影響混凝土耐久性之原料分析
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一、前言
當(dāng)今，混凝土已成為最廣泛使用的建筑結(jié)構(gòu)材料。以往工程中都比較重視混凝土的強(qiáng)度而容易忽視混凝土的耐久性。但試驗(yàn)和應(yīng)用都標(biāo)明，混凝土和鋼筋混凝土在使用過(guò)程中，受到土壤、水和空氣中有害介質(zhì)的侵蝕或混凝土本身組成材料有害成分的化學(xué)及物理作用，會(huì)產(chǎn)生開裂、溶蝕、剝落、膨脹、松軟及強(qiáng)度等級(jí)下降等現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞或倒塌。隨著我國(guó)商品混凝土和高強(qiáng)混凝土的推廣應(yīng)用，混凝土的耐久性和安全性已受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。
提高混凝土的耐久性對(duì)于當(dāng)前實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，更好地利用資源、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，都具有十分重要的意義。本文著重從原料的生產(chǎn)和使用層面上分析影響混凝土耐久性的因素及原因，有助于我們更新觀念，從耐久性的角度評(píng)價(jià)水泥和混凝土的質(zhì)量。
二、水泥的生產(chǎn)和使用
在影響混凝土耐久性問(wèn)題上，其原因涉及多方面，其中裂紋是導(dǎo)致混凝土耐久性降低的一個(gè)關(guān)鍵因素。就材料本身來(lái)說(shuō)，影響混凝土抗裂性的主要因素則是水泥。
1 、水泥在生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和原因
⑴過(guò)多追求水泥強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度
綜合多種因素分析，混凝土的開裂有著相當(dāng)復(fù)雜的多方面的原因。但在對(duì)其中一個(gè)主因的認(rèn)知上大家的看法是比較接近的，即：為滿足現(xiàn)代高速施工所采用的高早強(qiáng)水泥及其混凝土拌合物是使混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂的一個(gè)重要的原因。
在水泥的質(zhì)量要求中，水泥的強(qiáng)度是很重要的指標(biāo)。對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)的修改也主要在于強(qiáng)度的檢測(cè)上。隨著三次標(biāo)準(zhǔn)的修改，對(duì)水泥的強(qiáng)度要求越來(lái)越高。同時(shí)，隨著混凝土建筑業(yè)越來(lái)越受高速建設(shè)的經(jīng)濟(jì)利益所驅(qū)動(dòng)，使得水泥企業(yè)越來(lái)越重視生產(chǎn)早強(qiáng)水泥來(lái)滿足現(xiàn)代建筑工業(yè)的要求，其方式主要是通過(guò)改變水泥的礦物組成和提高水泥的細(xì)度。如增加C3S、C3A 的含量，將水泥磨至3500cm2/g 以上等措施。水泥熟料中四種主要礦物的水化熱和收縮率見表1、表2。
由表1 和表2 可見，C3A 的水化熱和收縮率均高于其他礦物。其次為C 3S ，其水化熱在反應(yīng)初期也是C2S 的數(shù)倍。因此，在水泥生產(chǎn)中提高C3A 和C3S的含量，對(duì)于水泥水化早期是很容易因溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。這樣就自然使得混凝土的耐久性下降。
提高水泥的細(xì)度，雖能提高水泥的早期強(qiáng)度，但對(duì)混凝土的耐久性也是不利的。圖1是水泥細(xì)度與混凝土抗凍性的關(guān)系，如圖所示，當(dāng)水泥的細(xì)度從2500cm2/g 變化到4800cm2/g時(shí)，抗凍循環(huán)次數(shù)從420次變化到不足100 次。
在目前的施工過(guò)程中，施工單位為了加快施工的進(jìn)度，往往希望水泥生產(chǎn)企業(yè)提供早強(qiáng)水泥。在這種背景下，水泥生產(chǎn)企業(yè)包括新型干法水泥廠也為了適應(yīng)這個(gè)要求而生產(chǎn)出比表面積高的早強(qiáng)水泥。這種做法對(duì)混凝土的耐久性方面是相當(dāng)不利的。
⑵混合材的摻入
我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)中可以摻加15%以內(nèi)的混合材。但現(xiàn)在存在的問(wèn)題是水泥生產(chǎn)企業(yè)往往并不標(biāo)明混合材的品種和摻加的數(shù)量。而隨著現(xiàn)代混凝土工業(yè)的發(fā)展，混合材在混凝土的使用中也越來(lái)越廣泛，多的可達(dá)30%以上。如果混凝土行業(yè)不了解所采用的水泥中混合材的品種和數(shù)量，而自己再加入相同的混合材，這樣以來(lái)就會(huì)帶來(lái)力學(xué)性能和其他性能有顯著的變化，這樣就可能造成混凝土早期開裂，從而影響混凝土的耐久性。
水泥企業(yè)還存在的一個(gè)問(wèn)題是，許多新型干法水泥企業(yè)和先進(jìn)的立窯企業(yè)由于技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)的熟料強(qiáng)度很高。但由于市場(chǎng)對(duì)高標(biāo)號(hào)水泥的需求不大，而水泥企業(yè)如果生產(chǎn)礦渣水泥又會(huì)降低利潤(rùn)。所以為了充分利用熟料強(qiáng)度，水泥廠就超標(biāo)準(zhǔn)摻加混合材生產(chǎn)低標(biāo)號(hào)水泥。于是就存在水泥企業(yè)生產(chǎn)水泥時(shí)混合材的超標(biāo)現(xiàn)象。因?yàn)榛旌喜膿搅窟@一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般為人們所忽視。若在這種情況下，再在商品混凝土站摻20%～30%的磨細(xì)摻合料，而不采取措施，就會(huì)因混合材的疊加效應(yīng)而導(dǎo)致混凝土工程質(zhì)量低劣。
2、水泥使用中存在問(wèn)題和原因
水泥的用量也會(huì)影響到混凝土的耐久性。由于高水泥用量在早期和后期易產(chǎn)生裂紋。而裂紋對(duì)混凝土的耐久性是致命的。強(qiáng)度過(guò)低顯然對(duì)耐久性是不利的，但強(qiáng)度過(guò)高又會(huì)給耐久性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。同濟(jì)大學(xué)黃士元認(rèn)為，水泥用量在350kg/m3的C40混凝土一般不易開裂，是優(yōu)質(zhì)混凝土。水泥用量在400～500kg/m很難滿足。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)建筑工程使用沙石的粒徑和級(jí)配有嚴(yán)格的要求，建筑用砂的最大粒徑為5mm，石子的最小粒徑為5mm；而目前實(shí)際混凝土用沙石一般做不到連續(xù)級(jí)配。這樣以來(lái)，就必須增加高效減水劑摻量來(lái)滿足拌合物流動(dòng)性的要求，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且使混凝土彈性模量降低，收縮增大，從而影響耐久性。
3 、集料和水泥之間的結(jié)合
沙石和水泥之間的結(jié)合程度也影響到混凝土的耐久性。沙石和水泥的結(jié)合界面體現(xiàn)二者之間的彈性模量上：當(dāng)石子和混凝土彈性模量差別很大時(shí)，在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時(shí)，二者變形不一致，會(huì)導(dǎo)致界面產(chǎn)生微裂縫，從而影響混凝土的耐久性；如果二者彈性模量差別縮小，則界面結(jié)合可得到加強(qiáng)。
4 、堿－骨料反應(yīng)
堿—骨料反應(yīng)是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿與骨料中的活性成分的反應(yīng)，在混凝土澆筑成型后若干年（數(shù)年至二三十年）逐漸反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土失去設(shè)計(jì)性能。由于活性骨料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布，所以一旦發(fā)生堿骨料反應(yīng)，混凝土內(nèi)部各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，將混凝土自身脹裂，發(fā)展嚴(yán)重的只能拆除，無(wú)法補(bǔ)救，因而被成為混凝土的癌癥。所以砂石骨料（集料）的堿活性指標(biāo)是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，必須引起重視，否則后果是嚴(yán)重的。
三、外加劑的生產(chǎn)和使用
1 、外加劑與水泥的適應(yīng)性
每一種混凝土外加劑都有它特有的功能，摻加這種外加劑，能夠改善混凝土某一方面或某幾方面的性能。不注意外加劑和水泥的適應(yīng)性問(wèn)題，就會(huì)對(duì)工程帶來(lái)影響。如：用幾種普通硅酸鹽水泥并摻加某種高效減水劑（經(jīng)檢驗(yàn)符合高效減水劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）配制混凝土，在配制條件都相同的情況下，有種水泥所配制的混凝土水泥在減水率方面出現(xiàn)了嚴(yán)重不足，則說(shuō)明這種水泥與該高效減水劑不適應(yīng)，而其他幾種水泥與該高效減水劑相適應(yīng)。再如，當(dāng)某種水泥所配制的混凝土中摻加經(jīng)檢驗(yàn)符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的速凝劑卻得不到速凝效果，或摻加緩凝劑卻得到了假凝效果，都可以認(rèn)為是由于外加劑與水泥之間不相適應(yīng)所致。
幾乎所有品種的外加劑與水泥之間都存在適應(yīng)性問(wèn)題，只是目前來(lái)說(shuō)減水劑使用最普遍，而且當(dāng)其與水泥產(chǎn)生不適應(yīng)的時(shí)候能夠比較直觀快速地反應(yīng)出來(lái)（如流動(dòng)性差、減水率低、或拌合物板結(jié)發(fā)熱、流動(dòng)度損失過(guò)快等現(xiàn)象）。
水泥與外加劑的相容性是一個(gè)很有意義的科學(xué)問(wèn)題，更是一個(gè)工程實(shí)際問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題出自于工程事故。因此必須引起生產(chǎn)單位和工程應(yīng)用部門的高度重視。
2 、高效減水劑帶來(lái)的問(wèn)題
目前外加劑的主要種類為各種高效減水劑?；炷林袚郊訙p水劑，使得水灰比降低至0.4 甚至是0.3 以下，從而使得較低標(biāo)號(hào)的水泥同樣可以配制出高強(qiáng)度的混凝土，這種認(rèn)識(shí)被大家所熟悉。但是，水灰比降低相應(yīng)帶來(lái)的其他變化，就不容易檢測(cè)了。一般來(lái)說(shuō)，水灰比降低，容易造成混凝土尤其是暴露面積很大的混凝土構(gòu)件由于表面蒸發(fā)而出現(xiàn)收縮。這種現(xiàn)在基本上發(fā)生在早期。表面水分向外蒸發(fā)引起的收縮是主要問(wèn)題，而當(dāng)水灰比較大時(shí)，上升的泌水還可以使其表面得到補(bǔ)充，不容易出現(xiàn)開裂。
此外，隨著水灰比（水膠比）的降低，在骨料質(zhì)量不變的前提下，填充間隙并包裹與潤(rùn)滑骨料的膠凝材料用量必然加大，因此通常要增大混凝土的溫升。低水灰比和高水化環(huán)境溫度是加速混凝土強(qiáng)度發(fā)展的兩個(gè)“催化劑”，然而隨之發(fā)生彈性模量的迅速提高（比強(qiáng)度發(fā)展更迅速）、徐變松弛作用的減小和降溫階段混凝土發(fā)生的溫度收縮，這些因素的疊加導(dǎo)致了現(xiàn)代混凝土易于開裂的趨勢(shì)。
四、混和材的使用
高強(qiáng)混凝土一般含有較多水泥，因此收縮大，并在硬化時(shí)產(chǎn)生更高的溫度。現(xiàn)代水泥又因?yàn)榧?xì)度更高而更易開裂。經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，最經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法是將混凝土中的部分水泥用粉煤灰或礦渣來(lái)替代。含有粉煤灰或礦渣的混凝土在砂漿與粗集料的結(jié)合區(qū)的強(qiáng)度更高，不易發(fā)生微裂，因而具有更高的水密性和耐久性及使用壽命。目前混凝土工業(yè)中混合材主要包括粉煤灰、硅灰、高爐礦渣等。但由于不正確的觀念或技術(shù)方面的束縛，在混合材的使用中也會(huì)存在一些影響混凝土耐久性的因素。
1 、混合材的摻量
過(guò)去由于認(rèn)識(shí)上的誤解，往往重視水泥在混凝土中的作用，認(rèn)為越多加水泥，則就能得到高強(qiáng)的混凝土，其實(shí)這是片面的。在混凝土中摻加混合材，一方面降低了成本，另外對(duì)改善混凝土的耐久性也有重要的影響?，F(xiàn)在一些企業(yè)也開始多摻加混合材。但在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)，還是沒有徹底的轉(zhuǎn)變認(rèn)識(shí)，在混凝土制備過(guò)程中很少加入混合材。另外一個(gè)問(wèn)題，我國(guó)普通硅酸鹽水泥中已摻有一定量的混合材，在使用過(guò)程中，一定要注意其疊加效應(yīng)。
2、加入混合材要注意養(yǎng)護(hù)條件
采用高混合材的混凝土如果不注意養(yǎng)護(hù)條件同樣會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。從50 年代我國(guó)就大量使用摻粉煤灰和礦渣。但在工程中也發(fā)現(xiàn)早強(qiáng)低、易碳化，抗凍性能也不太好等問(wèn)題，從而使混凝土耐久性降低。其實(shí)這是與混凝土的養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)的。國(guó)外的混凝土摻入大量粉煤灰，其試驗(yàn)條件是長(zhǎng)期濕養(yǎng)護(hù)。如果這種混凝土沒有在長(zhǎng)期濕養(yǎng)護(hù)條件下而盲目強(qiáng)調(diào)多摻粉煤灰，很容易出現(xiàn)問(wèn)題。
五、小結(jié)
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