鐵路隧道防腐抗?jié)B支護(hù)混凝土的試驗(yàn)研究

　　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(kāi)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(wú)粘結(jié)力的物質(zhì)。我國(guó)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(guò)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(guó)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(guó)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(pán)峽水電站與中國(guó)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(wèn)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(wèn)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(wú)任何新的滲漏和腐蝕問(wèn)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(lái)，我國(guó)工民建向長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)裂作出了積極貢獻(xiàn)。 經(jīng)十多年來(lái)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，我國(guó)混凝土膨脹劑得到較廣泛的應(yīng)用，累計(jì)總量約200萬(wàn)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(wàn)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(guò)程中的干縮和冷縮。為減免收縮開(kāi)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(guó)膨脹劑有三種類(lèi)型：硫鋁酸鈣類(lèi)（如UEA、AEA、PNC、FS、PPT等）氧化鈣-硫鋁酸鈣類(lèi)（如CEA）和氧化鈣類(lèi)。由于鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O）的化學(xué)穩(wěn)定性和耐水性?xún)?yōu)良，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)生產(chǎn)硫鋁酸鈣類(lèi)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(lèi)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(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料，引起裂縫有兩大類(lèi)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(lái)說(shuō)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(guò)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(kāi)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(chēng)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(guò)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(kāi)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(chēng)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(kāi)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(wèn)題的要害是：HPC自收縮過(guò)程開(kāi)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(kāi)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(lái)，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(guò)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(lèi)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(shuō)明商品砼澆筑的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)率大與減水劑帶來(lái)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(guò)高，Ca(OH)2體積膨脹所致；

　?。?）水泥中MgO過(guò)高，Mg(OH)2體積膨脹所致；

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

　?。?）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(zhǎng)而增加的現(xiàn)象稱(chēng)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(wèn)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(guó)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(wèn)題，客觀上存在兩類(lèi)學(xué)派：

　　第一類(lèi)，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定很靈活，沒(méi)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(lèi)，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(méi)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(kāi)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(kāi)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(guó)結(jié)構(gòu)工程向長(zhǎng)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(wèn)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(lái)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的后患；過(guò)震則使浮漿過(guò)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(guò)早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內(nèi)外溫差最大；砼易“感冒”開(kāi)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?，但由于吹風(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(wèn)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(zhǎng)期敞開(kāi)，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(zhǎng)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(méi)有鋼材那樣堅(jiān)強(qiáng)，也沒(méi)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(jiàn)?；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(lái)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。可以肯定，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(ài)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(lái)，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(zhǎng)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(shuō)來(lái)，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(shuō)，材料性能可以通過(guò)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)?，結(jié)構(gòu)的兩個(gè)組分，即硬化水泥漿體和過(guò)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(wú)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(shuō)，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(lèi)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(zhǎng)條顆粒，這類(lèi)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)，但陶粒或頁(yè)巖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(guò)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?、又相互約束而產(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療帷h(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(kāi)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?xún)?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(zhǎng)，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。混凝土承受的應(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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)程將持續(xù)數(shù)十年而不終止。在此期間，混凝土周?chē)沫h(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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)期強(qiáng)度將有所降低。

　　周?chē)h(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(lái)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(guò)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(lèi)材料稱(chēng)之為聚合物改性水泥混凝土。其英文縮寫(xiě)為PMC(Polywer Modified Concrete)。

　　聚合物乳液改性水泥材料的第—項(xiàng)專(zhuān)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(guó)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(guó)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(lèi)型，即聚合物乳液、水溶性聚合物和液體樹(shù)脂。

　　用于改性水泥材料的聚合物乳液，大多數(shù)已經(jīng)專(zhuān)門(mén)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(guò)去幾十年中用作改性水泥材料的聚合物見(jiàn)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(guò)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型聚合物的影響。列于表2-3、2-4。