混凝土的滲透性與耐久性

摘要：滲透性是混凝土耐久性中最重要的內(nèi)容。論述了混凝土耐久性的影響因素、研究方法，以及混凝土滲透機理和滲透性與耐久性的關(guān)系。關(guān)鍵詞：混凝土；耐久性；滲透性；相關(guān)關(guān)系　　混凝土材料以其特有的優(yōu)越性在建筑工程上得到廣泛的應用。過去，由于歷史、社會和人的主觀認識等方面的原因，人們對混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、選材、制作和養(yǎng)護等往往只重視強度而忽視了其耐久性，從而為混凝土結(jié)構(gòu)以后的正常使用埋下了隱患，造成許多不良后果?；炷两Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生耐久性問題，其維修加固費用是十分巨大的，有時甚至不得不拆除重建。美國1975 年由于混凝土腐蝕引起的損失為700 億美元， 1985 年則達1680 億美元，而今后每年用于維修或重建的費用預計高達3000 億美元。英國每年用于修復鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的費用達200 億英鎊，而日本目前每年用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費用為400 億日元以上?！　』炷聊途眯灾笜艘话憧赏ㄟ^實驗室加速試驗的方法獲得。但傳統(tǒng)的混凝土耐久性試驗費力費時，加之當今的混凝土材料和技術(shù)研究進展迅猛，高性能混凝土的優(yōu)越性能已經(jīng)在重大工程中得到檢驗，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和化學成分已經(jīng)有了很大變化，因此，過去的一些試驗方法已變得越來越不適用。為此，一些學者致力于尋求快速且更能反映實際情況的耐久性試驗方法。學者們從不同的角度、采用不同的方法研究混凝土的滲透性，觀點也不統(tǒng)一，對非受力狀態(tài)下混凝土的滲透性與實際混凝土結(jié)構(gòu)不符的情況，也有人提出質(zhì)疑。目前的共識是，混凝土的滲透性在一定程度上可以反映混凝土的耐久性。1　混凝土的耐久性及影響因素1. 1　混凝土的耐久性　　按照AC I 201 委員會的定義，混凝土的耐久性是指對風化作用、化學腐蝕、磨耗或任何其它破壞過程的抵抗能力；耐久性的混凝土當露置于使用環(huán)境時將保持其原來的形狀、質(zhì)量和適用性?；炷恋哪途眯詮膹V義上說應包括：大氣對混凝土的腐蝕、水對混凝土的作用、堿骨料反應、環(huán)境水侵蝕和磨損等。1. 2　耐久性性影響因素及研究方法　　M eh ta 教授在1991 年召開的第二屆混凝土耐久性國際學術(shù)會上指出：“當今世界，混凝土破壞的原因，按重要性遞降順序排列是：鋼筋腐蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學作用”，“當今混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益嚴重，除冰鹽應用的日增，水、土、大氣污染加劇，也有促進作用”。因此，混凝土的耐久性研究應該從混凝土材料本身以及所處的環(huán)境兩方面來考慮?！　』炷镣ǔ２皇窃趩我荒途眯砸蛩刈饔孟率艿狡茐牡?，而是受到一種以上的侵蝕作用導致破壞加速的結(jié)果。過去偏重于采用分析方法進行單一因素的研究，往往脫離實際，于是有學者提出了多因素研究的方法。近年來，出現(xiàn)了耐久性更好的高性能混凝土，但由于泌水減小和水膠比降低引起的收縮開裂加大，可能會削弱抗?jié)B性的效果。因此，混凝土的耐久性也應該重視提高其體積穩(wěn)定性，使混凝土不會由于開裂而失去高抗?jié)B性。2　混凝土的滲透性2. 1　混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與滲透性　　混凝土是一種多相非均質(zhì)材料，從微觀上看是多孔結(jié)構(gòu)，水通過這些孔隙在混凝土中滲透。一般認為，混凝土的滲透性越低，水及腐蝕性介質(zhì)越不易滲入，即耐久性越好。通常采用的降低滲透性的措施都能提高混凝土的耐久性，諸如降低水膠比、使用礦物摻合料、延長養(yǎng)護時間等。特別是礦物摻合料作為膠凝材料加入混凝土中，能起到增大混凝土的密實度、改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)、細化孔隙的作用，能明顯提高混凝土的滲透性。2. 2　混凝土滲透性的電學評價　　人們習慣于用強度來衡量混凝土的綜合質(zhì)量，但對于高性能混凝土來說，耐久性比強度更重要。文獻的研究證實了混凝土的強度不能反映滲透性，對高性能混凝土尤其如此?；炷恋碾妼逝c其滲透性參數(shù)之間的關(guān)系可表示為： K =σV/σ　　式中， σ 為混凝土電導率； σp 為混凝土孔溶液的電導率； K 為反映混凝土孔隙情況的參數(shù)。研究證明，電學方法與滲水法所測結(jié)果相關(guān)性很好。有的方法在評價混凝土的其它耐久性指標方面也存在較大的潛力。相比而言，混凝土的電學性能指標的測量是快捷而精確的。文獻已建立了用交流電測量混凝土滲透性的試驗方法。3　滲透性與耐久性的關(guān)系　　混凝土的耐久性包括許多內(nèi)容，這些內(nèi)容又受許多因素影響，且作用機理復雜，但其共同點是：它們都與混凝土的傳質(zhì)能力有關(guān)。混凝土材料的腐蝕大多是在有水及有害離子侵入的條件下產(chǎn)生的，混凝土的耐久性與滲透性有著密切的聯(lián)系。3. 1　抗凍性與滲透性　　干燥的混凝土不會遭受冰凍破壞。由于混凝土含水率存在一個臨界飽和度，超過此值，且當混凝土暴露于低溫下容易產(chǎn)生裂縫?；炷两?jīng)充分養(yǎng)護后含水率可能低于臨界飽和度，但如果其滲透性較高，當暴露于潮濕環(huán)境時，可以再次達到或超過臨界飽和度?！　∫虼?，對處于凍融環(huán)境中的混凝土，其滲透性非常重要。滲透性不僅控制著凍結(jié)時與內(nèi)部水的移動有關(guān)的滲透壓力，而且控制著冰凍前的臨界飽和度，國外已有學者研究了混凝土的滲透性與凍融循環(huán)的關(guān)系。　　一般來說，在混凝土中引入適量的封閉氣孔可以大大改善其抗凍能力。由于引入的封閉氣孔既可降低混凝土的表面滲透性，使混凝土不易飽水，又可以在冰凍時為水壓力提供外逸邊界，使得膨脹力減小，從而可以大幅度提高混凝土的抗凍融能力。3. 2　碳化與滲透性　　　　由于混凝土的多孔性，大氣中的CO 2 在濃度差的作用下通過混凝土由外向內(nèi)擴散，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應，這個過程稱為混凝土的碳化。碳化對混凝土的危害是多方面的，例如使混凝土的韌性降低、產(chǎn)生碳化收縮裂縫等，而最大的危害是使表層混凝土堿性降低，對保護鋼筋不利。

混凝土碳化是一個緩慢的過程。碳化速度可用一定時期內(nèi)的碳化深度來表示。碳化深度一般通過實驗室加速碳化試驗來測定。另外，根據(jù)CO 2 在混凝土中的擴散機理，很多學者都建立了預測混凝土碳化深度的數(shù)學模型。我們采用文獻建立的碳化模型，預測了文獻中所用混凝土的碳化深度，預測結(jié)果見表1。

　　由表1 可見，混凝土的Cl- 滲透深度x 和碳化深度D c之間相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)為0. 858，相關(guān)程度為顯著。由收集到的混凝土電性能指標和用碳化模型預測的碳化深度反映這種關(guān)系也可得到同樣的結(jié)果，二者的相關(guān)系數(shù)為- 0. 734，相關(guān)程度也顯著。以上分析表明，有可能利用混凝土的滲透性評價其抗碳化性能，并且因混凝土的交流電阻比Cl- 滲透深度更容易測量，用來評價混凝土碳化性能更具潛力。3. 3　鋼筋銹蝕與滲透性　　混凝土的高堿性使內(nèi)部鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，保護鋼筋不受腐蝕。CO 2通過表面滲入混凝土以后，同混凝土中的Ca 2 反應使之碳化，從而使混凝土堿性大大降低。隨著混凝土堿性的降低，鋼筋表面的鈍化膜將變得不穩(wěn)定，直至破壞。這樣，失去保護的鋼筋會在氧和水分滲入的情況下發(fā)生電化學腐蝕。由表1 數(shù)據(jù)計算可知，混凝土Cl- 滲透深度x 與鋼筋銹蝕失重率K RW 之間相關(guān)系數(shù)為0. 671，相關(guān)程度稍差，這可能是因為數(shù)據(jù)來自不同研究者的試驗，以及預測模型的誤差造成的。已有研究者采用滲透性指標定性地評價混凝土的護筋性能?！　÷入x子的侵入是誘發(fā)鋼筋銹蝕的又一個重要因素。當氯離子侵蝕至鋼筋表面，且含量超過臨界值時，造成局部鈍化膜溶解，在水和氧氣的存在下，誘發(fā)鋼筋的電化學腐蝕。4　結(jié)　語　　混凝土材料的腐蝕主要是由于侵蝕性介質(zhì)的侵入。滲透性決定了侵蝕性介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部的速度，是影響混凝土耐久性最重要的因素。今后，可望利用滲透性指標評價其耐久性。