混凝土耐久性影響因素探析

引言(來源:學術雜誌網;作者:陳浩鑫)

混凝土的耐久性是指其抵抗風化作用、化學侵蝕、磨損及其他劣化過程的能力,因此,混凝土的劣化通常被視為混凝土耐久性不足的主要原因。混凝土劣化是指在內在和外在因素的共同影響作用下,因發生物理性或化學性侵蝕而使混凝土產生的膨脹性開裂或連通性孔隙等現象[2]。其中,物理性侵蝕主要包括風化作用所引發的混凝土劣化變質、波浪作用或海流作用所導致的混凝土表面磨耗或孔蝕破壞,以及超載、衝擊載重和反覆載重作用所產生的混凝土裂縫等;化學性侵蝕主要包括侵蝕物質(如二氧化碳、氯離子、硫酸根離子等)與硬固水泥漿體所產生的交換反應,硬固水泥漿體產生的溶解和析晶反應,以及產生膨脹物質反應等。由此可見,材料選擇、配比設計、施工技術、養護管理以及周邊環境等多種因素均會對混凝土耐久性產生影響,在實際工程應用中如果處理不當,很容易發生混凝土及其結構物的非預期破壞。因此,本文旨在通過對影響混凝土耐久性的多種因素進行分析和探討,為混凝土的耐久性設計提供參考。

1組成材料的影響

1.1水泥

混凝土的抗壓強度及其耐久性受水泥水化作用的影響較大。相關試驗結果表明,以水灰比為0.45、水泥含量為430kg/m3的試驗試體為參考基準,保持水灰比固定,水泥用量減少50~100kg/m3時,混凝土試體在抗壓強度上無明顯差異。其中,當水泥用量減少到340kg/m3時,相比參考基準其通過電荷量增加到約2.1倍,氯離子擴散係數與氣體滲透係數則分別增加到約1.6和1.7倍,即在相同水灰比下,隨著水泥用量的減少,混凝土耐久性會隨之降低。基於上述考慮,美國混凝土協會(ACI)就規定抵抗鋼筋腐蝕的最低水泥用量為356kg/m3;歐洲混凝土協會(CEB-FIP)則規定在海水環境及其他具有化學侵蝕性環境中的構造物,最低水泥用量為300kg/m3。但在實際工程應用中,水泥含量也並非越高越好,為避免水泥水化反應所引發的熱應力可能導致的混凝土裂縫,英國混凝土設計標準BS8110規定最大水泥用量不應超過550kg/m3。

1.2骨料

混凝土中骨料的體積往往占其全部體積60%~70%,且通常認為骨料的體積穩定性與耐久性都要比水泥砂漿高,因此骨料的強度、粒徑及其介面等對混凝土性質也會產生一定影響。級配良好的骨料不僅可以增加混凝土的抗壓強度,還可以提高其水密性,減少有害物質的滲入幾率。對水灰比為0.60、粗骨料粒徑在2.36~9.5mm之間的混凝土試件進行的試驗測試結果表明:在相同的配比設計下,當混凝土使用不同粒徑的粗骨料時,其抗壓強度無明顯差異;但隨著粗骨料粒徑的增大,混凝土的通過電荷量、氯離子擴散係數及氣體滲透係數會有所增加。總體來看,粗骨料粒徑對混凝土強度及其耐久性雖有一定影響,但還遠不如材料配比設計、水灰比等因素所產生的影響大。

1.3火山灰質混合料

火山灰質混合料是天然的及人工的以氧化矽、氧化鋁為主要成分的礦物質原料,比如火山灰、硅藻土、粉煤灰等。此類混合料中的矽、鋁成分可以與水泥的水化產物氫氧化鈣發生化學反應,生成C-S-H膠體來填充混凝土中的孔隙,從而提高混凝土的緻密性並降低其滲透性,進而有助於降低混凝土微裂縫的發生幾率,提升混凝土在惡劣環境下的耐久性。

2配合比設計的影響

決定混凝土耐久性最重要的因素是混凝土的透水性,這與混凝土的孔隙結構密切相關。而混凝土中的孔隙率與水灰比又有著直接關係,因此水灰比已成為影響混凝土耐久性的一個關鍵因素[4]。試驗研究結果表明:混凝土吸水率會隨水灰比增加而增加,這是由於水灰比的增加會導致水泥漿體內有較多的游離水未參與水化反應而形成毛細孔隙,而毛細孔隙愈多則其吸水率也越高,反之這也說明水灰比低的混凝土會具有更緻密的孔隙結構;同時,氯離子擴散係數也會隨水灰比增加而增加,當水灰比從0.4增加到0.6時,氯離子的擴散速率能增加4~5倍。出於上述考慮,各國規範對腐蝕環境下的混凝土水灰比均有一定限制。比如ACI318M對於暴露在腐蝕環境下的混凝土最大水灰比限制值為0.40,但若最小保護層厚度提高10mm時,則最大水灰比可增為0.45;日本土木學會(JSCE)對於水中混凝土的最大水灰比限制值為0.50,暴露在海洋環境中的混凝土最大水灰比限制值則為0.45。

3環境因素的影響

3.1溫度和濕度

混凝土保持乾燥時其氣體滲透性往往會增加,這主要歸因於混凝土中孔隙體積與孔隙連通性的增加,從而有利於氣體的傳輸。相關試驗結果也表明,當混凝土試體在高溫環境下烘乾時,由於試體內水氣被蒸發且孔隙中空無一物,其氣體滲透性也會增加;在環境相對濕度由100%降至65%的過程中,試件的氣體滲透係數隨之增加,尤其是相對濕度降至85%時,氣體滲透係數增加最為明顯,其中相對濕度為40%時的混凝土氣體滲透係數要比相對濕度為65%時高出15%。另外,當混凝土毛細孔隙中只有空氣存在時,隨著養護溫度的增加,不僅會增大混凝土的氣體滲透性,還會進一步增加混凝土的吸水率,這主要是由於溫度增加會降低水的粘滯性及其表面張力,且溫度效應對吸水率的影響要明顯大於其對氣體滲透性的影響。

3.2二氧化碳濃度

高二氧化碳濃度所導致的中性化問題已成為鋼筋混凝土結構物損壞的主要原因之一。中性化一方面會改變混凝土的化學性質,使混凝土孔隙水溶液的pH值降低,容易引發鋼筋腐蝕;另一方面也會改變其物理性質,改變混凝土的孔隙率,進而影響其表面滲透性。相關試驗結果表明:混凝土的中性化速率會隨著二氧化碳濃度的增加而有所增加,且水灰比越高,其中性化速率也較大,這主要是因為水灰比較低時,混凝土孔隙孔徑較小且孔隙結構緻密,其孔隙中水膜厚度較大甚至已充滿水,故其中性化速率較小。但總體來看,二氧化碳濃度對中性化速率的影響還是要小於水灰比的影響,這也說明混凝土本身的孔隙結構分布與緻密性是影響其中性化速率的主要因素。

3.3氯離子含量

在影響混凝土耐久性的諸多因素中,由於氯離子擴散引起鋼筋腐蝕而導致混凝土結構物破壞的情形非常嚴重[6],而且氯離子的擴散機制相當複雜,其擴散速率受混凝土孔隙、暴露時間、溫度、水灰比等多種因素影響。因此,在很多標準規範中對混凝土中氯離子的含量都有嚴格限制,比如ACI318規定經常保持乾燥或防止受潮的鋼筋混凝土構件,氯離子含量不得超過水泥重量的1%,而暴露在含氯環境下的鋼筋混凝土構件,氯離子含量不得超過水泥重量的0.15%;JIS規定一般環境下的鋼筋混凝土構件,氯離子含量不得超過0.60kg/m3,若所處環境含有鹽化物,則氯離子含量不得超過0.30kg/m3。

4結語

本文重點從材料因素(組成材料、配比設計)和環境因素兩個方面,分析和探討了混凝土耐久性的影響因素。對比分析結果顯示,水灰比是影響混凝土抗壓強度及耐久性的關鍵因素;隨著水灰比增大,混凝土的中性化速率會逐漸增加,其抗壓強度和耐久性也會隨之降低;而當水灰比一定時,水泥用量、粗骨料粒徑及其他環境因素等,也會通過共同作用對混凝土的耐久性產生不同程度的影響和制約,在實際工程應用中也需要妥善處理。

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。