1、1关于工程技术中混凝土耐久性的探究摘 要：混凝土是土木建筑工程中最常用的材料之一，近年来，混凝土的使用越来越广泛，所以对提高混凝土的耐久性要求也就越来越高，这种情况下出现了高性能混凝土。高性能混凝土比一般混凝土最大的改善就是提高了耐久性。本文就尝试着先从混凝土耐久性不足的后果来分析提高混凝土耐久性的必要性和重要性，再从影响混凝土耐久性的主要因素中分析到如何才能提高混凝土耐久性。 关键词：建筑；混凝土；高性能混凝土；耐久性； Abstract: Concrete is one of the most commonly used materials in the civil constructio
2、n projects in recent years, more and more extensive use of concrete, to improve concrete durability requirements are also getting higher and higher, in which case a high-performance concrete. High performance concrete than general concrete improvement is to improve durability. In this paper try to s
3、tart with the lack of durability of concrete consequences to analyze the necessity and importance to improve the durability of concrete from the main factors affecting the durability of concrete analysis of how to improve the durability of concrete. 2Keywords: architecture; concrete; high-performanc
4、e concrete; durability; 中图分类号：TS958.1+7 文献标识码： A 文章编号： (一)高性能混凝土是针对于一般混凝土，基于提高混凝土地耐久性提出来的概念，已经成为以后混凝土技术的发展作用。高性能混凝土一般拥有 100 年以上的使用寿命，具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等优良特征。所以提高混凝土地耐久性，是混凝土行业发展中是重要首先考虑的一个课题。 1 混凝土工程耐久性不足的后果 混凝土工程因其工程量浩大，将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为 6 万亿美元，每年所需维修费或重建费约为 3 千
5、亿美元。美国 50万座公路桥梁中 20 万座已有损坏，平均每年有 150-200 座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足 20 年；美国共建有混凝土水坝 3,000 座，平均寿命 30年，其中 32%的水坝年久失修。 美国对二战前后兴建的混凝土工程，在使用 30-50 年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的 40%-50%以上。中国 50-60 年代所建设的混凝土工程已使用 40 余年，如果我国混凝土工程的平均寿命按 30-350 年计，在今后的 10-30 年内，为了维修建国以来所建基础设施的费用，将是极其巨大的。 目前，我国的基础设施建设工程规模宏大，每年高达万亿元人民币以上，约 30-5
6、0 年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费或重建费将更为巨大。作为 21 世纪的高性能混凝土，更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。 2 影响混凝土耐久性的主要因素 一般混凝土工程的使用年限约为 50-100 年，不少工程在使用 10-20年后，有的甚至使用 9 年以后，即需要维修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性(超耐久)要求的根本原因，在于混凝土本身的内部结构。 首先，为满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的 25%-40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它
7、有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足。 其次，水泥石中的水化物稳定性不足。水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在4水化物中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低，稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。 3 提高混凝土耐久性的技术途径 如前分析，要提高混凝土的耐久性，必须降低混凝土的孔隙率，特别是毛细管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但是如果纯粹的降低用水量，混凝土的工作性将随之降低，又会导致捣实成型工作困难，同样造成混凝土结构不致
8、密，甚至出现蜂窝等宏观缺陷，不但混凝土强度降低，而且混凝土的耐久性也同时降低。目前减少孔隙率的途径往往是掺入高效减水剂。 3.1 掺入高效减水剂 在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。 水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后，减水剂的定5向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮
9、状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。 3.2 掺入高效活性矿物掺料 普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矽灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性 SiO2 及活性 Al2O3 ，它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应，生成强度更高，稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的。有些超细矿物掺料，其平均粒径小于水泥粒子的平均粒径，能填充于水
10、泥粒子之间的空隙中，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。 3.3 消除混凝土自身的结构破坏因素 除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化热过性过高引起的温度6裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱集料反应等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、SO3 、C1- 等可以引起结构破坏和钢筋蚀物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，提高混凝土的耐久性。 3.4 保证混凝土的强度 尽管强度与耐久性是不同
11、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。在现代的高性能混凝土中，除掺入高效减水剂外，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。 （二） 预应力混凝土 预应力混凝土结构：在结构受外荷载之前，先对
12、混凝土预加应力，人为的事先对结构造成一种应力状态，使之可以抵消由于外荷载产生的全部或部分拉应力。 预应力的基本原理是，在结构承受外荷载之前，在其可能开裂的部7位，预先认为地施加预应力，以抵消或减少外荷载产生的拉应力，使构件在正常使用下不会开裂，或裂缝开得较晚，开展宽度较小。为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现,充分利用高强度钢筋及高强度混凝土,设法在混凝土结构或构件承受使用荷载前,预先对受拉区的混凝土施加压力后的混凝土就是预应力混凝土。 根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同分类：（1）全预应力混凝土，在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件，属严格要求不出现裂缝的构件,和
13、严格控制预应力构件的截面尺寸和预应力梁的挠度。 （2）部分预应力混凝土，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，属允许出现裂缝的构件。 （3）无粘结预应力钢筋，将预应力钢筋的外表面涂以沥清，油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈蚀，并用塑料套管或以纸带,塑料带包裹，以防止施工中碰坏涂层，并使之与周围混凝土隔离，而在张拉时可沿纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋。 2.1 预应力混凝土的优点 （1）抗裂性好，刚度大。由于对构件施加预应力，大大推迟了裂缝的出现，在使用荷载作用下，构件可不出现裂缝，或使裂缝推迟出现，所以提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性。 （2）节省材料，减小自重。其结构
14、由于必须采用高强度材料，因此可减少钢筋用量和构件截面尺寸，节省钢材和混凝土，降低结构自重，对大跨度和重荷载结构有着明显的优越性。 （3）提高构件的抗剪能力。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的8作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展，又由于预应力混凝土梁的曲线钢筋（束）合力的竖向分力将部分地抵消剪力。 （4）提高受压构件的稳定性。当受压构件长细比较大时，在受到一定的压力后便容易被压弯，以致丧失稳定而破坏。如果对钢筋混凝土柱施加预应力，使纵向受力钢筋张拉得很紧，不但预应力钢筋本身不容易压弯，而且可以帮助周围的混凝土提高抵抗压弯的能力。 （5）提高构件的耐疲劳性能。因为具有强大预应力的钢筋，在使用阶段因
15、加荷或卸荷所引起的应力变化幅度相对较小，故此可提高抗疲劳强度，这对承受动荷载的结构来说是很有利的。 2.2 预应力混凝土的缺点 （1）工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。 （2）需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。 （3）预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。 2.3 预应力混凝土构件的制作方法有先张法和后张法。 （1）先张法。在混凝土灌注之前,先将由钢丝钢绞线或钢筋组成的预应力筋张拉到某一规定应力,并用锚具锚于台座两端支墩上,接着安装模板、构造钢筋和零件,然后灌注混凝土并进行养护。当混凝土达到规定强度后,放松两端支墩的预应力筋,通过
16、粘结力将预应力筋中的张拉力传给混凝土而产生预压应力。先张法以采用长的台座较为有利,最长有用到一百多米的,因此有时也称作长线法。 9（2）后张法。先灌注构件,然后在构件上直接施加预应力的方法。一般做法多是先安置后张预应力筋成孔的套管、构造钢筋和零件,然后安装模板和灌注混凝土。预应力筋可先穿入套管也可以后穿。等混凝土达到强度后,用千斤顶将预应力筋张拉到要求的应力并锚于梁的两端,预压应力通过两端锚具传给构件混凝土。为了保护预应力筋不受腐蚀和恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力,预应力筋与套管之间的空隙必须用水泥浆灌实。水泥浆除起防腐作用外,也有利于恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力。为了方便施工,有时也可
17、采用在预应力筋表面涂刷防锈蚀材料并用塑料套管或油纸包裹的无粘结后张预应力筋。 2.4 预应力混凝土的研究与发展 预应力混凝土是采用强度比普通钢材高五、六倍的新材料，它在设计、生产和施工上，确有其特殊性和复杂性，非一般建筑设计施工单位所能胜任。北美的 PC 是从学习西欧起步的，时间大约晚 5 一 10 年。1950 年 Walnut Lane 桥的建成、是美国起步的突破口，它引起了美、加两国工程界极大重视和兴趣 1 1949 年美国 Pottstown 市的 Baskin 预制厂首先开发成功 7 股钢绞线，并用于长线台座生产，1952 年 Colorado 预制厂研制成功先张混凝土双 T 板并取
18、得专利。上述工艺与产品，为预制工业化和大批量生产提供了可行性。于是北美各大城市，新创立的预制厂，如雨后春笋，十年之内就设厂 200 多家，使北美成为 1950 年代全球PC 发展最快的地区。不仅奠定了产品工业化生产的基础，还为日后的持续发展创造了条件，使北美的发展长期处于世界领先地位！ 过去的 50 年，美国的预应力混凝土工业取得巨大的成就，从无到有，10迄今已成为年营业额数十亿美元的工业。在全美各地，到处都可以看到从低层到高层的 PC 结构，能见到你想象得到的和想象不到的各式各样的应用。现在，建筑装饰用的外墙板、政府投资新的桥梁 70都是 Pc 的，多层停车楼极大部分都是 PC 的，这些结构
19、都在良好的耐久性。近年来预制混凝土的质量又有很大的提高，建筑师与工程师们都认识到这是一咱可以选用的优良材料。这许多成功的应用都应归功于 PCI 协会的期刊、知识库、各种技术帮助和支援，以及工厂资质证书管理制度等工作。由于预应力混凝土应用的广泛性和灵活性，它的前途一片光明！ 结语： 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。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。 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。 参考文献： 1 杨南方等混凝土结构施工实用手册中国建筑工业出版社2001
