1．1 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術(shù)的基本情況及其進(jìn)展

　　大多數(shù)土壤中都含有一些硫酸鹽，若其硫酸鹽濃度低，則對(duì)混凝土不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響；若硫酸鹽濃度高，則可對(duì)其建筑物或構(gòu)筑物的地下部分，如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎(chǔ)產(chǎn)生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現(xiàn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移。例如，前東德Magdeburg城泉水的SO-24含量達(dá)2040mg/L，在4年內(nèi)由于混凝土膨脹使ELbe河橋樁升高8cm，造成嚴(yán)重開裂，導(dǎo)致拆除并重建這些橋樁。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產(chǎn)物喪失膠凝性，呈酥松狀或糊狀。例如，加拿大西部大草原土壤含堿的硫酸鹽濃度高達(dá)15%(地下水經(jīng)常含有硫酸鹽4000gm/L～9000mg/L)，由于硫酸鹽侵蝕，混凝土呈多孔和酥松，最終成為無粘結(jié)力的物質(zhì)。我國隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質(zhì)環(huán)境。例如青藏鐵路要經(jīng)過硫酸鹽濃度相當(dāng)高的鹽湖地區(qū)，云貴高原的山地。雖然我國已有抗硫酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)如何配制和澆筑抗硫酸鹽混凝土仍缺乏足夠的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

　　中國水科院西北科研所曾對(duì)不同品種水泥（及粉煤灰摻量）的抗硫酸鹽性能進(jìn)行了對(duì)比性試驗(yàn)（《西北水電》1994， NO1，p49）。試驗(yàn)采用了被認(rèn)為具有較高抗硫酸鹽性的4種水泥：抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽礦渣水泥，中熱硅酸鹽水泥，低熱微膨脹水泥?？垢g性試驗(yàn)采用GB749-65（慢蝕法）及GB2420-80（快蝕法），并采用抗蝕系數(shù)K進(jìn)行抗硫酸鹽性能的評(píng)價(jià)。

　　甘肅省八盤峽水電站與中國水科院合作，于96年對(duì)該水電站大壩左平洞內(nèi)的支護(hù)混凝土硫酸鹽腐蝕問題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（《混凝土與水泥制品》1997，NO2， p10）。洞內(nèi)地下水的SO-24 含量6000~15000mg/L，Mg+2含量900~2100mg/L，屬高濃度的硫酸鹽與鎂鹽綜合腐蝕環(huán)境。經(jīng)材料對(duì)比性試驗(yàn)及平洞內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土驗(yàn)證，與抗硫酸鹽水泥相比，采用低熱礦渣水泥配制的混凝土具有優(yōu)良的抗硫酸鹽性能。

　　南京水科院于99年對(duì)新疆“635”水利樞紐發(fā)電引水豎井內(nèi)支護(hù)混凝土的硫酸鹽腐蝕問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)換填混凝土施工（《水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)》2002.3，NO1， p31）。豎井內(nèi)地下水的SO-24 含量8645~12487mg/L，Mg+2含量2675mg/L，pH3~4，屬高濃度硫酸鎂腐蝕環(huán)境。換填混凝土采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和礦渣粉配料，豎井壁的支護(hù)混凝土按分段換填法施工。防滲砂漿采用丙烯酸乳液與砂組成的聚合物砂漿——用于漏水孔縫的堵漏。該防腐堵漏工程完成2年后回訪，防腐堵漏效果顯著而無任何新的滲漏和腐蝕問題。

　　1．2水泥混凝土抗裂、抗?jié)B技術(shù)的基本情況及進(jìn)展。

　　建筑結(jié)構(gòu)裂縫控制是個(gè)系統(tǒng)工程，近十年多來，我國工民建向長大化、復(fù)雜化發(fā)展，商品混凝土普及應(yīng)用，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30向C50發(fā)展，這些因素導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂的機(jī)率增多。摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土在防止和大大減輕混凝土開裂作出了積極貢獻(xiàn)。 經(jīng)十多年來的開發(fā)應(yīng)用，我國混凝土膨脹劑得到較廣泛的應(yīng)用，累計(jì)總量約200萬噸，以膨脹劑平均摻量40kg/m3計(jì)，折合補(bǔ)償收縮混凝土近5000萬M3。其中UEA膨脹劑約占總量的80％左右。在各種抗裂防滲工程應(yīng)用中總的效果是良好的。

　　膨脹劑主要功能是補(bǔ)償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。為減免收縮開裂，它可以應(yīng)用于各種抗裂防滲混凝土，尤其適用于與防水有關(guān)的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程。?選用膨脹劑時(shí)，首先檢驗(yàn)它是否達(dá)到《混凝土膨脹劑》建材行業(yè)JC476-2001標(biāo)準(zhǔn)。 我國膨脹劑有三種類型：硫鋁酸鈣類（如UEA、AEA、PNC、FS、PPT等）氧化鈣-硫鋁酸鈣類（如CEA）和氧化鈣類。由于鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O）的化學(xué)穩(wěn)定性和耐水性優(yōu)良，國內(nèi)外絕大多數(shù)生產(chǎn)硫鋁酸鈣類膨脹劑。CaO水化生成Ca(OH)2可以產(chǎn)生膨脹，但Ca(OH)2在壓力水下易溶解，所以GBJ119規(guī)范中規(guī)定，含CaO膨脹劑不得使用在地下，海工等防水工程中，目前只有北京市有兩家生產(chǎn)CEA。用戶應(yīng)根據(jù)不同性質(zhì)的工程，選用恰當(dāng)類型的膨脹劑。

　　2、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因

　　結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，根據(jù)國內(nèi)外的調(diào)查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動(dòng)荷載）的直接應(yīng)力和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫，其機(jī)率約20%；一種是結(jié)構(gòu)因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機(jī)率約80%。

　　2.1材料缺陷

　　在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從砼的性質(zhì)來說大概有：

　　2.1.1 干燥收縮

　　研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對(duì)體積減小。每100克水泥水化后的化學(xué)減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30升/m3之巨。這是砼抗拉強(qiáng)度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發(fā)水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當(dāng)砼在干燥條件下，則蒸發(fā)水量達(dá)21升/m3。毛細(xì)孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細(xì)壓力，使砼產(chǎn)生“毛細(xì)收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1～0.2%；砼的干縮值為0.04～0.06%。而砼的極限拉伸值只有0.01～0.02%，故易引起干縮裂縫。

　　2.1.2 溫差收縮

　　水泥水化是個(gè)放熱過程，其水化熱為165～250焦?fàn)?克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達(dá)50～80℃。研究表明，當(dāng)砼內(nèi)外溫差10℃時(shí)，產(chǎn)生的冷縮值εc=△T／α=10/1×10-5=0.01%，如溫差為20～30℃時(shí)，其冷縮值為0.02～0.03%，當(dāng)其大于砼的極限拉伸值時(shí)，則引起結(jié)構(gòu)開裂。

　　2.1.3塑性收縮

　　砼初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，此時(shí)骨料與水泥之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，它發(fā)生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達(dá)1%左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時(shí)和養(yǎng)護(hù)不良的部位出現(xiàn)龜裂，寬度達(dá)1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等都能導(dǎo)致砼塑性收縮而發(fā)生表面開裂現(xiàn)象。

　　2.1.4自生收縮

　　密封的砼內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負(fù)壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細(xì)孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）則不同，早期強(qiáng)度較高的發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對(duì)濕度低于80%。而HPC結(jié)構(gòu)致密，外界水很難滲入補(bǔ)充，在這種條件下開始產(chǎn)生自干收縮。研究表明，齡期2個(gè)月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01%，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若砼變形受到約束，則進(jìn)一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高標(biāo)號(hào)砼容易開裂的主要原因之一。

　　2.1.5減水劑的影響

　　人們發(fā)現(xiàn)，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來，結(jié)構(gòu)裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關(guān)外，人們忽視了減水劑引起的負(fù)面影響。例如過去干硬性及預(yù)制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現(xiàn)在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術(shù)難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加100～150mm，但是它與基準(zhǔn)砼的收縮值相比，卻增加120～130%。所以，在《砼減水劑》規(guī)范GB138076-97中規(guī)定摻減水劑的砼與基準(zhǔn)砼的收縮比≤135%。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說明商品砼澆筑的結(jié)構(gòu)開裂機(jī)率大與減水劑帶來負(fù)面影響有關(guān)。其機(jī)理尚不清楚。

　　2.1.6 砼后期膨脹出現(xiàn)裂縫，主要是：

　?。?）水泥中游離CaO過高，Ca(OH)2體積膨脹所致；

　?。?）水泥中MgO過高，Mg(OH)2體積膨脹所致；

　?。?）水泥和外加劑堿含量過高，與集料中活性硅等發(fā)生堿-集料反應(yīng)所致；

　　（4）有害離子Cl-、 、Mg++等侵入砼內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。

　　2.1.7 徐變

　　結(jié)構(gòu)物在任意內(nèi)應(yīng)力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時(shí)間的延長而增加的現(xiàn)象稱為徐變變形。砼拉徐變時(shí)對(duì)抗裂有利，一般可以提高鋼筋砼極限拉伸值50%左右。而砼壓徐變很小，一般把收縮變形與徐變變形的計(jì)算一并加以考慮。

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　　2.2設(shè)計(jì)問題

　　鋼筋砼結(jié)構(gòu)是由砼和鋼筋共同承擔(dān)極限狀態(tài)的承載力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師根據(jù)地基情況，靜、動(dòng)荷載、環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范可知，對(duì)結(jié)構(gòu)變形作用引起的裂縫問題，客觀上存在兩類學(xué)派：

　　第一類，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定很靈活，沒有驗(yàn)算裂縫的明確規(guī)定，設(shè)計(jì)方法留給設(shè)計(jì)人員自由處理?；旧喜扇　傲蚜司投?、堵不住就排”的實(shí)際處理手法。

　　第二類，設(shè)計(jì)規(guī)范有明確規(guī)定，對(duì)于荷載裂縫有計(jì)算公式并有嚴(yán)格的允許寬度限制。對(duì)于變形裂縫沒有計(jì)算規(guī)定，只按規(guī)范留伸縮縫，即留縫就不裂的設(shè)計(jì)原則。

　　大量工程實(shí)踐證明，留縫與否，并不是決定結(jié)構(gòu)變形開裂與否的唯一條件，留縫不一定不裂，不留縫不一定裂，是否開裂與許多因素有關(guān)。我們認(rèn)為，控制裂縫應(yīng)該防患于未然，首先盡量預(yù)防有害裂縫，重點(diǎn)在防。我國結(jié)構(gòu)工程向長大化、復(fù)雜化發(fā)展，砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)向C40～C60發(fā)展，設(shè)計(jì)師多注重結(jié)構(gòu)安全，而對(duì)變形裂縫控制考慮不周，這也是結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生增多的原因之一。

　　2.3施工管理問題

　　砼配合比設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，水泥與外加劑是否相適應(yīng)，砂石級(jí)配及其含泥量是否符合規(guī)范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質(zhì)量及其收縮變形。砼澆筑震搗不均勻密實(shí)，施工縫和細(xì)部處理馬虎，會(huì)帶來結(jié)構(gòu)開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時(shí)，則砼表面出現(xiàn)塑性裂縫，十分難看。邊墻拆摸板過早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內(nèi)外溫差最大；砼易“感冒”開裂。

　　砼養(yǎng)護(hù)十分重要，但許多施工單位忽視這一環(huán)節(jié)，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養(yǎng)護(hù)不到位，容易產(chǎn)生收縮裂縫。某些露天構(gòu)筑物盡管當(dāng)?shù)貪穸群艽螅捎诖碉L(fēng)影響，加速了砼水分蒸發(fā)速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫較多的原因。從已建工程調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，底板養(yǎng)護(hù)較好，出現(xiàn)裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80%，這與保溫保濕養(yǎng)護(hù)不足有很大關(guān)系。

　　除上述技術(shù)因素外，施工管理不嚴(yán)，趕進(jìn)度，偷工減料，工人素質(zhì)差，施工馬虎等也是造成結(jié)構(gòu)裂縫的人為因素。

　　2.4對(duì)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)

　　我們發(fā)現(xiàn)不少結(jié)構(gòu)是在澆筑完3～6月，甚至在1～2年內(nèi)出現(xiàn)裂縫。除荷載問題外，主要是環(huán)境溫度和風(fēng)速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時(shí)復(fù)土；上部結(jié)構(gòu)不及時(shí)做好封閉；出入口長期敞開，屋面防水層破壞不及時(shí)修補(bǔ)等。這些與施工和業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)有關(guān)。鋼筋砼結(jié)構(gòu)與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長結(jié)構(gòu)更為明顯，所以，應(yīng)重視已澆結(jié)構(gòu)的保溫保濕維護(hù)工作。

　　3、水泥混凝土防腐抗?jié)B的基本原理

　　3．1 水泥混凝土的特性

　　水泥混凝土既沒有鋼材那樣堅(jiān)強(qiáng)，也沒有鋼材那樣剛韌，為什么它是應(yīng)用最廣泛的工程材料呢？這有很多原因。首先，混凝土具有十分良好的抗水性。不象木材和普通鋼材那樣，混凝土能經(jīng)受水的作用而不產(chǎn)生嚴(yán)重的變質(zhì)，使它成為建造控制、貯蓄和運(yùn)輸水的結(jié)構(gòu)物的理想材料。在水壩、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界幾乎是到處可見?；炷翆?duì)一些具有侵蝕性水的耐受性，使得它的用途推廣到許多有害工業(yè)和自然環(huán)境中去。暴露于潮濕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件：如樁、基礎(chǔ)、地板、梁、柱、屋頂、外墻和路面，經(jīng)常都用混凝土或鋼筋混凝土來制造。鋼筋混凝土在設(shè)計(jì)時(shí)，假定鋼筋和混凝土這兩種材料能共同承受力的作用。予應(yīng)力混凝土是張拉混凝土中的鋼筋或鋼絲束，引入一定大小或—定分布的予應(yīng)力，在一定的程度上抵消了由施加的荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力?？梢钥隙?，極大數(shù)量的混凝土是用于制造鋼筋混凝土或者預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的。

　　混凝土得到廣泛應(yīng)用的第二個(gè)原因是，混凝土容易制得各式各樣大小不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這是因?yàn)樾掳杌炷辆哂辛己玫乃苄院统矶?，可方便地填筑于預(yù)先制作好的模板中。幾小時(shí)之后，當(dāng)混凝土已凝結(jié)硬化時(shí)，模板可移去留待重復(fù)使用。

　　工程師們對(duì)混凝土十分鐘愛的第三個(gè)原因，是因?yàn)樗偸枪こ躺献钜椎玫?，并且是最便宜的材料。制造混凝土的主要成分——波特蘭水泥和骨料——都相對(duì)地便宜，并在世界大多數(shù)地方較易獲得。與大多數(shù)其它工程材料相比，生產(chǎn)混凝土所需的能耗要小得多，而且大量的工業(yè)廢料可作為混凝土中膠凝材料或骨料的代用品。所以在將來，考慮到能源和資源保護(hù)，混凝土作為結(jié)構(gòu)材料具有其不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　選用一種材料時(shí)，職業(yè)上的判斷不僅要考慮材料的強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)，而且要考慮材料的耐久性。因?yàn)槟途眯詫?duì)結(jié)構(gòu)的維修和更新費(fèi)用，有重大經(jīng)濟(jì)意義。耐久性被定義為材料在給定的環(huán)境條件下的使用年限。一般，密實(shí)的或不透水的混凝土具有長期的耐久性。在希臘Rhode島上一個(gè)蓄水池內(nèi)2700年齡期的混凝土及羅馬人建造的許多水硬性混凝土結(jié)構(gòu)，都是混凝土在潮濕環(huán)境中仍然具有耐久性的極好例證。耐久性差的混凝土滲水性，不僅取決于它的配合比、搗實(shí)的程度和養(yǎng)護(hù)，而且取決于正常的溫度和濕度循環(huán)所造成的微裂紋。一般說來，混凝土的強(qiáng)度和耐久性之間有著密切的關(guān)系。

　　材料領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)展，主要在于認(rèn)識(shí)了材料的各種性能是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)而決定的；換句話說，材料性能可以通過適當(dāng)?shù)馗淖儾牧系慕Y(jié)構(gòu)或構(gòu)成而予以改性。雖然混凝土是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不均勻的，而且高度復(fù)雜?；炷恋慕Y(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系至今尚未很好闡明?；炷敛煌谄渌こ滩目疲浣Y(jié)構(gòu)并不保持穩(wěn)定(即其結(jié)構(gòu)不是材料固有的特征)。這是因?yàn)椋Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)組分，即硬化水泥漿體和過渡區(qū)，隨時(shí)間、環(huán)境濕度和溫度的變化而變化。

　　理論上結(jié)構(gòu)——性能的關(guān)系模型，一般對(duì)預(yù)測(cè)工程材料行為有較大幫助，而對(duì)混凝土則幾乎毫無用處，其主要理由在于混凝土結(jié)構(gòu)的高度不均勻性和其動(dòng)力學(xué)特性。有關(guān)混凝土各組分結(jié)構(gòu)的重要特征方面的知識(shí)，對(duì)了解和控制復(fù)合材科的性質(zhì)仍然是基本的。

　　骨料相最主要是對(duì)混凝土容重、彈性模量、尺寸穩(wěn)定性起作用。這些混凝土性質(zhì)在很大程度上取決于骨料的容重和強(qiáng)度，同時(shí)也取決于骨料結(jié)構(gòu)的物理特性，而不是化學(xué)特性。換句話說，骨料相中的化學(xué)或礦物組成通常較之物理特性諸如體積、尺寸和孔分布等的重要性要小。

　　除孔隙率外，粗骨科的形狀和結(jié)構(gòu)同樣也影響混凝土的性質(zhì)。通常，天然礫石呈圓形，具有光滑的表面結(jié)構(gòu)。破碎的巖石表面具有粗糙結(jié)構(gòu)；粗糙度取決于巖石類型及所選擇的破碎設(shè)備。破碎的骨料可以含有相當(dāng)數(shù)量的扁平和長條顆粒，這類顆粒對(duì)混凝土許多性質(zhì)起不良影響。呈高度蜂窩狀的浮石輕骨料同樣呈多角形和粗糙結(jié)構(gòu)，但陶?；蝽搸r輕骨料通常呈圓形和光滑結(jié)構(gòu)。

　　混凝土材料的非勻質(zhì)及非等向性的程度，取決于原材料的均勻性、水泥骨料比和水灰比，以及攪拌、澆注、震搗和養(yǎng)護(hù)等施工操作工藝。此外，在硬化早期應(yīng)力作用下，混凝土內(nèi)部形成的微裂縫具有一定的方向性，對(duì)硬化后期的不同應(yīng)力狀態(tài)、微裂縫的發(fā)展和變形將有不同的反應(yīng)，這是混凝土的受力后非等向性。

　　3.2 復(fù)雜的微觀內(nèi)應(yīng)力(變形)狀態(tài)

　　如果將一塊混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂漿這兩種性質(zhì)迥異的主要材料構(gòu)成的非線性、三維實(shí)體結(jié)構(gòu)物。在承受荷載之前和之后，都存在十分復(fù)雜的微觀應(yīng)力(應(yīng)變)場(chǎng)。這正是混凝土材性變化大和性能指標(biāo)離散的主要原因。

　　在混凝土的凝固過程中，水泥的水化作用產(chǎn)生凝膠體，使水泥砂漿逐漸變稠、硬化，和粗骨料粘結(jié)成一整體。在此同時(shí)，混凝土因水分逐漸逸出而變干燥，水泥砂漿發(fā)生的收縮量遠(yuǎn)大于粗骨料的收縮量。此收縮差使粗骨料受壓，而砂漿受拉. 雖然任一截面上的應(yīng)力合力為零，但局部的收縮應(yīng)力值可能很大，以致在粗骨料界面上形成微裂縫。

　　同樣，由于粗骨科和硬化水泥漿間的線膨脹系數(shù)的差別，即使兩者的溫度變化相同，也因?yàn)樽冃蔚牟灰恢隆⒂窒嗷ゼs束而產(chǎn)生不均勻的三維應(yīng)力場(chǎng)。更何況混凝土是熱情性材料(導(dǎo)熱系數(shù)A＝(0．81—1．86)w／m·K)，因?yàn)樗療?、環(huán)境溫度變化或事故(火)升溫等因素影響，將使混凝土表層和內(nèi)部形成較大的溫度差，內(nèi)部的微觀溫度應(yīng)力(應(yīng)變)場(chǎng)更為復(fù)雜、變化大。

　　當(dāng)結(jié)構(gòu)承受外力的作用，即使局部混凝土的宏觀應(yīng)力均勻，也會(huì)因?yàn)榇止橇系碾S機(jī)排列和水泥砂漿的不規(guī)則形狀、兩者的彈性(或變形)模量和抗拉、壓強(qiáng)度的差別，以及粗骨料周邊的接觸狀況的不同而存在著不均勻的微觀應(yīng)力場(chǎng)，不僅主要截面，其它任何方向截面上的應(yīng)力分布都不均勻。至于混凝土內(nèi)存在的各種氣孔和縫隙，其尖端附近的局部應(yīng)力集中區(qū)，微觀的應(yīng)力變化大且應(yīng)力值高，而進(jìn)入塑性階段(可參考斷裂力學(xué)理論)。

　　所有這些都表明，從微觀上分析混凝土必然是一個(gè)非常復(fù)雜的、不確定的. 三維應(yīng)力(變形)狀態(tài)，對(duì)于混凝土的開裂、裂縫發(fā)展、變形、極限強(qiáng)度和破壞形態(tài)等都有很大影響。

　　3.3 變形的多元組成

　　混凝土承受的應(yīng)力作用或環(huán)境條件的變化都將發(fā)生相應(yīng)的變形， 它們主要由三部分組成：

　　粗細(xì)骨料的彈性變形——占混凝土體積中絕大部分的砂石，本身的強(qiáng)度和彈性模量均高出混凝土的很多，在達(dá)到混凝土的最大應(yīng)力(極限強(qiáng)度)時(shí)其變形一般仍在彈性范圍以內(nèi)，即變形與應(yīng)力值成正比，卸載后變形可全部恢復(fù)，不留殘余應(yīng)變。

　　水泥凝膠體的粘性流動(dòng)——水泥水化作用形成的凝膠體在數(shù)十年內(nèi)還不是一種形狀絕對(duì)固定的材料(盡管其變形量很小)。在應(yīng)力作用下，除了即時(shí)發(fā)生的變形外，還將隨時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生緩慢、但逐漸收斂的粘性流動(dòng)，使混凝土的變形不斷增長，從而構(gòu)成塑性變形。當(dāng)應(yīng)力卸除后，即時(shí)恢復(fù)的變形有限，隨后恢復(fù)的變形雖在繼續(xù)，但始終仍存在較大的殘余變形?；炷脸惺艿膽?yīng)力越大．則塑性變形和殘余變形增加越多。

　　微裂縫的形成和擴(kuò)展——拉應(yīng)力作用下，在應(yīng)力的垂直方向形成微裂縫，并迅速擴(kuò)展，使拉應(yīng)變大大增加。壓應(yīng)力作用下， 在大致平行于應(yīng)力方向形成縱向裂縫，穿過骨料界面和水泥砂漿，減弱了相鄰部分的聯(lián)系；裂縫端部的局部集中應(yīng)力造成水泥砂漿的損傷．形成薄弱區(qū)，使縱向變形增大許多。在峰值應(yīng)力后，雖然混凝土的應(yīng)力減小，但變形將繼續(xù)增大。全部卸載后，這部分變形基本上不能恢復(fù)。

　　對(duì)于不同的材料和組成的混凝土，在不同的應(yīng)力階段，這三部分變形所占的比例有很大變化。一般情況下，當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)．骨料的彈性變形占主要成分；隨著應(yīng)力的加大，水泥凝膠體的粘性流動(dòng)變形逐漸增大；接近混凝土極限強(qiáng)度值時(shí)，裂縫變形才有明顯作用，但其變形值大，超過其它兩部分的變形，在峰值強(qiáng)度后的下降段，成為變形的主體。

　　在卸載過程中，骨料的彈性變形可全部恢復(fù)，而水泥凝膠體的粘性流動(dòng)變形出現(xiàn)應(yīng)變恢復(fù)滯后現(xiàn)象。全部卸載后的混凝土殘余變形則由裂縫變形和粘性流動(dòng)變形組成。

　　此外，當(dāng)混凝土剛開始承受應(yīng)力時(shí)，骨料和水泥砂漿共同協(xié)調(diào)/分擔(dān)應(yīng)力和變形。如果維持應(yīng)力不變，由于水泥凝膠體的粘性流動(dòng)變形隨時(shí)間的延續(xù)而增大，混凝土的總變形將隨之增加，在骨料和水泥砂漿間應(yīng)力將會(huì)有相應(yīng)的重分布。

　　3.4 應(yīng)力狀態(tài)和途徑對(duì)力學(xué)性能的影響

　　混凝土單獨(dú)受拉強(qiáng)度和受壓強(qiáng)度的比值約為1；10，相應(yīng)的峰值應(yīng)變比值約為1：20，兩者的破壞機(jī)理和形態(tài)差別顯著。這與鋼、木等結(jié)構(gòu)材料的拉、壓強(qiáng)度和變形接近相等的狀況形成鮮明的對(duì)比。這種基本拉壓狀態(tài)下力學(xué)性能的巨大差別，使得混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度、變形和破壞特征等隨主應(yīng)力的拉、壓和應(yīng)力比值的不同，而在很大幅度內(nèi)變化。

　　至于更復(fù)雜的受力狀態(tài)，如不均勻受力(存在應(yīng)變梯度)、荷載(應(yīng)力)多次重復(fù)作用、邊界受有約束、達(dá)到相同應(yīng)力值的途徑不同等等，因?yàn)樽冃谓M成的差別、內(nèi)部微裂縫的方向性、損傷的積累等，而形成了混凝土不同的力學(xué)性能反應(yīng)，并給混凝上帶來一些新的特點(diǎn)。

　　3.5 時(shí)間和環(huán)境條件對(duì)力學(xué)性能的影響

　　水泥與水產(chǎn)生的水化作用，從水泥顆粒的表層往內(nèi)部慢慢深入發(fā)展，混凝土逐漸成熟，這一過程將持續(xù)數(shù)十年而不終止。在此期間，混凝土周圍的環(huán)境條件既影響水泥水化作用的程度(即混凝土的成熟度)，又與混凝土材科發(fā)生多種物理的和化學(xué)的作用， 對(duì)混凝土的力學(xué)性能造成各種有利或不利的影響。

　　隨著混凝土齡期的增長，水泥凝膠體的粘結(jié)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)、流動(dòng)性不斷減弱，因而提高了混凝土的強(qiáng)度和彈性模量值。另一方面，混凝土在應(yīng)力的長期作用下，由于水泥凝膠體發(fā)生持續(xù)的粘性流動(dòng)和內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，其變形將隨時(shí)間而增大(徐變)．長期強(qiáng)度將有所降低。

　　周圍環(huán)境的溫度變化使混凝土內(nèi)部形成不均勻溫度場(chǎng)，因而影響水泥的水化作用速度，產(chǎn)生溫度變形和內(nèi)應(yīng)力，甚至出現(xiàn)裂縫。環(huán)境的濕度影響混凝土內(nèi)水分的遷移速度和數(shù)量、含水量分布、收縮變形和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，以及微裂縫的出現(xiàn)。這些都將使混凝土的強(qiáng)度和變形發(fā)生相應(yīng)的變化。

　　大氣中的CO2氣體使混凝土表層碳化，碳化層隨時(shí)間而逐漸加厚；環(huán)境中的某些化學(xué)介質(zhì)對(duì)混凝土有腐蝕作用等，都影響混凝土的微裂縫擴(kuò)展、強(qiáng)度和耐久性。

　　混凝土材料特點(diǎn)，決定了其力學(xué)性能的復(fù)雜、多變和離散，再加上混凝土原材料的性質(zhì)和配合比的差別， 更造成從微觀的定量理論分析來研究混凝土力學(xué)性能的困難。從結(jié)構(gòu)工程的觀點(diǎn)，通常取尺度為≧70mm或3—4倍粗骨料粒徑的混凝土試件作為單元，看作是連續(xù)、等向的均質(zhì)材料，且性能在短時(shí)間(小時(shí)級(jí))內(nèi)穩(wěn)定，以其平均的強(qiáng)度、變形值以及宏觀的破壞形態(tài)作為研究的標(biāo)準(zhǔn)，并且用同樣尺度的試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，經(jīng)過總結(jié)、分析后建立強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)用于實(shí)際工程具有足夠的準(zhǔn)確度。

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　　3．6 聚合物改性水泥混凝土的基本情況

　　將聚臺(tái)物乳液摻入新伴混凝土中，可使混凝土的性能得到明顯的改善，這類材料稱之為聚合物改性水泥混凝土。其英文縮寫為PMC(Polywer Modified Concrete)。

　　聚合物乳液改性水泥材料的第—項(xiàng)專利在1924年發(fā)表于Lefebure，從此，使用各種聚合物乳液改性砂漿和混凝土的研究及研制在很多國家積極地進(jìn)行著。近些年聚合物改性砂漿和改性混凝土已廣泛地用作建筑材料，這是因?yàn)樵摲N材料具有高的強(qiáng)度，其彎曲、粘接、防水、耐久性等都較好。

　　國內(nèi)外用于水泥混凝土改性劑的聚合物品種繁多，基本上分為三種類型，即聚合物乳液、水溶性聚合物和液體樹脂。

　　用于改性水泥材料的聚合物乳液，大多數(shù)已經(jīng)專門作為水泥材料的外加劑，如聚醋酸乙烯脂(PVAC)、丁苯膠乳(SBR) 、聚偏二氯乙烯(PVDC)、丙烯酸和改性丙烯酸等。聚合物應(yīng)是粉狀的或水分散體的形式，在分散相中，固體聚合物的顆粒應(yīng)該是分散的、均勻的和穩(wěn)定的，為此要采用合適的乳化劑和穩(wěn)定劑(保護(hù)膠體)。20世紀(jì)30年代，首先使用的聚合物是天然橡膠漿，其后是聚醋酸乙烯乳液。70年代以后廣泛采用丁苯膠乳、氯丁膠乳、丙烯酸酯共聚乳液等。過去幾十年中用作改性水泥材料的聚合物見表2—2。

　　聚合物乳液做水泥材料改性劑時(shí)，可以部分地取代或全部取代拌合水。經(jīng)過改性之后大部分砂漿的堿性與普通水泥砂漿的堿性一樣，具有保護(hù)鋼筋的作用，而且砂漿保護(hù)層厚度只需12—15MM。聚合物膠乳有如下幾個(gè)方面的特性：

　　(1)作為減水塑化刑，在保持砂漿和易性良好、收縮較小的情況下．可以降低水灰比；

　　(2)可以提高砂漿與老混凝土的粘結(jié)能力；

　　(3)提高修補(bǔ)砂漿對(duì)水、二氧化碳和油類物質(zhì)的抗?jié)B能力， 而且還能增強(qiáng)對(duì)一些化學(xué)物質(zhì)侵蝕的抵抗能力；

　　(4)在一定程度上，可以用作養(yǎng)護(hù)劑；

　　(5)增加砂漿的抗彎、抗拉強(qiáng)度。

　　單體的類型、所用的乳化劑和保護(hù)膠體使得聚合物分散體具有不同的特性， 添加劑的影響及不同類型聚合物的影響。列于表2-3、2-4。