混凝土的滲透性與耐久性

摘 要： 滲透性是混凝土耐久性中最重要的內(nèi)容。論述了混凝土耐久性的影響因素、研究方法， 以及混凝土滲透機(jī)理和滲透性與耐久性的關(guān)系。

 

關(guān)鍵詞： 混凝土； 耐久性； 滲透性； 相關(guān)關(guān)系

 

　　混凝土材料以其特有的優(yōu)越性在建筑工程上得到廣泛的應(yīng)用。過(guò)去， 由于歷史、社會(huì)和人的主觀認(rèn)識(shí)等方面的原因， 人們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選材、制作和養(yǎng)護(hù)等往往只重視強(qiáng)度而忽視了其耐久性， 從而為混凝土結(jié)構(gòu)以后的正常使用埋下了隱患， 造成許多不良后果?；炷两Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生耐久性問(wèn)題， 其維修加固費(fèi)用是十分巨大的， 有時(shí)甚至不得不拆除重建。美國(guó)1975 年由于混凝土腐蝕引起的損失為700 億美元， 1985 年則達(dá)1680 億美元， 而今后每年用于維修或重建的費(fèi)用預(yù)計(jì)高達(dá)3000 億美元。英國(guó)每年用于修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的費(fèi)用達(dá)200 億英鎊（合280 億美元） ， 而日本目前每年用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用為400 億日元（合3. 3 億美元） 以上。

 

　　混凝土耐久性指標(biāo)一般可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的方法獲得。但傳統(tǒng)的混凝土耐久性試驗(yàn)費(fèi)力費(fèi)時(shí)， 加之當(dāng)今的混凝土材料和技術(shù)研究進(jìn)展迅猛， 高性能混凝土的優(yōu)越性能已經(jīng)在重大工程中得到檢驗(yàn)， 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分已經(jīng)有了很大變化， 因此， 過(guò)去的一些試驗(yàn)方法已變得越來(lái)越不適用。為此， 一些學(xué)者致力于尋求快速且更能反映實(shí)際情況的耐久性試驗(yàn)方法。學(xué)者們從不同的角度、采用不同的方法研究混凝土的滲透性， 觀點(diǎn)也不統(tǒng)一， 對(duì)非受力狀態(tài)下混凝土的滲透性與實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)不符的情況， 也有人提出質(zhì)疑。目前的共識(shí)是， 混凝土的滲透性在一定程度上可以反映混凝土的耐久性。

 

 

　　按照AC I 201 委員會(huì)的定義， 混凝土的耐久性是指對(duì)風(fēng)化作用、化學(xué)腐蝕、磨耗或任何其它破壞過(guò)程的抵抗能力； 耐久性的混凝土當(dāng)露置于使用環(huán)境時(shí)將保持其原來(lái)的形狀、質(zhì)量和適用性。混凝土的耐久性從廣義上說(shuō)應(yīng)包括： 大氣對(duì)混凝土的腐蝕（如干濕度、溫度、凍融、碳化等）、水對(duì)混凝土的作用、堿骨料反應(yīng)、環(huán)境水侵蝕和磨損等。

 

1. 2　耐久性性影響因素及研究方法

 

　　M eh ta 教授在1991 年召開(kāi)的第二屆混凝土耐久性國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)上指出：“當(dāng)今世界，混凝土破壞的原因， 按重要性遞降順序排列是： 鋼筋腐蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”，“當(dāng)今混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題日益嚴(yán)重， 除冰鹽應(yīng)用的日增， 水、土、大氣污染加劇， 也有促進(jìn)作用”。因此， 混凝土的耐久性研究應(yīng)該從混凝土材料本身以及所處的環(huán)境兩方面來(lái)考慮。

 

　　混凝土通常不是在單一耐久性因素作用下受到破壞的， 而是受到一種以上的侵蝕作用導(dǎo)致破壞加速的結(jié)果。過(guò)去偏重于采用分析方法進(jìn)行單一因素的研究， 往往脫離實(shí)際， 于是有學(xué)者提出了多因素研究的方法。近年來(lái)， 出現(xiàn)了耐久性更好的高性能混凝土， 但由于泌水減小和水膠比降低引起的收縮開(kāi)裂加大， 可能會(huì)削弱抗?jié)B性的效果。因此， 混凝土的耐久性也應(yīng)該重視提高其體積穩(wěn)定性， 使混凝土不會(huì)由于開(kāi)裂而失去高抗?jié)B性。

 

2. 1　混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與滲透性

 

　　混凝土是一種多相非均質(zhì)材料， 從微觀上看是多孔結(jié)構(gòu)， 水通過(guò)這些孔隙在混凝土中滲透。一般認(rèn)為， 混凝土的滲透性越低， 水及腐蝕性介質(zhì)越不易滲入， 即耐久性越好。通常采用的降低滲透性的措施都能提高混凝土的耐久性， 諸如降低水膠比、使用礦物摻合料、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間等。特別是礦物摻合料（如硅粉、粉煤灰和礦渣等） 作為膠凝材料加入混凝土中， 能起到增大混凝土的密實(shí)度、改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)、細(xì)化孔隙的作用， 能明顯提高混凝土的滲透性。

 

2. 2　混凝土滲透性的電學(xué)評(píng)價(jià)

 

　　人們習(xí)慣于用強(qiáng)度來(lái)衡量混凝土的綜合質(zhì)量， 但對(duì)于高性能混凝土來(lái)說(shuō)， 耐久性比強(qiáng)度更重要。文獻(xiàn)的研究證實(shí)了混凝土的強(qiáng)度不能反映滲透性， 對(duì)高性能混凝土尤其如此?；炷恋碾妼?dǎo)率與其滲透性參數(shù)之間的關(guān)系可表示為： K =σ_V/σ

 

　　式中， σ 為混凝土電導(dǎo)率； σ_p 為混凝土孔溶液的電導(dǎo)率； K 為反映混凝土孔隙情況的參數(shù)。研究證明， 電學(xué)方法與滲水法所測(cè)結(jié)果相關(guān)性很好。有的方法在評(píng)價(jià)混凝土的其它耐久性指標(biāo)方面也存在較大的潛力。相比而言， 混凝土的電學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)量是快捷而精確的。文獻(xiàn)已建立了用交流電測(cè)量混凝土滲透性的試驗(yàn)方法。

 

 

　　混凝土的耐久性包括許多內(nèi)容， 這些內(nèi)容又受許多因素影響， 且作用機(jī)理復(fù)雜， 但其共同點(diǎn)是： 它們都與混凝土的傳質(zhì)能力有關(guān)?；炷敛牧系母g大多是在有水及有害離子侵入的條件下產(chǎn)生的， 混凝土的耐久性與滲透性有著密切的聯(lián)系。

 

3. 1　抗凍性與滲透性

 

　　干燥的混凝土不會(huì)遭受冰凍破壞。由于混凝土含水率存在一個(gè)臨界飽和度， 超過(guò)此值， 且當(dāng)混凝土暴露于低溫下容易產(chǎn)生裂縫。混凝土經(jīng)充分養(yǎng)護(hù)后含水率可能低于臨界飽和度， 但如果其滲透性較高， 當(dāng)暴露于潮濕環(huán)境時(shí)， 可以再次達(dá)到或超過(guò)臨界飽和度。

 

　　因此， 對(duì)處于凍融環(huán)境中的混凝土， 其滲透性非常重要。滲透性不僅控制著凍結(jié)時(shí)與內(nèi)部水的移動(dòng)有關(guān)的滲透壓力， 而且控制著冰凍前的臨界飽和度， 國(guó)外已有學(xué)者研究了混凝土的滲透性與凍融循環(huán)的關(guān)系。

 

　　一般來(lái)說(shuō)， 在混凝土中引入適量的封閉氣孔可以大大改善其抗凍能力。由于引入的封閉氣孔既可降低混凝土的表面滲透性， 使混凝土不易飽水， 又可以在冰凍時(shí)為水壓力提供外逸邊界， 使得膨脹力減小， 從而可以大幅度提高混凝土的抗凍融能力。

 

3. 2　碳化與滲透性

　　

　　由于混凝土的多孔性， 大氣中的CO ₂ 在濃度差的作用下通過(guò)混凝土由外向內(nèi)擴(kuò)散，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)， 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為混凝土的碳化。碳化對(duì)混凝土的危害是多方面的， 例如使混凝土的韌性降低、產(chǎn)生碳化收縮裂縫等， 而最大的危害是使表層混凝土堿性降低， 對(duì)保護(hù)鋼筋不利。

 

　　由表1 可見(jiàn)， 混凝土的Cl^- 滲透深度x 和碳化深度D _c之間相關(guān)性很好， 相關(guān)系數(shù)為0. 858， 相關(guān)程度為顯著。由收集到的混凝土電性能指標(biāo) （修正后的交流電阻） 和用碳化模型預(yù)測(cè)的碳化深度反映這種關(guān)系也可得到同樣的結(jié)果（ 圖1） ， 二者的相關(guān)系數(shù)為- 0. 734， 相關(guān)程度也顯著。以上分析表明， 有可能利用混凝土的滲透性評(píng)價(jià)其抗碳化性能， 并且因混凝土的交流電阻比Cl^- 滲透深度更容易測(cè)量， 用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土碳化性能更具潛力。

 

 

　　混凝土的高堿性使內(nèi)部鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜， 保護(hù)鋼筋不受腐蝕。CO ₂通過(guò)表面滲入混凝土以后， 同混凝土中的Ca （OH ） ₂ 反應(yīng)使之碳化， 從而使混凝土堿性大大降低。隨著混凝土堿性的降低， 鋼筋表面的鈍化膜將變得不穩(wěn)定， 直至破壞。這樣，失去保護(hù)的鋼筋會(huì)在氧和水分滲入的情況下發(fā)生電化學(xué)腐蝕。由表1 數(shù)據(jù)計(jì)算可知， 混凝土Cl^- 滲透深度x 與鋼筋銹蝕失重率K _RW 之間相關(guān)系數(shù)為0. 671， 相關(guān)程度稍差， 這可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)來(lái)自不同研究者的試驗(yàn)， 以及預(yù)測(cè)模型的誤差造成的。已有研究者采用滲透性指標(biāo)定性地評(píng)價(jià)混凝土的護(hù)筋性能（表2）。