影響混凝土耐久性之原料分析
2005-07-06 00:00
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度而容易忽視混凝土的耐久性。但試驗和應(yīng)用都標(biāo)明，混凝土和鋼筋混凝土在使用過程中，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，會產(chǎn)生開裂、溶蝕、剝落、膨脹、松軟及強度等級下降等現(xiàn)象，嚴重的還會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞或倒塌。隨著我國商品混凝土和高強混凝土的推廣應(yīng)用，混凝土的耐久性和安全性已受到越來越廣泛的關(guān)注。
提高混凝土的耐久性對于當(dāng)前實現(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，從耐久性的角度評價水泥和混凝土的質(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關(guān)鍵因素。就材料本身來說，影響混凝土抗裂性的主要因素則是水泥。
1 、水泥在生產(chǎn)中存在的問題和原因
⑴過多追求水泥強度，尤其是早期強度
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。但在對其中一個主因的認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)早期開裂的一個重要的原因。
在水泥的質(zhì)量要求中，水泥的強度是很重要的指標(biāo)。對水泥標(biāo)準(zhǔn)的修改也主要在于強度的檢測上。隨著三次標(biāo)準(zhǔn)的修改，對水泥的強度要求越來越高。同時，隨著混凝土建筑業(yè)越來越受高速建設(shè)的經(jīng)濟利益所驅(qū)動，使得水泥企業(yè)越來越重視生產(chǎn)早強水泥來滿足現(xiàn)代建筑工業(yè)的要求，其方式主要是通過改變水泥的礦物組成和提高水泥的細度。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。
提高水泥的細度，雖能提高水泥的早期強度，但對混凝土的耐久性也是不利的。圖1是水泥細度與混凝土抗凍性的關(guān)系，如圖所示，當(dāng)水泥的細度從2500cm2/g 變化到4800cm2/g時，抗凍循環(huán)次數(shù)從420次變化到不足100 次。
在目前的施工過程中，施工單位為了加快施工的進度，往往希望水泥生產(chǎn)企業(yè)提供早強水泥。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)這個要求而生產(chǎn)出比表面積高的早強水泥。這種做法對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越廣泛，多的可達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，這樣以來就會帶來力學(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)還存在的一個問題是，許多新型干法水泥企業(yè)和先進的立窯企業(yè)由于技術(shù)上的優(yōu)勢，生產(chǎn)的熟料強度很高。但由于市場對高標(biāo)號水泥的需求不大，而水泥企業(yè)如果生產(chǎn)礦渣水泥又會降低利潤。所以為了充分利用熟料強度，水泥廠就超標(biāo)準(zhǔn)摻加混合材生產(chǎn)低標(biāo)號水泥。于是就存在水泥企業(yè)生產(chǎn)水泥時混合材的超標(biāo)現(xiàn)象。因為混合材摻量這一標(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%的磨細摻合料，而不采取措施，就會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、水泥使用中存在問題和原因
水泥的用量也會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。而裂紋對混凝土的耐久性是致命的。強度過低顯然對耐久性是不利的，但強度過高又會給耐久性帶來風(fēng)險。同濟大學(xué)黃士元認為，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。國家標(biāo)準(zhǔn)中對建筑工程使用沙石的粒徑和級配有嚴格的要求，建筑用砂的最大粒徑為5mm，石子的最小粒徑為5mm；而目前實際混凝土用沙石一般做不到連續(xù)級配。這樣以來，就必須增加高效減水劑摻量來滿足拌合物流動性的要求，不僅不經(jīng)濟，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，在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時，二者變形不一致，會導(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。
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)展嚴重的只能拆除，無法補救，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)是一項重要的指標(biāo)，必須引起重視，否則后果是嚴重的。
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)性問題，就會對工程帶來影響。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)了嚴重不足，則說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)性問題，只是目前來說減水劑使用最普遍，而且當(dāng)其與水泥產(chǎn)生不適應(yīng)的時候能夠比較直觀快速地反應(yīng)出來（如流動性差、減水率低、或拌合物板結(jié)發(fā)熱、流動度損失過快等現(xiàn)象）。
水泥與外加劑的相容性是一個很有意義的科學(xué)問題，更是一個工程實際問題，這個問題出自于工程事故。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 、高效減水劑帶來的問題
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)號的水泥同樣可以配制出高強度的混凝土，這種認識被大家所熟悉。但是，水灰比降低相應(yīng)帶來的其他變化，就不容易檢測了。一般來說，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題，而當(dāng)水灰比較大時，上升的泌水還可以使其表面得到補充，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度發(fā)展的兩個“催化劑”，然而隨之發(fā)生彈性模量的迅速提高（比強度發(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。
四、混和材的使用
高強混凝土一般含有較多水泥，因此收縮大，并在硬化時產(chǎn)生更高的溫度?，F(xiàn)代水泥又因為細度更高而更易開裂。經(jīng)驗說明，最經(jīng)濟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存在一些影響混凝土耐久性的因素。
1 、混合材的摻量
過去由于認識上的誤解，往往重視水泥在混凝土中的作用，認為越多加水泥，則就能得到高強的混凝土，其實這是片面的。在混凝土中摻加混合材，一方面降低了成本，另外對改善混凝土的耐久性也有重要的影響。現(xiàn)在一些企業(yè)也開始多摻加混合材。但在一些邊遠地區(qū)，還是沒有徹底的轉(zhuǎn)變認識，在混凝土制備過程中很少加入混合材。另外一個問題，我國普通硅酸鹽水泥中已摻有一定量的混合材，在使用過程中，一定要注意其疊加效應(yīng)。
2、加入混合材要注意養(yǎng)護條件
采用高混合材的混凝土如果不注意養(yǎng)護條件同樣會帶來問題。從50 年代我國就大量使用摻粉煤灰和礦渣。但在工程中也發(fā)現(xiàn)早強低、易碳化，抗凍性能也不太好等問題，從而使混凝土耐久性降低。其實這是與混凝土的養(yǎng)護條件有關(guān)的。國外的混凝土摻入大量粉煤灰，其試驗條件是長期濕養(yǎng)護。如果這種混凝土沒有在長期濕養(yǎng)護條件下而盲目強調(diào)多摻粉煤灰，很容易出現(xiàn)問題。
五、小結(jié)
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