普通混凝土的技術(shù)性質(zhì)（下篇）
2006-01-20 00:00
普通混凝土的技術(shù)性質(zhì)
（二）混凝土的變形性能
混凝土在凝結(jié)硬化過程和凝結(jié)硬化以后，均將產(chǎn)生一定量的體積變形。主要包括化學(xué)收縮、干濕變形、自收縮、溫度變形及荷載作用下的變形。
1. 化學(xué)收縮
由于水泥水化產(chǎn)物的體積小于反應(yīng)前水泥和水的總體積，從而使混凝土出現(xiàn)體積收縮。這種由水泥水化和凝結(jié)硬化而產(chǎn)生的自身體積減縮，稱為化學(xué)收縮。其收縮值隨混凝土齡期的增加而增大，大致與時(shí)間的對數(shù)成正比，亦即早期收縮大，后期收縮小。收縮量與水泥用量和水泥品種有關(guān)。水泥用量越大，化學(xué)收縮值越大。這一點(diǎn)在富水泥漿混凝土和高強(qiáng)混凝土中尤應(yīng)引起重視?；瘜W(xué)收縮是不可逆變形。
2. 干縮濕脹
因混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)引起的體積變形，稱為干燥收縮?；炷廖鼭窕蛭鸬呐蛎?，稱為濕脹。在混凝土凝結(jié)硬化初期，如空氣過于干燥或風(fēng)速大、蒸發(fā)快，可導(dǎo)致混凝土塑性收縮裂縫。在混凝土凝結(jié)硬化以后，當(dāng)收縮值過大，收縮應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，可導(dǎo)致混凝土干縮裂縫。因此，混凝土的干燥收縮在實(shí)際工程中必須十分重視。
3．自收縮
混凝土的自收縮問題早在20世紀(jì)40年代就由Davis提出，由于自收縮在普通混凝土中占總收縮的比例較小，在過去的60多年中幾乎被忽略不計(jì)。但隨著低水膠比高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用，混凝土的自收縮問題重新得以關(guān)注。自收縮和干縮產(chǎn)生機(jī)理在實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是一致的，常溫條件下主要由毛細(xì)孔失水，形成水凹液面而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。所不同的只是自收縮是因水泥水化導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺水，外部水分未能及時(shí)補(bǔ)充而產(chǎn)生，這在低水膠比高強(qiáng)高性能混凝土中是及其普遍的。干縮則是混凝土內(nèi)部水分向外部揮發(fā)而產(chǎn)生。研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土的水膠比低于0.3時(shí)，自收縮率高達(dá)200×10-6～400×10-6。此外，膠凝材料的用量增加和硅灰、磨細(xì)礦粉的使用都將增加混凝土的自收縮值。
影響混凝土收縮值的因素主要有：
（1）水泥用量：砂石骨料的收縮值很小，故混凝土的干縮主要來自水泥漿的收縮，水泥漿的收縮值可達(dá)2000×10-6m/m以上。在水灰比一定時(shí)，水泥用量越大，混凝土干縮值也越大。故在高強(qiáng)混凝土配制時(shí)，尤其要控制水泥用量。相反，若骨料含量越高，水泥用量越少，則混凝土干縮越小。對普通混凝土而言，相應(yīng)的干縮比為混凝土:砂漿:水泥漿=1:2:4左右?；炷恋臉O限收縮值約為500～900×10-6m/m。
（2）水灰比：在水泥用量一定時(shí)，水灰比越大，意味著多余水分越多，蒸發(fā)收縮值也越大。因此要嚴(yán)格控制水灰比，盡量降低水灰比。
（3）水泥品種和強(qiáng)度：一般情況下，礦渣水泥比普通水泥收縮大。高強(qiáng)度水泥比低強(qiáng)度水泥收縮大。故對干燥環(huán)境施工和使用的混凝土結(jié)構(gòu)，要盡量避免使用礦渣水泥。
（4）環(huán)境條件：氣溫越高、環(huán)境濕度越小或風(fēng)速越大，混凝土的干燥速度越快，在混凝土凝結(jié)硬化初期特別容易引起干縮開裂，故必須加強(qiáng)早期澆水養(yǎng)護(hù)?？諝庀鄬穸仍降?，最終的極限收縮也越大。
干燥混凝土吸濕或吸水后，其干縮變形可得到部分恢復(fù)，這種變形稱為混凝土的濕脹。對于已干燥的混凝土，即使長期泡在水中，仍有部分干縮變形不能完全恢復(fù)，殘余收縮約為總收縮的30%～50%。這是因?yàn)楦稍镞^程中混凝土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均發(fā)生了變化。但若混凝土一直在水中硬化時(shí)，體積不變，甚至略有膨脹，這是由于凝膠體吸水產(chǎn)生的溶脹作用，與化學(xué)收縮并不矛盾。
3．溫度變形
混凝土的溫度膨脹系數(shù)大約為10×10-6m/m℃。即溫度每升高或降低1℃，長1m的混凝土將產(chǎn)生0.01mm的膨脹或收縮變形?；炷恋臏囟茸冃螌Υ篌w積混凝土、縱長結(jié)構(gòu)混凝土及大面積混凝土工程等極為不利，極易產(chǎn)生溫度裂縫。如縱長100m的混凝土，溫度升高或降低30℃（冬夏季溫差），則將產(chǎn)生30mm的膨脹或收縮，在完全約束條件下，混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生7.5MPa左右拉應(yīng)力，足以導(dǎo)致混凝土開裂。故縱長結(jié)構(gòu)或大面積混凝土均要設(shè)置伸縮縫、配制溫度鋼筋或摻入膨脹劑，防止混凝土開裂。
4．荷載作用下的變形
（1）短期荷載作用下的變形：混凝土在外力作下的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。塑性變形主要由水泥凝膠體的塑性流動(dòng)和各組成間的滑移產(chǎn)生，所以混凝土是一種彈塑性材料，在短期荷載作用下，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為一條曲線，如圖4-15。
圖4-15 混凝土在荷載作用下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系
（2）混凝土的靜力彈性模量：彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變之比值。對純彈性材料來說，彈性模量是一個(gè)定值，而對混凝土這一彈塑性材料來說，不同應(yīng)力水平的應(yīng)力與應(yīng)變之比值為變數(shù)。應(yīng)力水平越高，塑性變形比重越大，故測得的比值越小。因此，我國GBJ81—85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，混凝土的彈性模量是以棱柱體（150mm×150mm×300mm）試件抗壓強(qiáng)度的40%作為控制值，在此應(yīng)力水平下重復(fù)加荷—卸荷3次以上，以基本消除塑性變形后測得的應(yīng)力－應(yīng)變之比值，是一個(gè)條件彈性模量，在數(shù)值上近似等于初始切線的斜率。表達(dá)式為：
（4-14）
式中：
——混凝土靜力抗壓彈性模量MPa；
——混凝土的應(yīng)力取40%的棱柱體強(qiáng)度MPa；
——混凝土應(yīng)力為
時(shí)的彈性應(yīng)變（m/m無量綱）。
影響彈性模量的因素主要有：①混凝土強(qiáng)度越高，彈性模量越大。C10～C60混凝土的彈性模量約在1.75～3.60×104MPa。② 骨料含量越高，骨料自身的彈性模量越大，則混凝土彈性模量越大。③混凝土水灰比越小，混凝土越密實(shí)，彈性模量越大。④混凝土養(yǎng)護(hù)齡期越長，彈性模量也越大。⑤早期養(yǎng)護(hù)溫度較低時(shí)，彈性模量較大，亦即蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的彈性模量較小。⑥摻入引氣劑將使混凝土彈性模量下降。
（3） 長期荷載作用下的變形——徐變：混凝土在一定的應(yīng)力水平（如50%～70%的極限強(qiáng)度）下，保持荷載不變，隨著時(shí)間的延續(xù)而增加的變形稱為徐變。徐變產(chǎn)生的原因主要是凝膠體的粘性流動(dòng)和滑移。加荷早期的徐變增加較快，后期減緩，如圖4-16所示。混凝土在卸荷后，一部分變形瞬間恢復(fù)，這一變形小于最初加荷時(shí)產(chǎn)生的彈塑性變形。在卸荷后一定時(shí)間內(nèi)，變形還會(huì)緩慢恢復(fù)一部分，稱為徐變恢復(fù)。最后殘留部分的變形稱為殘余變形。混凝土的徐變一般可達(dá)300×10-6～1500×10-6m/m。
混凝土的徐變在不同結(jié)構(gòu)物中有不同的作用。對普通鋼筋混凝土構(gòu)件，能消除混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，減弱混凝土的開裂現(xiàn)象。對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的徐變使預(yù)應(yīng)力損失大大增加，這是極其不利的。因此預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一般要求較高的混凝土強(qiáng)度等級以減小徐變及預(yù)應(yīng)力損失。
圖4-16 混凝土的應(yīng)變與荷載作用時(shí)間的關(guān)系
影響混凝土徐變變形的因素主要有：①水泥用量越大（水灰比一定時(shí)），徐變越大。②W/C越小，徐變越小。③齡期長、結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高，則徐變小。④骨料用量多，彈性模量高，級配好，最大粒徑大，則徐變小。⑤應(yīng)力水平越高，徐變越大。此外還與試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力種類、試件尺寸、溫度等有關(guān)。
（三）混凝土的耐久性
混凝土的耐久性是指在外部和內(nèi)部不利因素的長期作用下，保持其原有設(shè)計(jì)性能和使用功能的性質(zhì)。是混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用的重要指標(biāo)。外部因素指的是酸、堿、鹽的腐蝕作用，冰凍破壞作用，水壓滲透作用，碳化作用，干濕循環(huán)引起的風(fēng)化作用，荷載應(yīng)力作用和振動(dòng)沖擊作用等等。內(nèi)部因素主要指的是堿骨料反應(yīng)和自身體積變化。通常用混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性能、抗腐蝕性能和堿骨料反應(yīng)綜合評價(jià)混凝土的耐久性。
《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2002）對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性作了明確界定，共分為五大環(huán)境類別，見表4－16。其中一類、二類和三類環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)符合表4－17的規(guī)定。
注：
1. 氯離子含量系指其占水泥用量的百分率；
2. 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土中的最大氯離子含量為0.06%，最小水泥用量為300kg/m3；最低混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)按表中規(guī)定提高兩個(gè)等級；
3. 素混凝土結(jié)構(gòu)的最水泥用量不應(yīng)少于表中數(shù)值減25kg/m3；
4. 當(dāng)混凝土中加入活性摻合料或能提高耐久性的外加劑時(shí)，可適當(dāng)降低最小水泥用量；
5. 當(dāng)有可靠工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對處于一類和二類環(huán)境中的最低混凝土強(qiáng)度等級可降低一個(gè)等級；
6. 當(dāng)使用非堿活性骨料時(shí)，對混凝土中的堿含量可不作限制。
此外，對一類環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土，應(yīng)符合下列規(guī)定：
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強(qiáng)度等級為C30；預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為C40；最大氯離子含量為0.06%；宜使用非堿活性骨料，當(dāng)使用堿活性骨料時(shí)，最大堿含量為3.0kg/m3；保護(hù)層厚度相應(yīng)增加40%；使用過程中應(yīng)定期維護(hù)。
對二類和三類環(huán)境中設(shè)計(jì)使用年限為100年的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取專門有效措施。
三類環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其受力鋼筋宜采用環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋；對預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器，應(yīng)采取專門防護(hù)措施。
四類和五類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性要求應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
1．混凝土的抗?jié)B性
混凝土的抗?jié)B性是指抵抗壓力液體（水、油、溶液等）滲透作用的能力?？?jié)B性是決定混凝土耐久性最主要的技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)榛炷量節(jié)B性好，即混凝土密實(shí)性高，外界腐蝕介質(zhì)不易侵入混凝土內(nèi)部，從而抗腐蝕性能就好。同樣，水不易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，冰凍破壞作用和風(fēng)化作用就小。因此混凝土的抗?jié)B性可以認(rèn)為是混凝土耐久性指標(biāo)的綜合體現(xiàn)。對一般混凝土結(jié)構(gòu)，特別是地下建筑、水池、水塔、水管、水壩、排污管渠、油罐以及港工、海工混凝土結(jié)構(gòu)，更應(yīng)保證混凝土具有足夠的抗?jié)B性能。
混凝土的抗?jié)B性能用抗?jié)B標(biāo)號(hào)表示?？?jié)B標(biāo)號(hào)是根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82—85）的規(guī)定，通過試驗(yàn)確定，分為P4、P6、P8、P10和P12共5個(gè)等級，分別表示混凝土能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0和1.2MPa的水壓力而不滲漏。
影響混凝土抗?jié)B性的主要因素有：
（1）水灰比和水泥用量：水灰比和水泥用量是影響混凝土抗?jié)B透性能的最主要指標(biāo)。水灰比越大，多余水分蒸發(fā)后留下的毛細(xì)孔道就多，亦即孔隙率大，又多為連通孔隙，故混凝土抗?jié)B性能越差。特別是當(dāng)水灰比大于0.6時(shí)，抗?jié)B性能急劇下降。因此，為了保證混凝土的耐久性，對水灰比必須加以限制。如某些工程從強(qiáng)度計(jì)算出發(fā)可以選用較大水灰比，但為了保證耐久性又必須選用較小水灰比，此時(shí)只能提高強(qiáng)度、服從耐久性要求。為保證混凝土耐久性，水泥用量的多少，在某種程度上可由水灰比表示。因?yàn)榛炷吝_(dá)到一定流動(dòng)性的用水量基本一定，水泥用量少，亦即水灰比大。我國JGJ52—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》對混凝土工程最大水灰比和最小水泥用量的限制條件見表4-18。
注：
1. 當(dāng)用活性摻合料取代部分水泥時(shí)，表中的最大水灰比及最水泥用量即為替代前的水灰比和水泥用量。
2. 配制C15級及其以下等級的混凝土?xí)r，可不受本表的限制。
（2）骨料含泥量和級配。骨料含泥量高，則總表面積增大，混凝土達(dá)到同樣流動(dòng)性所需用水量增加，毛細(xì)孔道增多；另一方面，含泥量大的骨料界面粘結(jié)強(qiáng)度低，也將降低混凝土的抗?jié)B性能。若骨料級配差，則骨料空隙率大，填滿空隙所需水泥漿增大，同樣導(dǎo)致毛細(xì)孔增加，影響抗?jié)B性能。如水泥漿不能完全填滿骨料空隙，則抗?jié)B性能更差。
（3）施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件。攪拌均勻、振搗密實(shí)是混凝土抗?jié)B性能的重要保證。適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)溫度和澆水養(yǎng)護(hù)是保證混凝土抗?jié)B性能的基本措施。如果振搗不密實(shí)留下蜂窩、空洞，抗?jié)B性就嚴(yán)重下降，如果溫度過低產(chǎn)生凍害或溫度過高產(chǎn)生溫度裂縫，抗?jié)B性能嚴(yán)重降低。如果澆水養(yǎng)護(hù)不足，混凝土產(chǎn)生干縮裂縫，也嚴(yán)重降低混凝土抗?jié)B性能。因此，要保證混凝土良好的抗?jié)B性能，施工養(yǎng)護(hù)是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。
此外，水泥的品種、混凝土拌合物的保水性和粘聚性等，對混凝土抗?jié)B性能也有顯著影響。
提高混凝土抗?jié)B性的措施，除了對上述相關(guān)因素加以嚴(yán)格控制和合理選擇外，可通過摻入引氣劑或引氣減水劑提高抗?jié)B性。其主要作用機(jī)理是引入微細(xì)閉氣孔、阻斷連通毛細(xì)孔道，同時(shí)降低用水量或水灰比。對長期處于潮濕和嚴(yán)寒環(huán)境中混凝土的含氣量應(yīng)分別不小于4.5%（Dmax=40mm）、5.5%（Dmax=25mm）、5.0%（Dmax=20mm）。
2．混凝土的抗凍性
混凝土的抗凍性是指混凝土在吸水飽和狀態(tài)下、能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性能。
混凝土凍融破壞的機(jī)理，主要是內(nèi)部毛細(xì)孔中的水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生9%左右的體積膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)這種膨脹應(yīng)力超過混凝土局部的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就可能產(chǎn)生微細(xì)裂縫，在反復(fù)凍融作用下，混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫逐漸增多和擴(kuò)大，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降，或混凝土表面（特別是棱角處）產(chǎn)生酥松剝落，直至完全破壞。
混凝土抗凍性以抗凍標(biāo)號(hào)表示?？箖鰳?biāo)號(hào)的測定根據(jù)GBJ82—85的規(guī)定進(jìn)行。將吸水飽和的混凝土試件在-15℃條件下冰凍4小時(shí)，再在20℃水中融化4小時(shí)作為一個(gè)循環(huán)，以抗壓強(qiáng)度下降不超過25%，重量損失不超過5%時(shí)，混凝土所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來表示?；炷恋目箖鰳?biāo)號(hào)分為D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250和D300共9個(gè)標(biāo)號(hào)，其中的數(shù)字表示混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。如D200，即表示該混凝土能承受200次凍融循環(huán)，且強(qiáng)度損失小于25%，重量損失小于5%。
影響混凝土抗凍性的主要因素有：①水灰比或孔隙率。水灰比大，則孔隙率大，導(dǎo)致吸水率增大，冰凍破壞嚴(yán)重，抗凍性差。②孔隙特征。連通毛細(xì)孔易吸水飽和，凍害嚴(yán)重。若為封閉孔，則不易吸水，凍害就小。故加入引氣劑能提高抗凍性。若為粗大孔洞，則混凝土一離開水面水就流失，凍害就小。故無砂大孔混凝土的抗凍性較好。③吸水飽和程度。若混凝土的孔隙非完全吸水飽和，冰凍過程產(chǎn)生的壓力促使水分向孔隙處遷移，從而降低冰凍膨脹應(yīng)力，對混凝土破壞作用就小。④混凝土的自身強(qiáng)度。在相同的冰凍破壞應(yīng)力作用下，混凝土強(qiáng)度越高，凍害程度也就越低。此外還與降溫速度和冰凍溫度有關(guān)。
從上述分析可知，要提高混凝土抗凍性，關(guān)鍵是提高混凝土的密實(shí)性，即降低水灰比；加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，提高混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性，同時(shí)也可摻入引氣劑等改善孔結(jié)構(gòu)。
3．混凝土的抗碳化性能
（1）混凝土碳化機(jī)理。混凝土碳化是指混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物Ca（OH）2與空氣中的CO2在一定濕度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3和水的過程。反應(yīng)式如下：
Ca（OH）2+ CO2+H2O= CaCO3+2H2O
碳化使混凝土的堿度下降，故也稱混凝土中性化。碳化過程是由表及里逐步向混凝土內(nèi)部發(fā)展的，碳化深度大致與碳化時(shí)間的平方根成正比，可用下式表示：
（4-15）
式中：
L——碳化深度（mm）；
t——碳化時(shí)間（d）；
K ——碳化速度系數(shù)。
碳化速度系數(shù)與混凝土的原材料、孔隙率和孔隙構(gòu)造、Dmax濃度、溫度、濕度等條件有關(guān)。在外部條件（Dmax濃度、溫度、濕度）一定的情況下，它反映混凝土的抗碳化能力強(qiáng)弱。
值越大，混凝土碳化速度越快，抗碳化能力越差。
（2）碳化對混凝土性能的影響。碳化作用對混凝土的負(fù)面影響主要有兩方面，一是碳化作用使混凝土的收縮增大，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而降低混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致混凝土開裂。由于開裂降低了混凝土的抗?jié)B性能，使得Dmax和其他腐蝕介質(zhì)更易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，加速碳化作用，降低耐久性。二是碳化作用使混凝土的堿度降低，失去混凝土強(qiáng)堿環(huán)境對鋼筋的保護(hù)作用，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，嚴(yán)重時(shí)，使混凝土保護(hù)層沿鋼筋縱向開裂，直至剝落，進(jìn)一步加速碳化和腐蝕，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能。
碳化作用生成的CaCO3能填充混凝土中的孔隙，使密實(shí)度提高；另一方而，碳化作用釋放出的水分有利于促進(jìn)未水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化。因此，碳化作用能適當(dāng)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但對混凝土結(jié)構(gòu)工程而言，碳化作用造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度的提高。
（3）影響混凝土碳化速度的主要因素。
① 混凝土的水灰比：前面已詳細(xì)分析過，水灰比大小主要影響混凝土孔隙率和密實(shí)度。因此水灰比大，混凝土的碳化速度就快。這是影響混凝土碳化速度的最主要因素。
② 水泥品種和用量：普通水泥水化產(chǎn)物中Ca（OH）2含量高，碳化同樣深度所消耗的Dmax量要求多，相當(dāng)于碳化速度減慢。而礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥以及高摻量混合材配制的混凝土，Ca（OH）2含量低，故碳化速度相對較快。水泥用量大，碳化速度慢。
③ 施工養(yǎng)護(hù)：攪拌均勻、振搗成型密實(shí)、養(yǎng)護(hù)良好的混凝土碳化速度較慢。蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土碳化速度相對較快。
④ 環(huán)境條件：空氣中Dmax的濃度大，碳化速度加快。當(dāng)空氣相對濕度為50%～75%時(shí)，碳化速度最快。當(dāng)相對濕度小于20%時(shí)，由于缺少水環(huán)境，碳化終止；當(dāng)相對濕度達(dá)100%或水中混凝土，由于Dmax不易進(jìn)入混凝土孔隙內(nèi)，碳化也將停止。
（4）提高混凝土抗碳化性能的措施。從前述影響混凝土碳化速度的因素分析可知，提高混凝土抗碳化性能的關(guān)鍵是提高混凝土的密實(shí)性，降低孔隙率，阻止Dmax向混凝土內(nèi)部滲透。絕對密實(shí)的混凝土碳化作用也就自然停止。因此提高混凝土碳化性能的主要措施為：盡可能降低混凝土的水灰比，提高密實(shí)度；加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，保證混凝土均勻密實(shí)，水泥水化充分；根據(jù)環(huán)境條件合理選擇水泥品種；用減水劑、引氣劑等外加劑降低水灰比或引入封密氣孔改善孔結(jié)構(gòu)；必要時(shí)還可以采用表面涂刷石灰水等加以保護(hù)。
4．混凝土的堿—骨料反應(yīng)
堿—骨料反應(yīng)是指混凝土內(nèi)水泥中所含的堿（K2O和Na2O），與骨料中的活性SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在骨料表面形成堿——硅酸凝膠，吸水后將產(chǎn)生3倍以上的體積膨脹，從而導(dǎo)致混凝土膨脹開裂而破壞。堿骨料反應(yīng)引起的破壞，一般要經(jīng)過若干年后才會(huì)發(fā)現(xiàn)，而一旦發(fā)生則很難修復(fù)，因此，對水泥中堿含量大于0.6%；骨料中含有活性SiO2且在潮濕環(huán)境或水中使用的混凝土工程，必須加以重視。大型水工結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、高等級公路、飛機(jī)場跑道一般均要求對骨料進(jìn)行堿活性試驗(yàn)或?qū)λ嗟膲A含量加以限制。
5．混凝土的耐磨性。耐磨性是路面、機(jī)場跑道和橋梁混凝土的重要性能指標(biāo)之一。作為高等級路面的水泥混凝土，必須具有較高的耐磨性能。橋墩、溢洪道面、管渠、河壩等均要求混凝土具有較好的抗沖涮耐磨性能。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（JTJ053/T0527—94），混凝土的耐磨性采用150mm×150mm×150mm的立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至27天，在60℃條件下烘干恒重，然后在帶有花輪磨頭的混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)上，外加200N負(fù)荷磨削50轉(zhuǎn)。按下式計(jì)算磨損量：
（4-16）
式中：
G——單位面積磨損量（kg/m2）；
m0——試件的原始重量（kg）；
m1——試件磨損后的重量（kg）。
6．提高混凝土耐久性的措施
雖然混凝土工程因所處環(huán)境和使用條件不同，要求有不同的耐久性，但就影響混凝土耐久性的因素來說，良好的混凝土密實(shí)度是關(guān)鍵，因此提高混凝土的耐久性可以從以下幾方而進(jìn)行：
（1） 控制混凝土最大水灰比和最小水泥用量。
（2） 合理選擇水泥品種。
（3） 選用良好的骨料質(zhì)量和級配。
（4） 加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。
（5） 采用適宜的外加劑。
（6） 摻入粉煤灰、礦粉、硅灰或沸石粉等活性混合材料。
（二）混凝土的變形性能
混凝土在凝結(jié)硬化過程和凝結(jié)硬化以后，均將產(chǎn)生一定量的體積變形。主要包括化學(xué)收縮、干濕變形、自收縮、溫度變形及荷載作用下的變形。
1. 化學(xué)收縮
由于水泥水化產(chǎn)物的體積小于反應(yīng)前水泥和水的總體積，從而使混凝土出現(xiàn)體積收縮。這種由水泥水化和凝結(jié)硬化而產(chǎn)生的自身體積減縮，稱為化學(xué)收縮。其收縮值隨混凝土齡期的增加而增大，大致與時(shí)間的對數(shù)成正比，亦即早期收縮大，后期收縮小。收縮量與水泥用量和水泥品種有關(guān)。水泥用量越大，化學(xué)收縮值越大。這一點(diǎn)在富水泥漿混凝土和高強(qiáng)混凝土中尤應(yīng)引起重視?；瘜W(xué)收縮是不可逆變形。
2. 干縮濕脹
因混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)引起的體積變形，稱為干燥收縮?；炷廖鼭窕蛭鸬呐蛎?，稱為濕脹。在混凝土凝結(jié)硬化初期，如空氣過于干燥或風(fēng)速大、蒸發(fā)快，可導(dǎo)致混凝土塑性收縮裂縫。在混凝土凝結(jié)硬化以后，當(dāng)收縮值過大，收縮應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，可導(dǎo)致混凝土干縮裂縫。因此，混凝土的干燥收縮在實(shí)際工程中必須十分重視。
3．自收縮
混凝土的自收縮問題早在20世紀(jì)40年代就由Davis提出，由于自收縮在普通混凝土中占總收縮的比例較小，在過去的60多年中幾乎被忽略不計(jì)。但隨著低水膠比高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用，混凝土的自收縮問題重新得以關(guān)注。自收縮和干縮產(chǎn)生機(jī)理在實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是一致的，常溫條件下主要由毛細(xì)孔失水，形成水凹液面而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。所不同的只是自收縮是因水泥水化導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺水，外部水分未能及時(shí)補(bǔ)充而產(chǎn)生，這在低水膠比高強(qiáng)高性能混凝土中是及其普遍的。干縮則是混凝土內(nèi)部水分向外部揮發(fā)而產(chǎn)生。研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土的水膠比低于0.3時(shí)，自收縮率高達(dá)200×10-6～400×10-6。此外，膠凝材料的用量增加和硅灰、磨細(xì)礦粉的使用都將增加混凝土的自收縮值。
影響混凝土收縮值的因素主要有：
（1）水泥用量：砂石骨料的收縮值很小，故混凝土的干縮主要來自水泥漿的收縮，水泥漿的收縮值可達(dá)2000×10-6m/m以上。在水灰比一定時(shí)，水泥用量越大，混凝土干縮值也越大。故在高強(qiáng)混凝土配制時(shí)，尤其要控制水泥用量。相反，若骨料含量越高，水泥用量越少，則混凝土干縮越小。對普通混凝土而言，相應(yīng)的干縮比為混凝土:砂漿:水泥漿=1:2:4左右?；炷恋臉O限收縮值約為500～900×10-6m/m。
（2）水灰比：在水泥用量一定時(shí)，水灰比越大，意味著多余水分越多，蒸發(fā)收縮值也越大。因此要嚴(yán)格控制水灰比，盡量降低水灰比。
（3）水泥品種和強(qiáng)度：一般情況下，礦渣水泥比普通水泥收縮大。高強(qiáng)度水泥比低強(qiáng)度水泥收縮大。故對干燥環(huán)境施工和使用的混凝土結(jié)構(gòu)，要盡量避免使用礦渣水泥。
（4）環(huán)境條件：氣溫越高、環(huán)境濕度越小或風(fēng)速越大，混凝土的干燥速度越快，在混凝土凝結(jié)硬化初期特別容易引起干縮開裂，故必須加強(qiáng)早期澆水養(yǎng)護(hù)?？諝庀鄬穸仍降?，最終的極限收縮也越大。
干燥混凝土吸濕或吸水后，其干縮變形可得到部分恢復(fù)，這種變形稱為混凝土的濕脹。對于已干燥的混凝土，即使長期泡在水中，仍有部分干縮變形不能完全恢復(fù)，殘余收縮約為總收縮的30%～50%。這是因?yàn)楦稍镞^程中混凝土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均發(fā)生了變化。但若混凝土一直在水中硬化時(shí)，體積不變，甚至略有膨脹，這是由于凝膠體吸水產(chǎn)生的溶脹作用，與化學(xué)收縮并不矛盾。
3．溫度變形
混凝土的溫度膨脹系數(shù)大約為10×10-6m/m℃。即溫度每升高或降低1℃，長1m的混凝土將產(chǎn)生0.01mm的膨脹或收縮變形?；炷恋臏囟茸冃螌Υ篌w積混凝土、縱長結(jié)構(gòu)混凝土及大面積混凝土工程等極為不利，極易產(chǎn)生溫度裂縫。如縱長100m的混凝土，溫度升高或降低30℃（冬夏季溫差），則將產(chǎn)生30mm的膨脹或收縮，在完全約束條件下，混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生7.5MPa左右拉應(yīng)力，足以導(dǎo)致混凝土開裂。故縱長結(jié)構(gòu)或大面積混凝土均要設(shè)置伸縮縫、配制溫度鋼筋或摻入膨脹劑，防止混凝土開裂。
4．荷載作用下的變形
（1）短期荷載作用下的變形：混凝土在外力作下的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。塑性變形主要由水泥凝膠體的塑性流動(dòng)和各組成間的滑移產(chǎn)生，所以混凝土是一種彈塑性材料，在短期荷載作用下，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為一條曲線，如圖4-15。
圖4-15 混凝土在荷載作用下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系
（2）混凝土的靜力彈性模量：彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變之比值。對純彈性材料來說，彈性模量是一個(gè)定值，而對混凝土這一彈塑性材料來說，不同應(yīng)力水平的應(yīng)力與應(yīng)變之比值為變數(shù)。應(yīng)力水平越高，塑性變形比重越大，故測得的比值越小。因此，我國GBJ81—85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，混凝土的彈性模量是以棱柱體（150mm×150mm×300mm）試件抗壓強(qiáng)度的40%作為控制值，在此應(yīng)力水平下重復(fù)加荷—卸荷3次以上，以基本消除塑性變形后測得的應(yīng)力－應(yīng)變之比值，是一個(gè)條件彈性模量，在數(shù)值上近似等于初始切線的斜率。表達(dá)式為：
（4-14）
式中：
——混凝土靜力抗壓彈性模量MPa； ——混凝土的應(yīng)力取40%的棱柱體強(qiáng)度MPa； ——混凝土應(yīng)力為時(shí)的彈性應(yīng)變（m/m無量綱）。 影響彈性模量的因素主要有：①混凝土強(qiáng)度越高，彈性模量越大。C10～C60混凝土的彈性模量約在1.75～3.60×104MPa。② 骨料含量越高，骨料自身的彈性模量越大，則混凝土彈性模量越大。③混凝土水灰比越小，混凝土越密實(shí)，彈性模量越大。④混凝土養(yǎng)護(hù)齡期越長，彈性模量也越大。⑤早期養(yǎng)護(hù)溫度較低時(shí)，彈性模量較大，亦即蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的彈性模量較小。⑥摻入引氣劑將使混凝土彈性模量下降。
（3） 長期荷載作用下的變形——徐變：混凝土在一定的應(yīng)力水平（如50%～70%的極限強(qiáng)度）下，保持荷載不變，隨著時(shí)間的延續(xù)而增加的變形稱為徐變。徐變產(chǎn)生的原因主要是凝膠體的粘性流動(dòng)和滑移。加荷早期的徐變增加較快，后期減緩，如圖4-16所示。混凝土在卸荷后，一部分變形瞬間恢復(fù)，這一變形小于最初加荷時(shí)產(chǎn)生的彈塑性變形。在卸荷后一定時(shí)間內(nèi)，變形還會(huì)緩慢恢復(fù)一部分，稱為徐變恢復(fù)。最后殘留部分的變形稱為殘余變形。混凝土的徐變一般可達(dá)300×10-6～1500×10-6m/m。
混凝土的徐變在不同結(jié)構(gòu)物中有不同的作用。對普通鋼筋混凝土構(gòu)件，能消除混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，減弱混凝土的開裂現(xiàn)象。對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的徐變使預(yù)應(yīng)力損失大大增加，這是極其不利的。因此預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一般要求較高的混凝土強(qiáng)度等級以減小徐變及預(yù)應(yīng)力損失。
圖4-16 混凝土的應(yīng)變與荷載作用時(shí)間的關(guān)系
影響混凝土徐變變形的因素主要有：①水泥用量越大（水灰比一定時(shí)），徐變越大。②W/C越小，徐變越小。③齡期長、結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高，則徐變小。④骨料用量多，彈性模量高，級配好，最大粒徑大，則徐變小。⑤應(yīng)力水平越高，徐變越大。此外還與試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力種類、試件尺寸、溫度等有關(guān)。
（三）混凝土的耐久性
混凝土的耐久性是指在外部和內(nèi)部不利因素的長期作用下，保持其原有設(shè)計(jì)性能和使用功能的性質(zhì)。是混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用的重要指標(biāo)。外部因素指的是酸、堿、鹽的腐蝕作用，冰凍破壞作用，水壓滲透作用，碳化作用，干濕循環(huán)引起的風(fēng)化作用，荷載應(yīng)力作用和振動(dòng)沖擊作用等等。內(nèi)部因素主要指的是堿骨料反應(yīng)和自身體積變化。通常用混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性能、抗腐蝕性能和堿骨料反應(yīng)綜合評價(jià)混凝土的耐久性。
《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2002）對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性作了明確界定，共分為五大環(huán)境類別，見表4－16。其中一類、二類和三類環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)符合表4－17的規(guī)定。
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表4-16 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別 | ||
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環(huán)境類別 |
條件 | |
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一 |
室內(nèi)正常環(huán)境 | |
|
二 |
a |
室內(nèi)潮濕環(huán)境；非嚴(yán)寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境 |
|
b |
嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境 | |
|
三 |
使用冰鹽的環(huán)境；嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季水位變動(dòng)的環(huán)境；濱海室外環(huán)境 | |
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四 |
海水環(huán)境 | |
|
五 |
受人為或自然的侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境 | |
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表4-17 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求 | ||||||
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環(huán)境類別 |
最大水灰比 |
最小水泥用量（kg/m3） |
最低混凝土強(qiáng)度等級 |
最大氯離子含量（%） |
最大堿含量（kg/m3） | |
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一 |
0.65 |
225 |
C20 |
1.0 |
不限制 | |
|
二 |
a |
0.60 |
250 |
C25 |
0.3 |
3.0 |
|
b |
0.55 |
275 |
C30 |
0.2 |
3.0 | |
|
三 |
0.50 |
300 |
C30 |
0.1 |
3.0 | |
注：
1. 氯離子含量系指其占水泥用量的百分率；
2. 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土中的最大氯離子含量為0.06%，最小水泥用量為300kg/m3；最低混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)按表中規(guī)定提高兩個(gè)等級；
3. 素混凝土結(jié)構(gòu)的最水泥用量不應(yīng)少于表中數(shù)值減25kg/m3；
4. 當(dāng)混凝土中加入活性摻合料或能提高耐久性的外加劑時(shí)，可適當(dāng)降低最小水泥用量；
5. 當(dāng)有可靠工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對處于一類和二類環(huán)境中的最低混凝土強(qiáng)度等級可降低一個(gè)等級；
6. 當(dāng)使用非堿活性骨料時(shí)，對混凝土中的堿含量可不作限制。
此外，對一類環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土，應(yīng)符合下列規(guī)定：
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強(qiáng)度等級為C30；預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為C40；最大氯離子含量為0.06%；宜使用非堿活性骨料，當(dāng)使用堿活性骨料時(shí)，最大堿含量為3.0kg/m3；保護(hù)層厚度相應(yīng)增加40%；使用過程中應(yīng)定期維護(hù)。
對二類和三類環(huán)境中設(shè)計(jì)使用年限為100年的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取專門有效措施。
三類環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其受力鋼筋宜采用環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋；對預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器，應(yīng)采取專門防護(hù)措施。
四類和五類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性要求應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
1．混凝土的抗?jié)B性
混凝土的抗?jié)B性是指抵抗壓力液體（水、油、溶液等）滲透作用的能力?？?jié)B性是決定混凝土耐久性最主要的技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)榛炷量節(jié)B性好，即混凝土密實(shí)性高，外界腐蝕介質(zhì)不易侵入混凝土內(nèi)部，從而抗腐蝕性能就好。同樣，水不易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，冰凍破壞作用和風(fēng)化作用就小。因此混凝土的抗?jié)B性可以認(rèn)為是混凝土耐久性指標(biāo)的綜合體現(xiàn)。對一般混凝土結(jié)構(gòu)，特別是地下建筑、水池、水塔、水管、水壩、排污管渠、油罐以及港工、海工混凝土結(jié)構(gòu)，更應(yīng)保證混凝土具有足夠的抗?jié)B性能。
混凝土的抗?jié)B性能用抗?jié)B標(biāo)號(hào)表示?？?jié)B標(biāo)號(hào)是根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82—85）的規(guī)定，通過試驗(yàn)確定，分為P4、P6、P8、P10和P12共5個(gè)等級，分別表示混凝土能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0和1.2MPa的水壓力而不滲漏。
影響混凝土抗?jié)B性的主要因素有：
（1）水灰比和水泥用量：水灰比和水泥用量是影響混凝土抗?jié)B透性能的最主要指標(biāo)。水灰比越大，多余水分蒸發(fā)后留下的毛細(xì)孔道就多，亦即孔隙率大，又多為連通孔隙，故混凝土抗?jié)B性能越差。特別是當(dāng)水灰比大于0.6時(shí)，抗?jié)B性能急劇下降。因此，為了保證混凝土的耐久性，對水灰比必須加以限制。如某些工程從強(qiáng)度計(jì)算出發(fā)可以選用較大水灰比，但為了保證耐久性又必須選用較小水灰比，此時(shí)只能提高強(qiáng)度、服從耐久性要求。為保證混凝土耐久性，水泥用量的多少，在某種程度上可由水灰比表示。因?yàn)榛炷吝_(dá)到一定流動(dòng)性的用水量基本一定，水泥用量少，亦即水灰比大。我國JGJ52—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》對混凝土工程最大水灰比和最小水泥用量的限制條件見表4-18。
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表4-18 混凝土的最大水灰比和最小水泥用量 | ||||||||
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環(huán)境條件
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結(jié)構(gòu)物類別
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最大水灰比 |
最小水泥用量（kg/m3） | |||||
|
素混凝土 |
鋼筋混凝土 |
預(yù)應(yīng)力混凝土 |
素混凝土 |
鋼筋混凝土 |
預(yù)應(yīng)力混凝土 | |||
|
1.干燥環(huán)境 |
正常的居住或辦公用房屋內(nèi)部件 |
不作規(guī)定 |
0.65 |
0.60 |
200 |
260 |
300 | |
|
2.潮濕環(huán)境 |
無凍害 |
高濕度的室內(nèi)部件、室外部件、在非侵蝕性土和（或）水中的部位 |
0.70 |
0.60 |
0.60 |
225 |
280 |
300 |
|
有凍害 |
經(jīng)受凍害的室外部件、在非侵蝕性土和（或）水中且經(jīng)受凍害的部件、高濕度且經(jīng)受凍害的室內(nèi)部件 |
0.55 |
0.55 |
0.55 |
250 |
280 |
300 | |
|
3.有凍害和除冰劑的潮濕環(huán)境 |
經(jīng)受凍害和除冰劑作用的室內(nèi)和室外部件 |
0.50 |
0.50 |
0.50 |
300 |
300 |
300 | |
注：
1. 當(dāng)用活性摻合料取代部分水泥時(shí)，表中的最大水灰比及最水泥用量即為替代前的水灰比和水泥用量。
2. 配制C15級及其以下等級的混凝土?xí)r，可不受本表的限制。
（2）骨料含泥量和級配。骨料含泥量高，則總表面積增大，混凝土達(dá)到同樣流動(dòng)性所需用水量增加，毛細(xì)孔道增多；另一方面，含泥量大的骨料界面粘結(jié)強(qiáng)度低，也將降低混凝土的抗?jié)B性能。若骨料級配差，則骨料空隙率大，填滿空隙所需水泥漿增大，同樣導(dǎo)致毛細(xì)孔增加，影響抗?jié)B性能。如水泥漿不能完全填滿骨料空隙，則抗?jié)B性能更差。
（3）施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件。攪拌均勻、振搗密實(shí)是混凝土抗?jié)B性能的重要保證。適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)溫度和澆水養(yǎng)護(hù)是保證混凝土抗?jié)B性能的基本措施。如果振搗不密實(shí)留下蜂窩、空洞，抗?jié)B性就嚴(yán)重下降，如果溫度過低產(chǎn)生凍害或溫度過高產(chǎn)生溫度裂縫，抗?jié)B性能嚴(yán)重降低。如果澆水養(yǎng)護(hù)不足，混凝土產(chǎn)生干縮裂縫，也嚴(yán)重降低混凝土抗?jié)B性能。因此，要保證混凝土良好的抗?jié)B性能，施工養(yǎng)護(hù)是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。
此外，水泥的品種、混凝土拌合物的保水性和粘聚性等，對混凝土抗?jié)B性能也有顯著影響。
提高混凝土抗?jié)B性的措施，除了對上述相關(guān)因素加以嚴(yán)格控制和合理選擇外，可通過摻入引氣劑或引氣減水劑提高抗?jié)B性。其主要作用機(jī)理是引入微細(xì)閉氣孔、阻斷連通毛細(xì)孔道，同時(shí)降低用水量或水灰比。對長期處于潮濕和嚴(yán)寒環(huán)境中混凝土的含氣量應(yīng)分別不小于4.5%（Dmax=40mm）、5.5%（Dmax=25mm）、5.0%（Dmax=20mm）。
2．混凝土的抗凍性
混凝土的抗凍性是指混凝土在吸水飽和狀態(tài)下、能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性能。
混凝土凍融破壞的機(jī)理，主要是內(nèi)部毛細(xì)孔中的水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生9%左右的體積膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)這種膨脹應(yīng)力超過混凝土局部的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就可能產(chǎn)生微細(xì)裂縫，在反復(fù)凍融作用下，混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫逐漸增多和擴(kuò)大，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降，或混凝土表面（特別是棱角處）產(chǎn)生酥松剝落，直至完全破壞。
混凝土抗凍性以抗凍標(biāo)號(hào)表示?？箖鰳?biāo)號(hào)的測定根據(jù)GBJ82—85的規(guī)定進(jìn)行。將吸水飽和的混凝土試件在-15℃條件下冰凍4小時(shí)，再在20℃水中融化4小時(shí)作為一個(gè)循環(huán)，以抗壓強(qiáng)度下降不超過25%，重量損失不超過5%時(shí)，混凝土所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來表示?；炷恋目箖鰳?biāo)號(hào)分為D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250和D300共9個(gè)標(biāo)號(hào)，其中的數(shù)字表示混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。如D200，即表示該混凝土能承受200次凍融循環(huán)，且強(qiáng)度損失小于25%，重量損失小于5%。
影響混凝土抗凍性的主要因素有：①水灰比或孔隙率。水灰比大，則孔隙率大，導(dǎo)致吸水率增大，冰凍破壞嚴(yán)重，抗凍性差。②孔隙特征。連通毛細(xì)孔易吸水飽和，凍害嚴(yán)重。若為封閉孔，則不易吸水，凍害就小。故加入引氣劑能提高抗凍性。若為粗大孔洞，則混凝土一離開水面水就流失，凍害就小。故無砂大孔混凝土的抗凍性較好。③吸水飽和程度。若混凝土的孔隙非完全吸水飽和，冰凍過程產(chǎn)生的壓力促使水分向孔隙處遷移，從而降低冰凍膨脹應(yīng)力，對混凝土破壞作用就小。④混凝土的自身強(qiáng)度。在相同的冰凍破壞應(yīng)力作用下，混凝土強(qiáng)度越高，凍害程度也就越低。此外還與降溫速度和冰凍溫度有關(guān)。
從上述分析可知，要提高混凝土抗凍性，關(guān)鍵是提高混凝土的密實(shí)性，即降低水灰比；加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，提高混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性，同時(shí)也可摻入引氣劑等改善孔結(jié)構(gòu)。
3．混凝土的抗碳化性能
（1）混凝土碳化機(jī)理。混凝土碳化是指混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物Ca（OH）2與空氣中的CO2在一定濕度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3和水的過程。反應(yīng)式如下：
Ca（OH）2+ CO2+H2O= CaCO3+2H2O
碳化使混凝土的堿度下降，故也稱混凝土中性化。碳化過程是由表及里逐步向混凝土內(nèi)部發(fā)展的，碳化深度大致與碳化時(shí)間的平方根成正比，可用下式表示：
（4-15）
式中：
L——碳化深度（mm）；
t——碳化時(shí)間（d）；
K ——碳化速度系數(shù)。
碳化速度系數(shù)與混凝土的原材料、孔隙率和孔隙構(gòu)造、Dmax濃度、溫度、濕度等條件有關(guān)。在外部條件（Dmax濃度、溫度、濕度）一定的情況下，它反映混凝土的抗碳化能力強(qiáng)弱。
值越大，混凝土碳化速度越快，抗碳化能力越差。
（2）碳化對混凝土性能的影響。碳化作用對混凝土的負(fù)面影響主要有兩方面，一是碳化作用使混凝土的收縮增大，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而降低混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致混凝土開裂。由于開裂降低了混凝土的抗?jié)B性能，使得Dmax和其他腐蝕介質(zhì)更易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，加速碳化作用，降低耐久性。二是碳化作用使混凝土的堿度降低，失去混凝土強(qiáng)堿環(huán)境對鋼筋的保護(hù)作用，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，嚴(yán)重時(shí)，使混凝土保護(hù)層沿鋼筋縱向開裂，直至剝落，進(jìn)一步加速碳化和腐蝕，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能。
碳化作用生成的CaCO3能填充混凝土中的孔隙，使密實(shí)度提高；另一方而，碳化作用釋放出的水分有利于促進(jìn)未水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化。因此，碳化作用能適當(dāng)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但對混凝土結(jié)構(gòu)工程而言，碳化作用造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度的提高。
（3）影響混凝土碳化速度的主要因素。
① 混凝土的水灰比：前面已詳細(xì)分析過，水灰比大小主要影響混凝土孔隙率和密實(shí)度。因此水灰比大，混凝土的碳化速度就快。這是影響混凝土碳化速度的最主要因素。
② 水泥品種和用量：普通水泥水化產(chǎn)物中Ca（OH）2含量高，碳化同樣深度所消耗的Dmax量要求多，相當(dāng)于碳化速度減慢。而礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥以及高摻量混合材配制的混凝土，Ca（OH）2含量低，故碳化速度相對較快。水泥用量大，碳化速度慢。
③ 施工養(yǎng)護(hù)：攪拌均勻、振搗成型密實(shí)、養(yǎng)護(hù)良好的混凝土碳化速度較慢。蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土碳化速度相對較快。
④ 環(huán)境條件：空氣中Dmax的濃度大，碳化速度加快。當(dāng)空氣相對濕度為50%～75%時(shí)，碳化速度最快。當(dāng)相對濕度小于20%時(shí)，由于缺少水環(huán)境，碳化終止；當(dāng)相對濕度達(dá)100%或水中混凝土，由于Dmax不易進(jìn)入混凝土孔隙內(nèi)，碳化也將停止。
（4）提高混凝土抗碳化性能的措施。從前述影響混凝土碳化速度的因素分析可知，提高混凝土抗碳化性能的關(guān)鍵是提高混凝土的密實(shí)性，降低孔隙率，阻止Dmax向混凝土內(nèi)部滲透。絕對密實(shí)的混凝土碳化作用也就自然停止。因此提高混凝土碳化性能的主要措施為：盡可能降低混凝土的水灰比，提高密實(shí)度；加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，保證混凝土均勻密實(shí)，水泥水化充分；根據(jù)環(huán)境條件合理選擇水泥品種；用減水劑、引氣劑等外加劑降低水灰比或引入封密氣孔改善孔結(jié)構(gòu)；必要時(shí)還可以采用表面涂刷石灰水等加以保護(hù)。
4．混凝土的堿—骨料反應(yīng)
堿—骨料反應(yīng)是指混凝土內(nèi)水泥中所含的堿（K2O和Na2O），與骨料中的活性SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在骨料表面形成堿——硅酸凝膠，吸水后將產(chǎn)生3倍以上的體積膨脹，從而導(dǎo)致混凝土膨脹開裂而破壞。堿骨料反應(yīng)引起的破壞，一般要經(jīng)過若干年后才會(huì)發(fā)現(xiàn)，而一旦發(fā)生則很難修復(fù)，因此，對水泥中堿含量大于0.6%；骨料中含有活性SiO2且在潮濕環(huán)境或水中使用的混凝土工程，必須加以重視。大型水工結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、高等級公路、飛機(jī)場跑道一般均要求對骨料進(jìn)行堿活性試驗(yàn)或?qū)λ嗟膲A含量加以限制。
5．混凝土的耐磨性。耐磨性是路面、機(jī)場跑道和橋梁混凝土的重要性能指標(biāo)之一。作為高等級路面的水泥混凝土，必須具有較高的耐磨性能。橋墩、溢洪道面、管渠、河壩等均要求混凝土具有較好的抗沖涮耐磨性能。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（JTJ053/T0527—94），混凝土的耐磨性采用150mm×150mm×150mm的立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至27天，在60℃條件下烘干恒重，然后在帶有花輪磨頭的混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)上，外加200N負(fù)荷磨削50轉(zhuǎn)。按下式計(jì)算磨損量：
（4-16）
式中：
G——單位面積磨損量（kg/m2）；
m0——試件的原始重量（kg）；
m1——試件磨損后的重量（kg）。
6．提高混凝土耐久性的措施
雖然混凝土工程因所處環(huán)境和使用條件不同，要求有不同的耐久性，但就影響混凝土耐久性的因素來說，良好的混凝土密實(shí)度是關(guān)鍵，因此提高混凝土的耐久性可以從以下幾方而進(jìn)行：
（1） 控制混凝土最大水灰比和最小水泥用量。
（2） 合理選擇水泥品種。
（3） 選用良好的骨料質(zhì)量和級配。
（4） 加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。
（5） 采用適宜的外加劑。
（6） 摻入粉煤灰、礦粉、硅灰或沸石粉等活性混合材料。
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