浅谈如何提高混凝土的强度及耐久性.pdf

第 4 7卷第 5期 2 01 1年 5月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga ns u W a t e r Co n s e r v a nc y a nd Hy d r o p owe r Te c h no l o g y Vo 1 4 7 No 5 Ma y， 2 0 1 1 设计与研究 浅谈如何提高混凝土的强度及耐久性 施文浩 ， 史德亨 ， 车京兰 ( 1 甘肃第六建筑工程股份有限公司 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 ；2 兰州大学 土木工程与力学学院， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 混凝土广泛用于工程建设当中， 它的各种性质决定了工程的质量及可靠度 ， 尤其是混凝土的强度和耐久性。随 着科技的发展，对混凝土的强度和耐久性的研究也取得 了诸 多成果。从决定混凝土的强度和耐久性的根本原因入 手， 讨论如何提高混凝土的强度和耐久性。 关键词： 混凝土； 强度； 耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： B 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 3 5 0 3 1 引言 混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标 ， 以往工程中习惯上只重视混凝土的强度而忽视了混凝土的 耐久性。 混凝土的耐久性是正常使用年限内保证结构正常功 能的能力 ， 关系到结构物的使用寿命。随着结构物老化和环 境污染的加重 ，混凝土耐久性问题已引起了人们 的广泛重 视。 混凝土的强度及耐久性在很大程度上取决于原材料的性 质及含量， 同时与施工工艺也有一定关系。 因此 ， 必须了解其 原材料的性质、 作用及其质量要求， 合理选择材料， 优化施工 工艺 ， 以提高混凝土的强度和耐久性。 2 如何提高混凝土强度 任何混凝土结构物主要都是用以承受荷载或抵抗各种 作用力的， 强度是混凝土最重要的力学性能。工程上对混凝 土的其它性能要求 ， 如不透水性、 抗冻性等 ， 而这些性能与混 凝土强度往往存在着密切的关系。一般来说 ， 混凝土的强度 愈高， 其刚性、 不透水性、 抵抗风化和某些侵蚀介质的能力也 愈高； 而强度愈高， 往往干缩也较大， 同时较脆、 易裂。 因此， 通 常用强度来评定和控制混凝土的质量以及评价各种因素影 响程度的指标。 普通混凝土受力破坏一般出现在骨料和水泥的分界面 上， 即常见的粘结面破坏。另外 ， 当水泥石强度较低时， 水泥 石本身破坏也是常见的破坏形式之一。在普通混凝土中， 骨 料最先破坏的可能性小， 因为骨料强度远远超过水泥石和粘 结面的强度。 所以混凝土的强度主要取决于水泥石的强度及 其骨料表面的粘结强度 ， 而它们又与水泥标号、 水灰比及骨 料的性质有密切关系。 2 1 水灰 比和水泥 强度等级是决定混凝土 强度 的主 要因素 水泥是混凝土中的活性组分 ， 其强度的大小直接影响着 混凝土强度的高低。在配合比相同的条件下， 所用的水泥强 度等级超高， 制成的混凝土强度也越高。 当用同种水泥时， 混 凝土的强度主要取决于水灰比。 因为水泥水化时所需的结合 水 ， 一般只占水泥质量的2 3 左右， 但在拌制混凝土拌合物 时， 为了获得必要的流动性 ， 常需用较多的水( 约占水泥质量 的 4 0 7 0 ) ， 即较大的水灰比。 当混凝土硬化后， 多余的水 分就残余在混凝土中形成水泡或蒸发后形成气孔， 大大地减 小了混凝土抵抗荷载的实际有效断面， 而且可能在孔隙周围 产生应力集中。因此， 可以认为 ， 在水泥标号相同的情况下 ， 水灰比愈小， 水泥石的强度愈高。水泥混凝土强度主要取决 于毛细管孔隙或胶空比， 但这些指标都难于测定或估计。但 充分密实的混凝土在任何水灰比程度下的毛细管孔隙率由 水灰比所确定。 毛细孔隙率 ： P o = ， C - 0 3 6 胶空比： X= 0 6 8 a ( 0 3 2 + C ) 式中， l l z C为水灰比； 口 为水化程度( 即水泥中已经水化的部 分 ) 。 水泥石与骨料的粘结力还与骨料的表面状况有关。 碎石 表面粗糙 ， 粘结力比较大； 卵石表面光滑， 粘结力比较小。因 此在水泥标号和水灰比相同的情况下， 碎石混凝土的强度往 往高于卵石混凝土的强度。 2 2 养护的温度和湿度 为了获得质量良好的混凝土， 混凝土成型后必须在适宜 的环境中进行养护。 养护的目的是为了保证水泥水化过程能 正常进行， 包括控制环境的温度和湿度。 混凝土所处的环境， 如温度、 湿度等， 都是影响混凝土强度的重要因素 ， 它们通过 影响水泥的水化过程而产生作用。 混凝土的硬化， 原因在于水泥的作用。周围环境的温度 对水化作用的速度有显著的影响， 养护温度高则增大初期水 化速度 ， 混凝土初期强度也高。但急速的初期水化会导致水 化物分布不均匀 ， 水化物稠密程度低的区域将成为水泥石的 薄弱点 ， 从而降低整体的强度； 水化物稠密程度高的区域 ， 水 化物包裹在水泥粒子的周围，会妨碍水化反应的继续进行 ， 对后期强度的发展不利。而在养护温度较低的情况下， 由于 水化缓慢， 具有充分的扩散时间， 从而使水化物在水泥石中 均匀分布 ， 有利于后期强度的发展。当温度降低到零点以下 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 4 2 5 作者简介： 施文浩( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 甘肃人 ， 工程师， 主要从事建筑施工管理。 3 5 2 0 1 1 年第 5期 甘肃水利水 电技术 第 4 7卷 时， 则 由于混凝土中水分大部分结冰， 水泥颗粒不能和冰发 生反应， 混凝土的强度停止发展。 同时， 由于孔隙内水分结冰 而引起膨胀( 水结冰体积可以膨胀 9 ) 产生相当大的压力 ， 作用于孔隙 ， 使毛细管内壁结构遭受破坏 ， 导致已经获得 的 强度( 如果在结冰前， 混凝土已经不同程度地硬化的话) 受到 损失。 但气温如果再升高时， 并开始融化。 如此反复冻融 ， 混 凝土内部产生微裂缝， 逐渐增长、 扩大， 混凝土早期强度低 ， 更容易冻坏。所以应当特别防止混凝土早期受冻。 周围环境的湿度对水泥的水化作用能否正常进行有显 著影响。 温湿度适当， 水泥水化便能顺利进行， 使混凝土强度 得到充分发展。如果湿度不够 ， 混凝土会会失水干燥而影响 水泥水化作用的正常进行， 甚至停止水化。 此外， 混凝土中大 量 自由水在水泥水化过程中逐渐被产生的凝胶所吸附， 内部 供水化反应的水则愈来愈少。这不仅严重降低混凝土的强 度 ， 而且因水化作用未能完成 ， 使混凝土结构疏松， 渗水增 大 ， 形成千缩裂纹， 从而影响耐久性。 所以， 为了使混凝土正常硬化 ， 必须在成型后一定时间 内维持周围环境有一定温度和湿度。在混凝土凝结以后( 一 般在此期间 1 2 h ) ， 表面应覆盖草袋等物并不断浇水 ， 这样也 同时能防止其发生不正常的收缩。使用硅酸盐水泥、 普通水 泥和矿渣水泥时， 浇水保湿应不少于7 d ； 道路路面水泥混凝 土宜为 1 4 2 1 d ；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中 掺用缓凝剂外加剂或有抗渗要求时， 应不少 1 4 d ； 如用高铝 水泥时， 不得少于 3 d 。在夏季应特别注意浇水， 保持必要的 湿度， 在冬季特别注意保持必要的温度。 目前有的工程 ， 也有 采用塑料薄膜养护的方法， 如道路混凝土便比较常用。 2 3 龄期 混凝土在正常养护条件下 ， 其强度将随着龄期的增加而 增长。最初 7 1 4 d内， 强度增长较快 ， 2 8 d以后增长缓慢。 混凝土所经历的时间和温度的乘积总和， 称为混凝土的 成熟度( ) ， 单位为 h或 d 。混凝土的强度与成熟度之 间的关系很复杂， 它不仅取决于水泥的性质和混凝土的质量 ( 等级强度) ， 而且与养护温度和养护制度有关。当混凝土的 初始温度在某一范围内， 并且在所经历的时间内不发生干燥 失水的情况下， 混凝土的强度和成熟度的对数呈线性关系。 综上所述 ，影响着水泥混凝土强度的原因是多方面的， 所以， 在水泥混凝土结构物的设计、 施工及养护过程中， 要综 合考虑各种因素， 因地制宜， 从满足结构物的使用要求出发 ， 做出经济、 适用、 合理的设计、 施工和养护方案。 3 如何提高混凝土的耐久性 混凝土耐久性问题 ， 是指结构在所使用的环境下， 由于 内部原因或外部原因引起结构的长期演变， 最终使混凝土丧 失使用能力 ， 即所谓的耐久性失效。 耐久性失效的原因很多， 有抗冻失效， 碱一 集料反应失效 ， 化学腐蚀失效， 钢筋锈蚀造 成结构破坏等。 混凝土结构的耐久性不仅是确定材料的耐久 性能指标与钢筋的混凝土保护层厚度 ， 还在很大程度上取决 于混凝土的施工养护质量与钢筋保护层厚度的施工差异 ， 适 当的排水措施能够有效的减轻环境作用。 混凝土除应具有要求的强度， 以保证其能安全地承受设 计荷载外， 还应根据其周围的自然环境以及在使用上的特殊 3 6 要求， 具有各种特殊性能。例如， 承受压力水作用的混凝土， 需要具有一定的抗渗性能 ； 遭受反复作用冰冻作用 的混凝 土， 需要有一定的抗冻性能； 遭受环境水侵蚀作用的混凝土， 需要具有与之相适应的抗侵蚀性能； 处于高温环境的混凝 土， 则需要具有较好的耐热性能等等。同时要求混凝土在使 用环境条件下性能要稳定。因而， 把混凝土抵抗环境介质作 用并长期保持良好性能外观完整性， 从而维持混凝土结果的 安全、 正常使用的能力称为耐久性。混凝土的耐久性主要的 包括抗渗、 抗冻、 抗侵蚀、 碳化、 碱骨料反应及混凝土中的钢 筋锈蚀等性能。 3 1 抗渗性 抗渗性是指混凝土抵抗水、 油等液体在压力作用下渗透 的能力。 它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。 混凝土的 抗渗性主要与其密实程度及内部孔隙的大小和构造有关。 混 凝土内部互相连通的孑 L 隙和毛细管通路， 以及由于混凝土施 工成型时， 振捣不密实产生的蜂窝、 孔洞都会造成混凝土的 抗渗性降低。 影响混凝土抗渗性的因素有水灰 比、 水泥品种、 骨料的 最大粒径、 养护方法、 外加剂及掺合料等。 ( 1 ) 水灰比： 混凝土水灰 比的大小 ， 对其抗渗性能起决 定作用。水灰比越大， 其抗渗性越差。在成型密实的混凝土 中， 水泥的抗渗性对混凝土的抗渗性影响最大。 ( 2 )骨料的最大粒径 ： 在水灰 比相同时 ， 混凝土骨料 的 最大粒径越大， 其抗渗性能越差。这是 由于骨料和水泥浆的 界面处易产生裂缝， 在较大骨料边缘易形成空穴。 ( 3 ) 养护方法 ： 蒸汽养护的混凝土 ， 其抗渗性较潮湿养 护的混凝土要差。 在干燥条件下， 混凝土早期失水过多 ， 容易 形成收缩裂缝 ， 因而降低混凝土的抗渗性。 ( 4 ) 水泥品种 ： 水泥品种、 性质也影响混凝土的抗渗性 能。水泥厂的细度越大， 水泥硬化孔隙率越小， 强度就越高 ， 则其抗渗性越好。 ( 5 ) 外加剂 ： 在混凝土中掺加某些外加剂 。 如减水剂等 ， 可减小水灰比， 改善混凝土的和易性 ， 因而可改善混凝土的 密实性， 即提高了混凝土的抗渗性能。 ( 6 ) 掺合料 ： 在混凝土中加入掺合料， 如掺人优质粉煤 灰， 由于优质粉煤灰能发挥其形态效应 、 活性效应、 微骨料效 应和界面效应等， 可提高混凝土的紧密度、 细化孔隙， 从而改 善孔结构和骨料与水泥石界面的过渡区结构 ， 因而提高了混 凝土的抗渗性。 ( 7 ) 龄期： 混凝土的龄期越长， 其抗渗性能越好。因随着 水泥水化的进展， 混凝土的密实度逐渐增大。 凡是由于受水压作用的构筑物的混凝土 ， 就有抗渗性的 要求。提高混凝土抗渗性的措施是增大混凝土的密实度、 改 善混凝土的孔隙结构( 减少连通孔隙) 。 3 2 抗 冻性 混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下 ， 经受多次 冻融循环作用， 能保持完整性的能力。随着混凝土的龄期增 加， 混凝土抗冻性能也得到提高。 因水泥不断水化， 可冻结水 量减少 ； 水中溶解盐浓度随水化深入而浓度增加 ， 冰点也随 龄期的增加而降低， 抵抗冻融的能力也随之增强。所以延长 第 5期 施文浩 等 ： 浅谈如何提 高混凝土 的强 度及耐 久性 第 4 7卷 冻结前的养护时间可以提高混凝土的抗冻性。 对高抗冻性的 混凝土 ， 其抗冻性采用快冻法 ， 以相对动弹性模量值不小于 6 0 、 质量损失率不超过5 对所能承受最大循环次数来表示。 提高混凝土抗冻性最有效方法是采用加入引气剂 、 减水 剂和防冻剂的混凝土或密实混凝土。 3 3 抗侵蚀性 当混凝土所处的环境中含有侵蚀性介质时， 混凝土便会 遭受侵蚀 ， 通常有软水侵蚀、 硫酸盐侵蚀、 镁盐侵蚀、 硫酸侵 蚀、 一般侵蚀与强碱侵蚀等。混凝土的抗侵蚀性与所用水泥 的密实度和孔隙特征有关。密实和孔隙封闭的混凝土， 环境 水不易侵入， 故其抗侵蚀性较强。 所以， 提高混凝土抗侵蚀性 的措施 ， 主要是合理选择水泥品种上、 降低水灰比、 提高混凝 土的密实度和改善结构。 3 4混凝土 的碳化 混凝土的碳化作用是二氧化碳与水泥石的二氢氧化钙 作用 ， 生成碳酸钙和水。碳化对混凝土性能导致既有有利影 响， 也有不利影响。 碳化使混凝土碱度降低， 减弱了对钢筋的 保护作用 ， 可能导致钢筋锈蚀。碳化将显著增加混凝土的收 缩 ， 这是由于干缩产生压应力的氢氧化钙晶体溶解和碳酸钙 在无压力的处沉淀所致 ，此时暂时地加大了水泥石可压缩 性。 混凝土在水泥用量固定条件下， 水灰比越低， 碳化速度就 越慢； 而水灰比固定 ， 碳化深度随水泥用量提高而减小。 混凝 土所处环境二氧化碳浓度增大会加速碳化进程。 混凝土在水 中或相对湿度 1 0 0 条件下，由于混凝土孔隙中的水分阻止 二氧化碳向混凝土内部扩散 ， 碳化停止。 同样， 处于特别干燥 环境的混凝土， 则由于缺乏使二氧化碳及氢氧化钙作用所需 的水分 ， 碳化也会停止。 所以一般认为相对湿度 5 0 一 7 5 时 碳化速度最快。 3 5 碱骨料 的反应 通常人们需要采取一些方法来抑制碱骨料反应。 具体有 以下几种 ： 条件许可时选择非活性骨料； 当不可能采用完全没 有活性 的骨料时， 则应严格控制混凝土中的总碱含量 ， 符合 现行有关标准的规定。可首先选择低碱水泥 ( 含碱量 0 6 ) ， 以降低混凝土的含碱含量 ； 掺用活性混合材 ， 如硅 灰 、 粉煤灰 ， 对碱骨料反应有抑制效果 ； 碱骨料反应要有水 分， 如果没有水分， 反应就会大为减少乃至完全停止。因此 ， 设法防止外界水分渗入混凝土或者混凝土变干可减轻反应 的危害程度。 综上所述 ， 混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、 材料 、 设计、 施工等多种因素的复杂问题， 要解决好这个问题需要 进行多方面的工作。 钢筋混凝土结构耐久性应由正确的结构 设计、 材料选择以及严格的施工质量来保证 ， 同时应注意对 其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样， 才能保证 和提高混凝土结构的耐久性 ， 才能保证我国建筑事业的可持 续发展。 4 结语 影响混凝土的强度及耐久性的因素诸多， 为了科学合理 地从使用混凝土， 应尽可能全面地了解混凝土的性质， 以便 作出最优化的设计和应用。 混凝土的强度与耐久性是不同概 念， 但又密切相关， 它们之间的本质联系是基于混凝土的内部 结构， 都与水灰比这个因素直接相关。 在混凝土能充分密实条 件下， 随着水灰比的降低， 混凝土的孔隙率降低， 混凝土的强 度不断提高。与此同时， 随着孔隙率降低， 混凝土的抗渗性提 高， 因而各种耐久性指标也随之提高。 在现在的高性能混凝土 中， 除掺人高效减水剂外， 还掺入了活性矿物材料， 它们不但 增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游离氧化钙的 含量。 在大幅度提高混凝土强度的同时， 也大幅度地提高了混 凝土的耐久性。 此外， 在排除内部破坏因素的条件下， 随着混 凝土强度的提高， 其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。 高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比， 选用优质原 材料， 除水泥、 水和骨料外 ， 必须掺加足够数量的矿物集料和 高效减水剂 ， 减少水泥用量， 减少混凝土内部孔隙率 ， 减少体 积收缩 ， 提高强度， 提高耐久性。总之 ， 提高混凝土的耐久性 是混凝土发展的必然趋势。 参考文献 ： 1 湖南大学 建筑材料 M 第4版北京： 中国建筑出版社， 1 9 9 7 2 张冠伦 混凝土外加剂原理及应用 M 北京 ： 中国建筑出版社， 1 9 9 6 3 陈肇元 高强混凝土及其应用 M 北京： 清华大学出版社 ， 1 9 9 2 4 湖南大学 土木工程材料 M 北京： 中国建筑出版社， 2 0 0 2 “ 十 二 五 期 间 我 省 将 新 修 梯 田 7 5 0万 亩 “ 十二五” 是实现全省经济社会跨越式发展的关键时期， 为了拓宽旱作农业发展路子， 保障农业增效、 农民增收， 省委省政府将梯田建设 作为“ 稳粮、 增收、 强基础、 重民生” 的重要措施来抓， 2 0 1 0 年 1 1 月省委十一届十次全委扩大会议作出在 2 0 1 2 年全面完成 5 0 0 万亩梯 田建设 任务的基础上， 到 2 0 1 5 年再力争完成 5 0 0万亩梯田建设任务的决定。 甘肃省国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 提出新修 7 5 0 万 亩高标准梯 田的目标。 为了全面落实 7 5 0万亩梯田建设任务， 省水利厅会同发改、 扶贫、 国土、 农发、 水利、 财政等部门， 依据 甘肃省巩固退耕还林成果 口粮田 建设调整规划( 2 0 1 2 2 0 1 5年) 、 甘肃省扶贫开发“ 十二五” 规划 和 甘肃省水利发展“ 十二五” 规划 ， 组织编制了 甘肃省梯田建设专项规划 ( 2 0 1 1 2 0 1 5 年) ， 规划在全省 4 7 个梯田建设重点县新修梯田7 5 0 万亩， 使实施区域人均梯田达到 2 2 亩。5 月 6 E t ， 在全省水土保持工作会 议暨现场交流推进会上， 省水利厅对新修梯田7 5 0 万亩的建设任务做了进一步安排部署。“ 十二五” 期间， 我省梯田建设将继续坚持集中连 片、 规模建设， 实行整村、 整乡、 整流域推进， 形成规模效应。同时， 以梯田为载体大力推广全膜双垄沟播技术 ， 提高粮食产量， 发展具有当地优势 的特色产业 ， 提高群众收入。集中打造通渭、 陇西、 安定、 会宁旱作农业大示范区， 秦安、 静宁、 麦积果蔬产业大示范区， 以此带动旱作农业和特色 产业规模发展， 为实现旱作农业区新增 2 5 亿千克粮食、 全省粮食总产突破 1 0 0 亿千克、 农民人均纯收入达到5 8 3 0 元的奋斗目标打牢基础。 2 0 1 1 年全省计划新修梯田1 5 0 万亩。3 8 个梯田建设重点县严格按照批复的实施方案精心组织实施。截至 4 月底， 我省已新修梯田3 4 5 万亩。 ( 来源 ： 甘肃水利 网站 2 0 1 1 0 5 1 1 ) 3 7