混凝土强度概念的细化及其与耐久性的关系.pdf

2 0 1 1年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PRODUCTS 2 0l 1 No 2 F e b r u a r y 混凝土强度概念的细化及其与耐久性的关系 陈立军 ( 吉林 建筑工 程学 院 ， 长春 1 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 讨 论 了混凝 土强 度 的 不 同概 念及 其 与 耐 久 性 的 关 系。 指 出不 同龄 期 混凝 土 强 度 与 耐 久 性 的相 关性 存 在 相反 的情况 ， 并进一步指 出在不同的组成结构范 围内， 混凝土 2 8 d抗压强度与耐久性分别存在正 比和反比关 系。 关 键词 ： 混 凝 土 ； 强 度 概 念 细 化 ： 耐 久性 ： 组 成 结 构 Ab s t r a c t ： T h e d i f f e r e n t c o n c e p t s o f c o n c r e t e s t r e n g t h a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n c o n c r e t e s t r e n g t h a n d i t s d u r a b i l i t y a r e d i s c u s s e d T h e p e r t i n e n c e b e t w e e n t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e u n d e r d i ff e r e n t a g e s a n d i t s d u r a b i l i t y h a s i n v e r s e c h a n g e s An d wi t h t h e d i f f e r e n t c o mp o s i t i o n s t r u c t u r e r a n g e s ，t h e 2 8 d a y s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e v a ri e s b o t h d i r e c t r a t i o o r i nv e r s e r a t i o a c c o r d i n g t o i t s du r a b i l i t y Ke y wor ds： Co n c r e t e；Di f f e r e n t c o n c e p t s o f s t r e n g t h；Du r a bi l i t y ；Comp o s i t i o n s t r u c t ur e 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 文 献标 识 码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 1) 0 2 2 2 一 O 3 0前言 目前 ， 讨论混凝土强度与耐久性之间的关系似 乎 有些 老 生 常谈 ， 然 而 两 者 的关 系 复 杂 多 变 ， 其 内 在规 律还 不 十分 清楚 。 因耐久 性试 验 周期 较 长 。 且 其适 用范 围的局 限性很 大 ， 故 工程 界仍 然 存在 忽 视 混凝土组成结构和环境条件 的具体变化 ， 片面强调 混凝土强度与耐久性有关的现象。认为只要是普通 混凝 土 ，强度 与耐 久性 就应 有 一定 的 正 比关 系 ； 而 且 ， 存 在 对 混 凝 土 强度 概念 的认 识 不 够 细致 。 对 混 凝 土 耐 久 性 在材 料 科 学 要 素 中所 属 范 畴 的 认识 不 够清 晰 的现象 。 因此 ， 对混 凝 土强度 的概 念及 其 与 耐久性 的关系作 进一 步讨论 还是很 有必要 的。 1 混凝 土强度概 念的细 化 混凝 土材 料 的强 度 与其 它 大 多 数 材 料 的强 度 有一 个重 要 区别 ， 即混 凝 土强 度与 时 间 的相关 性 十 分密 切 ， 而且 ， 不 同组 成 结 构 的 混凝 土强 度 与 时 间 的相关 性又完全 不 同。 通 常 ， 混凝 土 的强度是 指 2 8 d 抗 压强 度 而 混凝 土 的最 高强 度一 般 是 5年 强度 。 在很 多情 况下 ， 这 两种 强度 并 不成 正 比关 系 。也 就 是说 2 8 d抗压强度相对较高 的混凝土 ， 其 5年强度 却存在相对较低的情况 ； 而 2 8 d抗压强度相对较低 的混凝 土 ， 其 5年 强度 也存 在相 对 较高 的情况 。如 果 说混 凝 土 的强度 与耐 久性 有关 ， 且 5年 强度 与 耐 久 性有 较好 的相关 性 ， 那 么 2 8 d抗压 强 度 与耐 久性 的相关 性则 是 不确 定 的 。因此 ， 在讨 论 混凝 土 强度 与耐久性的关系时 ， 阐述混凝土强度 的概念一定要 强调具 体 的龄期 。也 就是说 应 当将笼统 的强 度概 念 细 化为具 体 的龄 期 强度 并 且时 刻谨 记 各龄 期 强度 一 2 2 一 之间、 尤其是早期强度与长期强度之间变化不定的 对 应关 系 。 另外 ， 高强 混 凝土 的概 念 也是 一 个 十分 粗 略且 不 断变 化 的概 念 。 2 0世 纪 5 0年代 ， 强度 达到 3 5 MP a 以上的混凝 土就被认为是高强混凝土 ； 6 0年代 以 后 。 4 0 5 0 MP a的 混 凝 土 被 认 为 是 高 强 混 凝 土 ： 到 1 9 8 0年以后 ， 世界各国高强混凝土的强度标准也不 尽相同。例如我国 C E C S 1 0 4 ： 9 9 高强混凝土技术规 程 1 0 2条 明确 规 定 C 5 0 C 8 0级 混 凝 土 为 高 强 混 凝 土 。美 国混凝 土学会 ( A C I ) 、 国际预应 力混凝 土联 合会 ( F I P ) 和欧洲混凝土委员会( C E B) 在 1 9 9 0年、 1 9 9 2年公布的报告都将高强混凝土界定为大于或 等于 4 1 MP a ( 不 包 括应 用 特种 材料 和 技 术制 备 的混 凝 土 ) 。如果 说 高强混 凝土 与普通 混凝 土之 间 ， 强度 ( 以下 皆指 2 8 d强 度 ) 与耐 久性 的相关 性 不一 致 ， 也 即强 度 与 耐 久性 受 其 它 因素 影 响 发 生 变化 的规 律 不 一 致 ( 在 混凝 土组成 结 构 和环境 条 件相 同的情 况 下 ， 其强度 与耐久性之间有一定 的对应关系 ， 但这 种 对 应 关 系 会 随 着组 成 结 构 和 环 境 条件 的变 化 而 发生相似或相反的变化 ) ，且普通混凝土的强度与 耐久性应呈正 比， 那么高强混凝土与普通混凝 土的 界 限究竟应按多少 MP a划 分( C 3 5还是 C 5 0 ) 才更 加 准确 、 合 理 呢? 答 案恐怕 不是 马上 就能确 定 的。 两 者概念的定义是否合适都有待商榷 。实际上 ， 即使 同属于高强混凝土或普通混凝土 ， 而且是强度等级 完全相 同的混凝土 ， 其强度与耐久性的相关性也可 能会 发生 变化 。因为强度 相 同的混凝 土组 成结构 有 可 能不 同 ， 故简 单 地认 为某 种 强度 的混 凝 土耐 久 性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈立军 混凝 土强度 概念 的细化及 其与 耐久 性 的关 系 好或 差都 是不 严谨 的 。 2混 凝土 强度 、 耐 久性 与组成 结构 的 关 系 从材料科学的四要素( 合成 、 结构 、 性能和使用 性能) 来看 ， 混凝土 的标准强度 即 2 8 d标 养抗 压强 度属 于四要素中的性能范畴 ， 混凝土在使用条件下 的实际强度属于四要素当中的使用性能范畴 ； 而混 凝 土 的耐 久 性 则 只属 于使 用 性能 范 畴 。 不 属 于 性 能 范 畴 。因为混 凝 土 耐久 性 包 含 的 内容 很 多 ， 它 的 主 要 指 标 几 乎 都 不 能 用 一 种 固定 的 试 验 方 法 来 进 行 检 测 和评 价 】 。例 如 。 混 凝 土 的抗 冻 性 是典 型 的 与 环 境 条件 密切 相 关 的使 用 性 能 ， 它 没有 一 种 固定 的 通用方法来进行检测和评价。 目前 ， 各种测试混凝 土 抗 冻性 的试 验 方 法 ( 见 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普 通 混 凝 土 长期 性能 和耐 久性 能 试 验方 法 标 准 )均 明确 规定了其适用范围 ， 每种抗冻性试验方法只能近似 代表与其试验 条件相似的环境 条件下混凝 土的使 用性 能 ， 而 且 用不 同试 验 方 法测 试 的混 凝 土抗 冻 性 之 间并 无 明确 的 可 比性 。 同样 ， 混 凝 土 的抗 渗 性 也 与之类 似 。因此 ， 只有 将混 凝 土 的抗 冻性 、 抗 渗性 等 概 念进 一 步 细 化 为 具 体 环 境 条 件 下 的抗 冻性 和 抗 渗性 才 能归 入 混凝 土 的性 能 范 畴 ， 而 笼统 的抗 冻 性 和抗渗性仅属于混凝土的使用性能范畴。 由于 混凝 土 的性 能 只取 决 于 混 凝 土 的组 成 结 构 ， 而混凝土 的使用性能既取决于混凝土 的组成结 构 ， 也取决 于混凝 土的环境 条件 ， 故两种科学要素 中 的相 同指 标 或 不 同指 标 之 间 的相 关 性 都 是 不 确 定 的 。即使 同属 于使 用性 能这 一要 素 当 中的不 同指 标 ， 如混 凝 土 的 实 际强 度 和耐 久性 ， 其 相 关 性 也 是 不确 定 的。因 为这一 要 素 同时受 内部 结构 和外 部环 境两种因素的影响 ，两种 因素单 独或同时发生变 化 ， 都会影响混凝土的强度和耐久性 。这就决定 了 具有 不 同组 成 结构 的混凝 土 在 不 同环 境 条 件 下 强 度和 耐久 性 之 间变 化 规律 的复杂 性 。所 以 ， 很 难 按 混凝土强度的高低确定混凝土耐久性的好坏 。 假设混 凝土组 成结构 及其所处环境条件 在一 定范围内变化较小 ， 其强度和耐久性也会有近似固 定 的 对应 关 系 ； 掌 握 了这 种 对 应 关 系 ， 也 可 以在 此 组成 结 构 的变 化 范 围 内 ， 通 过 混凝 土 的强 度 间接 了 解混凝土的耐久性 ； 但当混凝土组成结构发生较大 变化 时 ， 这 种对 应 关 系就 会 随之 发 生 较 大甚 至相 反 的变 化 。在 完全 掌 握 这种 变化 规律 之 前 ， 就 无 法 在 较大的组成结构变化范围内 根据混凝土的强度了 解 混凝 土 的耐久 性 从理论上讲 ， 当混凝土组成结构发生较大变化 时 ， 其 强度 和 耐久 性 随 之变 化 的规 律 可 能 具有 相 似 性 ， 也 可 能具 有 相 反 性 ， 但 不 会 具 有 完 全 相 同的 变 化规律。例如 ， 混凝土孔隙结构的相对细化 ， 在很大 的孔径变化范 围内( 无论是 由大毛细孔变为微毛细 孔 ， 还是 由微毛细孔变为超微孑 L ) 都会提高混凝土 的强度 ： 但在同样的孔径变化范围内对混凝土耐久 性 的影 响却 是 变 化 的 既 有 有 利 的一 面 ， 也 有 不 利 的一 面 首先 以混凝 土 的大气 抗 冻性 为例 混 凝 土孔径 的细化 ， 可以使孔 内水分 的冰点 降低 ， 在这 方 面有 利 于提 高 混凝 土 的大 气 抗 冻性 ： 但 当混 凝 土 孔径 由大 毛细 孔 转化 为 微 毛细 孔 时 ， 由于 毛t F f L 凝 结现象和毛细孑 L 压力的增I 4 - 7 ， 会使混凝土孑 L 隙内 部 的含 湿 量 增 加 ， 毛 细 孔 压 力 渗 透 性 加 大 ， 自收 缩 裂纹 增多l 】 - 6 ,8 1 ， 在这 几方 面则 不利 于提 高混 凝 土 的大 气 抗 冻 性 ： 当不 利 因素 的影 响 大 于有 利 因素 的影 响 时， 就会造成混凝土大气抗冻性的下降。另外 这些 不利因素还会导致混凝土的抗碳化性 、 抗化学腐蚀 性和钢筋 的耐锈蚀性等变差I l - 6 ， 从而使混凝土孔径 在 此 范 围 内的细 化 ， 对 混凝 土耐 久 性 的不 利 影 响远 大于有利影响， 造成混凝土耐久性的下降。可见 ， 在 此 孑 L 径 变 化 范 围 内 ， 混 凝土 强 度 与 耐久 性 存 在反 比 关 系 。但是 当混凝 土孔 径 由微毛 细孔 转化 为超 微孔 时 ， 由 于孔 中 毛 细孔 压力 基 本 消失 ， 不 会 增 大 混 凝 土的 自收缩和毛细孔压力渗透性 ： 且 因孔径超细而 不会产 生 碳化 收缩 9 1 和结 冰f 冰点 可达 一 4 0 5 0 ) ， 故 超 微孑 L 对 混 凝土 耐久 性 的影 响是 十分有 利 的 。在 此 孑 L 径 范 围 内 ， 混 凝 土 的强 度 与耐 久 性存 在 正 比关 系。 此外 由于 混凝 土 的化 学组 成 对 耐 久性 的影 响 与孔隙结构对耐久性的影 响具有相似性 ， 主要体 现 在不 同化学组分 的化学键强度对耐久性 的影 响既 有 有 利 的一 面 ， 也 有 不 利 的 一 面 ( 如增 大材 料 表 面 的亲水 性 ) 嘲 ； 而 不 同化学 组 分 的化 学键 强 度 对混 凝 土 强度 的影 响基 本是 有 利 的 。从 而 可 以得 知 ， 随着 化 学 组 成 的变 化 ， 混凝 土强 度 与 耐久 性 的关 系既 存 在正 比情况 ， 也存在反 比情况。与孔隙结构对两者 关 系 的影 响具 有相 似 的规律 从实践上看 ，现代混凝土 的发展历史 已接近 2 0 0年 ， 其 生产技 术 一 直在 不 断地 发展 跨越 ， 特 别 是 近 几 十年 内 出现 了很 大 的变 化 。现 今混 凝 土材料 的 化 学 组成 、矿 物组 成 和 颗粒 组成 乃 至 水 的掺 量 ， 都 已经 完全 不 同 于 当初混 凝 土 工业 发 明的 、 世 界 性通 用 的 2 0 MP a混凝 土 ， 这 导致 硬 化后 的 混凝 土结 构发 生 了相 当大 的变化 。即使混凝土 的强度一样 或相 近 ， 但其 组成结构 ( 尤其是胶凝 材料的矿物组 成和 颗 粒 组 成 以及 混 凝 土 的 孔 结 构 ) 也 不会 相 同 ， 甚 至 一 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 8 期 差 别 很 大 ，从 而 导 致 混凝 土 的耐 久 性 发 生较 大变 化。例如， 高强混凝土的技术发展经过 3个阶段： 第一阶段采用振动加压等方法降低水灰 比： 第二阶 段采用高效减水剂降低水灰 比； 第三阶段采用高效 减水 剂和矿物 掺合 料双掺 提高 强度 。三个 阶段 生产 的高 强混 凝 土 ， 其 组成 结 构都 有较 大 变化 。虽 然混 凝 土 强度 不断 提 高 ， 但 其 耐久 性并 不 都是 相应 的提 高， 甚至有降低 的现象。正如吴 中伟先生在著作 中 所 述 l 1 】 ： “ 为 了提 高 混凝 土 的 强度 ， 过去 除 采 取 降低 水灰 比的措施 以改善孔结构外 ， 还采取了其它一些 有 效 措施 ，但 却带 进 了某 些不 利于 耐 久性 的因素 给土建 工程造 成 了不 小 的损 失 ” 上述情 况 表 明 ， 混 凝 土强 度 与耐 久性 的对应 关 系是 复杂 的 ， 而且 是 随着 混凝 土组 成 结构 的变化 而 变化的。在某一化学组成或孔结构 的变化范围内， 两 者存 在 正 比关 系 ； 而 在另 一化 学 组成 或 孔结 构 的 变化范围内， 两者存在反比关系。导致两者关系发 生 根本 转变 或较 大 变化 的组 成结 构 范 围 ， 以及 在 每 一 范 围 内 的变 化 程 度 ，还 需 进 一 步 深 入 细 致 的研 究 。 3结语 ( 1 ) 混凝 土 的耐 久性 只属 于材 料科 学 要 素 中的 使用性能范畴 ， 而不属于性能范畴 ， 故不能用研究 性 能 的简单思 路去研 究复 杂 的耐 久性 。在 同一 范畴 内讨论 混凝 土 强度 与耐 久性 的关 系 ， 应 注 意混 凝 土 强 度 的时 间概 念 ， 不 同龄期 混凝 土 强度 与 耐久 性 的 相关性存在相反的情况。 ( 2 ) 即使 2 8 d抗压强度完全相 同的混凝土 ， 其 组 成结 构也 可 能不 同或 差异 较大 ， 故其 强度 与 耐 久 性 的相关性 也会 随之发 生变化 。 征 订 2 0 1 1年度邮局报刊征订工作已经结束 ，凡未能在 当 地邮局订到本刊 的读者 ，可直接从邮局汇款到本刊读者 服务部办理邮购手续。2 0 1 1 年全年定价 9 6元 。另外 ， 本 部 有 售下 列资 料 ： 1 混凝 土与水泥制品 1 9 9 9年合订本 6 0元 2 混凝土与水泥制品 2 0 0 2年合订本 6 O元 3 混凝 土与水泥制品) 2 0 0 3年合订本 6 5元 4 混凝 土与水泥制品 2 0 0 4年合订本 6 5元 5 混凝土与水泥制品) 2 0 0 6年合订本 7 0元 6 混凝土与水泥制品) 2 0 0 7年合订本 7 0元 7 混凝 土与水泥制品 2 o o 8年合订本 7 0元 8 混凝 土与水泥制品) 2 o o 9年合订本 7 O元 9 混凝 土与水泥制品) 2 0 1 0年合订本 7 0元 1 0 2 0 0 2 年 混凝土与水泥制品 增刊 5 0元 一 2 4一 ( 3 ) 在不 同的混凝土组成结构 范围内 混凝土 强度与耐久性 的相关性分别存在正比关 系和反 比 关 系 ， 更 细致 的 内在规 律还 需不 断深入 的研究 。 参 考 文 献 ： 1 】 陈立军 ， 王德君 ， 张丹 ， 等 混凝土抗冻性概念 的细化及其 测评方法 J 新型建筑材料， 2 0 0 9 ， 9 ： 8 - 1 0 2 】 陈立军 ， 孔令炜 ， 王德君 ， 等 混凝土渗透性概念 的细化及 其测试方法 J 混凝土， 2 0 0 9 ， l ： 4 0 4 2 3 1 陈立军， 邢世俊， 张丹， 黄德馨 关于混凝 土耐久性检验评 定方法 的若干问题和建议f J 1 混凝土 ， 2 0 0 8 ， 1 ： 1 0 9 一 l 1 1 4 陈立军 混凝 土孔径尺寸对其使 用寿命 的影 响【 J 武汉理 工 大学 学 报 2 0 0 7， 6： 5 0 5 3 【 5 】 陈立军 ， 王永平， 尹新生 ， 张丹 混凝 土孔 径尺寸对 其抗 渗性的影 响 J 1 硅酸盐学报 ， 2 0 0 5 ， 4 ： 5 0 0 5 0 5 6 】 陈立军 水泥化学组成对 混凝土使用寿命的影响 J 1 混凝 土， 2 0 0 8 ， 7： 7 8 7 9 7 1 A E 谢 依金 ， l 0 B 契霍夫斯基 ， M M 勃鲁谢尔 水 泥混凝 土 的结构 与性能【 M 胡 春芝， 袁孝 敏， 高学善 译 北 京 ： 中 国 建 筑工 业 出版 社 ， 1 9 8 4 8 】 陈立军， 李世 禹 高性能混凝土 自收缩增大的机理与改善 途 径 l J 1 混凝 土与 水 泥 制 品 ， 2 0 0 4， 5： 1 0 一l 2 9 】 A M N e v i l l e 混凝土 的性 能【 M 李国泮， 马贞勇译 北京 ： 中国建筑工业出版社 1 9 8 3 【 1 0 】 文梓 芸 ， 钱 春香 ， 扬长辉 混凝土工程 与技术【 M】 武汉 ： 武 汉 理 工 大 学 出 版 社 2 0 0 4 1 1 】 吴 中伟 ， 廉 慧珍 高性能混凝土 M】 北 京 ： 中国铁道出版 社 1 9 9 9 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 0 8 作者简介： 陈立 军( 1 9 5 6 一 ) ， 男 ， 教授 。 通讯地址 ： 长春市新城大街 5 0 8 8号 联 系 电话 ： 1 3 0 1 9 1 2 8 8 6 9 E - ma i l ： c c c h e n l i j u n 1 6 3 c o m 启 事 1 1 2 0 0 4年 混凝土与水泥制品 增刊4 5元 1 2 2 0 0 6年 混凝 土与水泥制品 增刊 5 O元 1 3 2 0 0 8年 混凝 土与水泥制品 增刊 5 0元 1 4 2 0 1 0年 混凝土与水泥制品 增刊 5 0元 1 5 建筑材料标准汇编( 水泥制品 2 0 o 4 ) 2 2 0元 以上价格 已含普通印刷 品邮费 ，如需挂号或特快 ， 请加付邮资。汇单上请注明所购资料名称及收件人详细 地址 、 邮政编码 。 汇款地址 ： 江苏省苏州市三香路 7 1 8号 邮政编码 ： 2 1 5 O 0 4 收款单位 ： 混凝土与水泥 制品 杂志社 电 话 ：O5 l 2 68 2 85 71 6 O 5 1 2 6 8 2 8 5 7 9 3 ( 兼传真 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m