素。通过严格的施工质量、正确的材料选择和科学的结构设计等保证混凝土耐久性，并且要注重施工过程中的维护和管理。

3 结 语

水工混凝土强度和耐久性影响因素多而复杂，为了保证水工结构质量必须全面掌握混凝土的性质，在此基础上科学设计和应用。强度与耐久性密切相关，在本质上内部结构和水灰比有关。对于充分密实的混凝土，水灰比和孔隙率越低则混凝土强度越高；同时，孔隙率越低则抗渗性越好，相应的耐久性越好。在高性能水工混凝土中掺入高效减水剂、活性矿物材料等，既可以改善内部孔隙结构，还能够消除或较小游离氧化钙浓度，从而改善混凝土强度和耐久性。另外，在不考虑内部破坏因素的情况下，混凝土强度越高则抗外界离子侵蚀破坏的能力越强。

在配制上，高性能水工混凝土既要选用优质骨料、水、水泥等原材料和低水灰比外，还必须掺入适量的高效减水剂和矿物集料，减少水泥用量、体积收缩和内部孔隙率，提高强度和耐久性。总体而言，改善水工混凝土耐久性势必成为未来的发展趋势。