孔結(jié)構(gòu)特征對(duì)混凝土抗?jié)B性的影響及改善措施

  摘要：本文對(duì)影響混凝土滲透性的重要因素孔結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行了總結(jié)，孔結(jié)構(gòu)特征而不是孔隙率影響混凝土的滲透性，采用合理設(shè)計(jì)、施工工藝及養(yǎng)護(hù)等措施可以將混凝土耐久性滿足目前工程的耐久性要求。

  關(guān)鍵詞：孔結(jié)構(gòu) 抗?jié)B性 混凝土 水泥

  自波特蘭水泥問(wèn)世以來(lái)，混凝土已成為工程建設(shè)中最為常用的材料之一。但是，由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和和使用環(huán)境的特點(diǎn)，混凝土結(jié)構(gòu)中存在著嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題。近年來(lái)，許多文獻(xiàn)報(bào)道了世界各地由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足而引起的巨大經(jīng)濟(jì)損失。大量研究表明，混凝土的滲透性與其耐久性之間有著密切的聯(lián)系，因此，通常認(rèn)為滲透性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的最重要指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，抗?jié)B性好的混凝土，耐久性也就越好。

  混凝土固有的多孔性導(dǎo)致了其抗?jié)B性較差，混凝土的滲透性取決于水泥石的孔結(jié)構(gòu)和集料的性能。水泥石和集料都含有各種大小的孔隙和裂縫，但并不是這些都是滲透性的通道，孔隙率不是影響滲透性最主要原因；在很大程度上混凝土滲透性取決于水泥石的孔結(jié)構(gòu)。即孔的結(jié)構(gòu)比孔隙率對(duì)混凝土宏觀行為的影響更為重要。

  １孔結(jié)構(gòu)分析

  水泥石和混凝土（含有相同水灰比的漿體）的滲透性是有差異的，造成這種差異的原因有兩方面：一是由于骨料本身的滲透性不同造成的，另一方面是由于漿體與骨料界面處的孔結(jié)構(gòu)和微裂縫造成的。但是由于骨料顆粒被水泥漿包裹，所以在充分密實(shí)的混凝土中，水泥漿的滲透性對(duì)混凝土的滲透性影響最大，而拌和物中骨料含量的影響一般較低。所以要研究混凝土的滲透性，需首先對(duì)水泥石的微觀結(jié)構(gòu)有清楚的認(rèn)識(shí)。

  1.1 水泥石的孔結(jié)構(gòu)

  水泥石與水的作用是從水泥顆粒表面熟料礦物的溶解開始的，然后進(jìn)入凝聚結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成階段，其水化產(chǎn)物以凝膠體、亞微觀晶體、大晶體的形式存在，他們與未水化的水泥顆粒、水、粗細(xì)集料和成型時(shí)裹進(jìn)入的大量氣泡，形成了固、液、氣相的多相多孔體，即水泥石。水泥石的孔隙主要由凝膠孔、毛細(xì)孔和非毛細(xì)孔三部分組成。

  （1）凝膠孔

  凝膠體時(shí)水化水泥顆粒間的過(guò)渡空間的孔徑根據(jù)不同的形成條件而波動(dòng)在很大的范圍內(nèi)。在水泥硬化初始生成的水泥凝膠，多為封閉型的，但隨著水泥水化的發(fā)展，由于后期水分的蒸發(fā)，其凝膠孔隙率將逐步增加，雖然這樣，水泥凝膠的滲透系數(shù)還是很小的，屬于無(wú)害孔。

  （2）毛細(xì)孔

  水泥硬化到一定階段，水泥石內(nèi)部出現(xiàn)毛細(xì)孔，它對(duì)水泥石滲透性的影響最大。毛細(xì)孔的形成主要與水灰比的大小有關(guān)，初始水灰比越大，水泥水化程度越低，水泥石的毛細(xì)孔就越大。隨著水泥水化的發(fā)展，水泥石毛細(xì)孔孔隙是不斷變化的，一般認(rèn)為隨著水泥水化的深入發(fā)展，水泥石毛細(xì)孔的孔隙率下降。

  （3）非毛細(xì)孔

  非毛細(xì)孔主要是指水泥石內(nèi)部缺陷和微裂縫，可能是由于水泥石的收縮、溫度變化、成型條件等因素引起。

  1.2 混凝土的孔結(jié)構(gòu)

  混凝土固有固有的多孔性決定了混凝土具有一定的滲透性?；炷恋目捉Y(jié)構(gòu)很大程度上取決于水泥石的孔結(jié)構(gòu)，但是由于混凝土的結(jié)構(gòu)比水泥石結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，水泥石和骨料都含有各種大小不同的孔隙和裂縫，這些孔隙錯(cuò)綜復(fù)雜，孔形各異，孔徑尺寸跨越微觀尺度與宏觀尺度，對(duì)混凝土宏觀性能有著巨大的影響。

  混凝土的孔結(jié)構(gòu)隨著水化程度的提高和齡期的延長(zhǎng)不斷變化，因?yàn)橛心z孔德水泥凝膠體積比未水化的水泥體積增大1.2倍，因而水化產(chǎn)物充填了由拌和水占有的那部分體積。毛細(xì)孔體積減小，凝膠孔體積增加，同時(shí)小于50nm的毛細(xì)孔隙率增多，大于50nm的毛細(xì)孔息率減少。對(duì)于水會(huì)比約在0.6以下的水泥漿體，當(dāng)水化程度很高時(shí)，漿體中的毛細(xì)孔可能被凝膠堵塞而分段隔開，成為只與凝膠孔相連的封閉毛細(xì)孔。水泥石和混凝土的總孔隙率和開口孔隙率都在下降，總孔隙率與開口孔隙率之差增大，水泥石和混凝土中孔隙的平均孔徑下降。

  [Page]

  3 孔結(jié)構(gòu)的改善措施

  明確了混凝土孔結(jié)構(gòu)對(duì)其滲透性的影響，可以通過(guò)宏觀手段調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)，以期在一定程度上改善混凝土的性能。

  3.1 設(shè)計(jì)改善措施

  （1）新頒發(fā)實(shí)施的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010－2002）已有耐久性條文規(guī)定，設(shè)計(jì)圖紙不只提出結(jié)構(gòu)使用年限，還要判斷說(shuō)明結(jié)構(gòu)各部為使用期間所處環(huán)境類別，對(duì)處于而類環(huán)境下的地下工程防水部位要說(shuō)明防水與抗?jié)B等級(jí)要求，說(shuō)明最大水灰比、最小水泥用量及混凝土中氯離子、堿含量的限制。

  （2）提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)

  混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土密實(shí)度也相應(yīng)加大，孔隙率減小，減少了環(huán)境中水、氧、氯離子、二氧化碳等有害介質(zhì)的侵入，對(duì)結(jié)構(gòu)防水抗?jié)B、減小碳化速度、避免鋼筋銹蝕等均為有利，對(duì)有抗?jié)B要求的潮濕環(huán)境，結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)相應(yīng)提高，一般不宜低于C30。

  （３）使用減水劑及礦物摻合料

  當(dāng)未使用減水劑及礦物摻合料時(shí)，水泥漿體中的水泥顆粒的間隙較大，其中包裹了較多的自由水；加入減水劑的水泥漿體由于排出了多余的自由水分，水泥粒子間隙較低；同時(shí)使用減水劑和礦物摻合料的水泥漿體，由于礦物超細(xì)粉填充于水泥顆粒之間，硬化后水泥石的密實(shí)度、強(qiáng)度和耐久性均得到了提高。

  （４）使用引氣劑及礦物摻合料

  混凝土滲水的過(guò)程首先是混凝土中的毛細(xì)孔的毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)孔吸水保和后，才使壓力水的通過(guò)。如果配制混凝土?xí)r摻入一定的引氣劑，在混凝土中引入若干直徑大于毛細(xì)孔直徑的細(xì)小球形孔，切斷毛細(xì)孔的滲水通路，可在一定程度上提高混凝土的抗?jié)B性，這就是說(shuō)，除了孔的級(jí)配外，孔的幾何特征也影響混凝土的耐久性。當(dāng)然，摻用引氣劑對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。       3.2 施工改善措施

  （１）編制控制耐久性技術(shù)措施；

  目前施工單位的管理、技術(shù)、操作人員在施工中比較注意混凝土拌合物對(duì)滿足泵送的工作性能要求。而對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性質(zhì)量缺乏了解，重視不足。為提高結(jié)構(gòu)耐久性質(zhì)量，要加強(qiáng)施工管理，提高認(rèn)識(shí)，落實(shí)責(zé)任，制定專項(xiàng)技術(shù)措施，通過(guò)檢查驗(yàn)收，層層把關(guān)。

  （２）采用機(jī)械攪拌和機(jī)械振搗，保證混凝土的密實(shí)度

  混凝土的攪拌過(guò)程是攪拌機(jī)械與拌合料相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在攪拌過(guò)程中，拌合料的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能都發(fā)生著變化。

  （３）合理確定混凝土配合比，嚴(yán)格控制水灰比

  水灰比對(duì)硬化的混凝土孔隙數(shù)量、孔隙率大小起決定作用，直接影響了混凝土的密實(shí)性。

  （４）加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

  混凝土的養(yǎng)護(hù)條件包括溫度、濕度、壓力及齡期等。養(yǎng)護(hù)條件的變化直接影響混凝土的水化凝結(jié)硬化過(guò)程，影響其礦物組成、孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)及分布，從而影響混凝土的密實(shí)性、滲透性及耐久性。

  濕養(yǎng)護(hù)對(duì)防水混凝土極為重要，是混凝土獲得強(qiáng)度和抗?jié)B性的必要條件，混凝土在潮濕環(huán)境中硬化，可減少混凝土中水分蒸發(fā)，降低孔隙率，減少收縮，提高密實(shí)性和抗?jié)B性。

  混凝土的滲透性隨著其養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而降低?；炷林兴嗟乃情L(zhǎng)期的，但水化至一定齡期后則進(jìn)行緩慢。隨著水泥水化程度的提高，水泥石中毛細(xì)孔逐漸被新生成的水化物占據(jù)，毛細(xì)孔的連通性減弱，使得水泥漿體的滲透系數(shù)降低。

  參考文獻(xiàn)

  [1] 金偉良，趙羽習(xí)．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M]．科學(xué)出版社，2002，9．

  [2] 趙鐵軍．混凝土滲透性[M]．科學(xué)出版社，2006，1．

  [3] 中國(guó)工程院土木水利與建筑學(xué)部結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項(xiàng)目組．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．