混凝土耐久性影响因素探析

0引言

混凝土的耐久性是指其抵抗风化作用、化学侵蚀、磨损及其他劣化过程的能力[1]，因此，混凝土的劣化通常被视为混凝土耐久性不足的主要原因。混凝土劣化是指在内在和外在因素的共同影响作用下，因发生物理性或化学性侵蚀而使混凝土产生的膨胀性开裂或连通性孔隙等现象[2]。其中，物理性侵蚀主要包括风化作用所引发的混凝土劣化变质、波浪作用或海流作用所导致的混凝土表面磨耗或孔蚀破坏，以及超载、冲击载重和反覆载重作用所产生的混凝土裂缝等；化学性侵蚀主要包括侵蚀物质（如二氧化碳、氯离子、硫酸根离子等）与硬固水泥浆体所产生的交换反应，硬固水泥浆体产生的溶解和析晶反应，以及产生膨胀物质反应等。由此可见，材料选择、配比设计、施工技术、养护管理以及周边环境等多种因素均会对混凝土耐久性产生影响，在实际工程应用中如果处理不当，很容易发生混凝土及其结构物的非预期破坏。因此，本文旨在通过对影响混凝土耐久性的多种因素进行分析和探讨，为混凝土的耐久性设计提供参考。

1组成材料的影响

1.1水泥

混凝土的抗压强度及其耐久性受水泥水化作用的影响较大。相关试验结果表明，以水灰比为0.45、水泥含量为430kg/m3的试验试体为参考基准，保持水灰比固定，水泥用量减少50～100kg/m3时，混凝土试体在抗压强度上无明显差异。其中，当水泥用量减少到340kg/m3时，相比参考基准其通过电荷量增加到约2.1倍，氯离子扩散系数与气体渗透系数则分别增加到约1.6和1.7倍，即在相同水灰比下，随着水泥用量的减少，混凝土耐久性会随之降低。基于上述考虑，美国混凝土协会（ACI）就规定抵抗钢筋腐蚀的最低水泥用量为356kg/m3；欧洲混凝土协会（CEB-FIP）则规定在海水环境及其他具有化学侵蚀性环境中的构造物，最低水泥用量为300kg/m3。但在实际工程应用中，水泥含量也并非越高越好，为避免水泥水化反应所引发的热应力可能导致的混凝土裂缝，英国混凝土设计标准BS8110规定最大水泥用量不应超过550kg/m3。

1.2骨料

混凝土中骨料的体积往往占其全部体积60%～70%，且通常认为骨料的体积稳定性与耐久性都要比水泥砂浆高，因此骨料的强度、粒径及其界面等对混凝土性质也会产生一定影响。级配良好的骨料不仅可以增加混凝土的抗压强度，还可以提高其水密性，减少有害物质的渗入几率。对水灰比为0.60、粗骨料粒径在2.36～9.5mm之间的混凝土试件进行的试验测试结果表明：在相同的配比设计下，当混凝土使用不同粒径的粗骨料时，其抗压强度无明显差异；但随着粗骨料粒径的增大，混凝土的通过电荷量、氯离子扩散系数及气体渗透系数会有所增加。总体来看，粗骨料粒径对混凝土强度及其耐久性虽有一定影响，但还远不如材料配比设计、水灰比等因素所产生的影响大[3]。

1.3火山灰质混合料

火山灰质混合料是天然的及人工的以氧化硅、氧化铝为主要成分的矿物质原料，比如火山灰、硅藻土、粉煤灰等。此类混合料中的硅、铝成分可以与水泥的水化产物氢氧化钙发生化学反应，生成C-S-H胶体来填充混凝土中的孔隙，从而提高混凝土的致密性并降低其渗透性，进而有助于降低混凝土微裂缝的发生几率，提升混凝土在恶劣环境下的耐久性。

2配合比设计的影响

决定混凝土耐久性最重要的因素是混凝土的透水性，这与混凝土的孔隙结构密切相关。而混凝土中的孔隙率与水灰比又有着直接关系，因此水灰比已成为影响混凝土耐久性的一个关键因素[4]。试验研究结果表明：混凝土吸水率会随水灰比增加而增加，这是由于水灰比的增加会导致水泥浆体内有较多的游离水未参与水化反应而形成毛细孔隙，而毛细孔隙愈多则其吸水率也越高，反之这也说明水灰比低的混凝土会具有更致密的孔隙结构；同时，氯离子扩散系数也会随水灰比增加而增加，当水灰比从0.4增加到0.6时，氯离子的扩散速率能增加4～5倍。出于上述考虑，各国规范对腐蚀环境下的混凝土水灰比均有一定限制。比如ACI318M对于暴露在腐蚀环境下的混凝土最大水灰比限制值为0.40，但若最小保护层厚度提高10mm时，则最大水灰比可增为0.45；日本土木学会（JSCE）对于水中混凝土的最大水灰比限制值为0.50，暴露在海洋环境中的混凝土最大水灰比限制值则为0.45。

3环境因素的影响

3.1温度和湿度

混凝土保持干燥时其气体渗透性往往会增加，这主要归因于混凝土中孔隙体积与孔隙连通性的增加，从而有利于气体的传输。相关试验结果也表明，当混凝土试体在高温环境下烘干时，由于试体内水气被蒸发且孔隙中空无一物，其气体渗透性也会增加；在环境相对湿度由100%降至65%的过程中，试件的气体渗透系数随之增加，尤其是相对湿度降至85%时，气体渗透系数增加最为明显，其中相对湿度为40%时的混凝土气体渗透系数要比相对湿度为65%时高出15%。另外，当混凝土毛细孔隙中只有空气存在时，随着养护温度的增加，不仅会增大混凝土的气体渗透性，还会进一步增加混凝土的吸水率，这主要是由于温度增加会降低水的粘滞性及其表面张力，且温度效应对吸水率的影响要明显大于其对气体渗透性的影响。

3.2二氧化碳浓度

高二氧化碳浓度所导致的中性化问题已成为钢筋混凝土结构物损坏的主要原因之一[5]。中性化一方面会改变混凝土的化学性质，使混凝土孔隙水溶液的pH值降低，容易引发钢筋腐蚀；另一方面也会改变其物理性质，改变混凝土的孔隙率，进而影响其表面渗透性。相关试验结果表明：混凝土的中性化速率会随着二氧化碳浓度的增加而有所增加，且水灰比越高，其中性化速率也较大，这主要是因为水灰比较低时，混凝土孔隙孔径较小且孔隙结构致密，其孔隙中水膜厚度较大甚至已充满水，故其中性化速率较小。但总体来看，二氧化碳浓度对中性化速率的影响还是要小于水灰比的影响，这也说明混凝土本身的孔隙结构分布与致密性是影响其中性化速率的主要因素。

3.3氯离子含量

在影响混凝土耐久性的诸多因素中，由于氯离子扩散引起钢筋腐蚀而导致混凝土结构物破坏的情形非常严重[6]，而且氯离子的扩散机制相当复杂，其扩散速率受混凝土孔隙、暴露时间、温度、水灰比等多种因素影响。因此，在很多标准规范中对混凝土中氯离子的含量都有严格限制，比如ACI318规定经常保持干燥或防止受潮的钢筋混凝土构件，氯离子含量不得超过水泥重量的1%，而暴露在含氯环境下的钢筋混凝土构件，氯离子含量不得超过水泥重量的0.15%；JIS规定一般环境下的钢筋混凝土构件，氯离子含量不得超过0.60kg/m3，若所处环境含有盐化物，则氯离子含量不得超过0.30kg/m3。

4结语

本文重点从材料因素（组成材料、配比设计）和环境因素两个方面，分析和探讨了混凝土耐久性的影响因素。对比分析结果显示，水灰比是影响混凝土抗压强度及耐久性的关键因素；随着水灰比增大，混凝土的中性化速率会逐渐增加，其抗压强度和耐久性也会随之降低；而当水灰比一定时，水泥用量、粗骨料粒径及其他环境因素等，也会通过共同作用对混凝土的耐久性产生不同程度的影响和制约，在实际工程应用中也需要妥善处理。

作者：陈浩鑫 单位：河北冀通路桥建设有限公司

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