提高混凝土抗?jié)B性能的關(guān)鍵技術(shù)措施研究綜述

      摘要：本文針對如何提高混凝土抗?jié)B性能的問題，扼要綜述了國內(nèi)外混凝土抗?jié)B耐久性的技術(shù)現(xiàn)狀，敘述了利用礦物摻和料復(fù)合摻入來改善混凝土抗?jié)B耐久性的有效措施。

      關(guān)鍵詞：混凝土；耐久性；抗?jié)B性；礦物摻合料

      1 　前言

      從1824 年波特蘭水泥發(fā)明之后，混凝土的生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，由此混凝土的用量也急劇增加，使用范圍日益擴(kuò)大。至今，混凝土已成為人類社會生活、文化生活的基礎(chǔ)，是城市化、高速公路、港口碼頭、立交橋、機(jī)場、大壩等建設(shè)中應(yīng)用最大量、最廣泛的建筑材料。然而，混凝土自身仍存在著許多缺陷制約著其今后的發(fā)展，如混凝土的耐久性、自重較大等，特別是混凝土的耐久性已成為當(dāng)今國內(nèi)外一個迫切需要解決的問題。因?yàn)?，由混凝土耐久性不足所造成的混凝土建筑物的維修或重建不僅耗費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力，而且也阻礙了混凝土建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；炷恋哪途眯园?jié)B性、抗凍性、鋼筋銹蝕、化學(xué)侵蝕、堿集料反應(yīng)等。其中混凝土的抗?jié)B性是混凝土耐久性的第一道防線，對混凝土耐久性的影響十分重要。因?yàn)樗只蚯治g性介質(zhì)的入侵是引發(fā)混凝土質(zhì)量劣化、耐久性不足的主要原因。有學(xué)者認(rèn)為混凝土的抗?jié)B性是評價混凝土耐久性最重要的綜合指標(biāo)[1 ] 。就混凝土的滲透性與耐久性存在密切關(guān)系這一點(diǎn)，許多學(xué)者都進(jìn)行了深入研究，得出的結(jié)論非常一致。美國的Metha ，英國的Nevill 及我國已故工程院院士吳中偉都主張，大幅度提高混凝土的抗?jié)B性是改善混凝土耐久性的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外對混凝土抗?jié)B性的研究主要是針對影響混凝土抗?jié)B性的各個因素，采取各種措施改善混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化孔徑，減少混凝土內(nèi)部連通的滲透通道。這些措施包括提高混凝土的密實(shí)度，在混凝土中添加各種摻和料如粉煤灰、礦渣、硅灰等，還有在混凝土中添加各種外加劑如減水劑、引氣劑、膨脹劑等。除此之外，還有人采用兩摻或三摻的方式，即將活性混合材與外加劑同時摻入混凝土中以提高混凝土的抗?jié)B性能。

      2 　選擇合理的水灰比及灰砂比改善混凝土抗?jié)B性能的研究現(xiàn)狀

      混凝土作為一種多孔材料，孔隙率很高，約占25 %～40 % ，其中特別是毛細(xì)孔占很大一部分?；炷恋臐B透性首先取決于硬化水泥漿的孔隙率，包括孔隙的尺寸、分布和連續(xù)性。試驗(yàn)表明[2 ] ，當(dāng)水泥漿毛細(xì)管孔隙率超過20 %～30 %時，硬化水泥漿的滲透系數(shù)將急劇增大。而硬化水泥漿的毛細(xì)管孔隙率主要取決于水灰比，水灰比愈大，孔隙率愈大，水泥漿抗?jié)B性愈差。當(dāng)水灰比由0.4 增至0.7 時，水泥漿滲透系數(shù)增大100 倍以上，水灰比超過0.5 時，滲透系數(shù)增加比較顯著?；炷恋目?jié)B性較水泥漿的低，因?yàn)樵诨炷林校值恼舭l(fā)、泌水等現(xiàn)象在混凝土內(nèi)部形成了許多大小不同的孔隙，這些孔隙構(gòu)成了滲水的主要途徑?；炷了冶仍酱?，形成的空隙越多，混凝土抗?jié)B性能越差。研究表明[3 ，4 ] ，當(dāng)混凝土水灰比從0.5 增至0.6 時，混凝土抗?jié)B性有急劇降低的趨勢，且當(dāng)水灰比超過0.55 時，混凝土的滲透系數(shù)急劇增大。蔡正詠（1979） 認(rèn)為[5 ] ：水灰比不超過0.55 的混凝土，在一般情況下無須進(jìn)行抗?jié)B性試驗(yàn)就足以保證混凝土滿足W8 的要求，而對于重要結(jié)構(gòu)，有抗?jié)B要求時水灰比最好不超過0.45 或0.50 。美國ACI 標(biāo)準(zhǔn)301 - 72 （1975 年重頒） 建議[6 ] ：暴露于淡水中的結(jié)構(gòu)混凝土（要求防滲） ，其水灰比不應(yīng)超過0.48 ，暴露于海水中的不應(yīng)超過0.44。H1H1 阿赫維爾多夫研究表明[7 ] ，當(dāng)混凝土的水灰比= 0.876 – 1.65 P（P為水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量） 時，水泥漿中的溶劑化固相粒子在分子力作用下形成的凝聚結(jié)構(gòu)能夠充滿水泥—水體系的空間，從而使水泥漿不發(fā)生泌水現(xiàn)象，減少了由于泌水所造成的混凝土內(nèi)部的滲水通道，提高混凝土的抗?jié)B性。在水灰比相同的情況下，混凝土中的單方用水量決定了混凝土中孔隙的多少。笠井等人研究證明[8 ] ，相同水灰比的混凝土，單方用水量越大，早期（3～3.5d） 自由收縮越大。日本有關(guān)規(guī)范規(guī)定，單方用水量為185～175kg/ m3的混凝土屬于耐久性混凝土；單方用水量≤175kg/ m3的混凝土屬高耐久性的混凝土。如前所述，混凝土的滲透性主要取決于水泥漿的滲透性能。在混凝土中，水泥漿不僅要填充骨料間的空隙，還要包裹骨料形成一定厚度的砂漿保護(hù)層，以切斷混凝土的毛細(xì)孔管道，提高混凝土的抗?jié)B性能，所以混凝土的砂率要選擇適當(dāng)。有資料表明[9 ] ，抗?jié)B性混凝土中砂的用量高于普通混凝土，一般砂率值應(yīng)在35 %～40 %。灰砂比表達(dá)的是水泥砂漿的質(zhì)量問題，灰砂比選擇的好，就能制得密實(shí)度高，自防水能力好的混凝土，故灰砂比也應(yīng)選擇適當(dāng)。一般灰砂比在1 ：2.0 - 1 ：2.5 之間。

      3 　摻入活性混合材改善混凝土抗?jié)B性能的研究現(xiàn)狀

      眾多的研究表明，粉煤灰、礦渣、硅灰等活性混合材摻入混凝土后，其活性成分與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好的水化硅酸鈣凝膠，從而改善了混凝土中膠凝物質(zhì)的組成，改善了水泥石的界面結(jié)構(gòu)和截面區(qū)的性能，提高了混凝土的后期強(qiáng)度和抗?jié)B性。Metha 指出[10 ]應(yīng)用大摻量粉煤灰（或磨細(xì)礦渣） 混凝土是今后混凝土技術(shù)進(jìn)展最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。

      3.1 　摻入粉煤灰

      八十年代初國外的一些學(xué)者，如英國的C1L1Page、美國的P1K1Mehta、挪威的O1E1Cjotv 等，研究得出的結(jié)論一致為：摻加混合材（礦渣、粉煤灰） 的水泥比普通硅酸鹽水泥能更有效地限制氯離子擴(kuò)散。90 年代以來，這方面的研究有增無減，例如日本的K1Toril 等[11 ]研究以等量取代方式摻加30 %粉煤灰（細(xì)度為3960cm²/ g） 的鋼筋混凝土試件，在Kanazawa城附近的日本海濱暴露5d 后鋼筋情況：結(jié)果是單摻30 %的粉煤灰試件鋼筋失重率和氯離子含量均小于同水灰比的未摻試件。M1F1Moncomor 等研究了摻0 %、30 %、50 %粉煤灰（等量取代） 混凝土的氯離子滲入量。試件養(yǎng)護(hù)7d 后，放入海濱潮差區(qū)，暴露2d 后發(fā)現(xiàn)，在混凝土一定深度內(nèi)，氯離子含量隨粉煤灰摻量增加而成指數(shù)函數(shù)遞減[12 ] 。

      國內(nèi)對粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用研究開始于1981年[13 ] 。郭飛騏等將鋼筋混凝土試件進(jìn)行海水浸烘加腐蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是，無論是普通水泥還是礦渣水泥混凝土，摻上磨細(xì)粉煤灰和木鈣減水劑后，28 天抗壓強(qiáng)度、吸水率、28 天碳化深度和銹蝕量均有不同程度的改善。其中鋼筋失重率對普通水泥和礦渣水泥分別減少到0.14 %和0.38 % ，這和國外研究結(jié)果基本相合。胡智農(nóng)等[14 ] （1993） 研究了粉煤灰混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和孔結(jié)構(gòu)，研究得出：粉煤灰雙摻混凝土的總孔隙率較基準(zhǔn)混凝土（水灰比為0.45） 減少了50 % ，而其中大于500. 的有害孔所占比例從16.46 %降為8.68 % ，氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降為64.2 %。張洪良，李濤等[15 ] （1998） 研究得出：在混凝土中摻粉煤灰必能改善混凝土的抗?jié)B性能，且粉煤灰超量取代水泥以20 %為宜。岳晨曦、陳風(fēng)揚(yáng)等[16 ] （1996）通過對濕粉煤灰抗?jié)B混凝土的試驗(yàn)研究，得出了濕粉煤灰摻量與濕粉煤灰混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性的關(guān)系，當(dāng)粉煤灰摻量小于25 %時，混凝土強(qiáng)度抗?jié)B等級隨摻量的增加而提高；當(dāng)摻量達(dá)25 %時，混凝土強(qiáng)度抗?jié)B等級達(dá)最高；摻量超過25 %后，混凝土強(qiáng)度抗?jié)B等級有所降低，甚至低于基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度抗?jié)B等級。張惠珍[17 ] （1999） 在混凝土中同時摻加減水劑A、B 和粉煤灰，對混凝土的各項(xiàng)性能，尤其是混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行了研究，研究得出，采用三摻方式制得的粉煤灰混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗蝕性能顯著提高。

      3.2 　摻入礦渣

      蒲心誠，甘昌成等[18] （1991） 研究了堿礦渣混凝土的耐久性問題，結(jié)果表明，堿礦渣混凝土的抗?jié)B標(biāo)號在W35 —W40 以上，大大超過了普通水泥混凝土的抗?jié)B標(biāo)號（W2 —W12） ，也大大超過了摻硅灰的高強(qiáng)硅酸鹽水泥混凝土（W16 —W22） 。陳友治、蒲心誠[19] （2000） 研究了中性鈉鹽堿礦渣水泥的膨脹性及其混凝土的抗?jié)B性。結(jié)果表明，中性鈉鹽堿礦渣混凝土具有良好的抗?jié)B性和防水性能，可用于剛性建筑防水。

      3.3 　摻入煤矸石

      煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)廢渣之一，它不僅占用了大量的農(nóng)田和土地，還嚴(yán)重污染了環(huán)境。世界各國都很重視煤矸石的處理和利用，近年來，國內(nèi)外越來越廣泛地利用煤矸石生產(chǎn)煤矸石水泥、煤矸石輕骨料及煤矸石磚等建筑材料，有人認(rèn)為將煤矸石微粉作為混凝土摻和料摻入混凝土中是煤矸石利用的新的最有效的途徑[20 ] 。但這方面的研究和工程實(shí)例很少。徐彬、張?zhí)焓痆21 ]等（1997） 對大摻量煤矸石水泥混凝土的耐久性進(jìn)行了研究，研究得出，普通煤矸石水泥的孔隙率較高，而煤矸石的摻量為60 %的大摻量煤矸石水泥孔隙率較低，僅為0.0413cm³/ g ，水泥石中孔徑大于103 的有害孔徑所占比例僅為33.2 %。結(jié)構(gòu)的致密化和孔結(jié)構(gòu)的合理化有利于水泥耐久性和抗?jié)B性的提高。

      4 　摻入外加劑改善混凝土抗?jié)B性能的研究現(xiàn)狀

      大量研究表明，減水劑摻入混凝土后可使水泥顆粒分散，改善混凝土拌和物的和易性，減少拌和用水量，使硬化混凝土中毛細(xì)孔數(shù)量相應(yīng)減少，提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性。故減水劑被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的各項(xiàng)大中型工程中。

      混凝土減水劑的減水率一般在10～20 %左右。目前高效減水劑減水率可以高達(dá)27～30 %。遲培云、李金波、楊旭[22 ]等（2001） 研究在混凝土摻入高效減水劑可取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果如下： （1） 保持和易性不變， 可減水25 % ，28d 強(qiáng)度提高90 % ，抗?jié)B性提高4～5 倍； （2） 保持和易性不變，節(jié)約水泥25 % ，28d 強(qiáng)度提高26 % ，抗?jié)B性提高2 倍； （3） 保持用水量和水泥用量不變，28d 抗壓強(qiáng)度提高27 % ，抗?jié)B性提高3 倍。

      長期的工程實(shí)踐和研究表明，在混凝土拌和物中摻入引氣劑，不僅能有效地提高混凝土的抗凍能力，也能減少混凝土的滲透性。因?yàn)橐龤鈩┦够炷涟韬臀锩谒拷档?0 %～40 % ，泌水通道的毛細(xì)管也相應(yīng)減少。同時，大量微小氣泡隔斷或堵塞了混凝土毛細(xì)管滲水通道，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土抗?jié)B能力提高，降低了含水量[23 ] 。美國是最早開始研制引氣劑的國家，其首創(chuàng)的松香樹脂酸類引氣劑—“文沙”（Vinso） 樹脂最初被應(yīng)用于改善預(yù)拌混凝土的保水性，地下結(jié)構(gòu)排水工程防滲，以及提高寒冷地區(qū)路面和大壩混凝土的抗凍性。在日本，引氣劑主要用來提高混凝土的抗凍性。我國從50 年代開始生產(chǎn)松香皂和松香熱聚物。松香熱聚物是一種常用的引氣劑，加入后能引進(jìn)大量均勻微細(xì)氣泡，改善了混凝土拌和物的和易性，減少部分拌和用水量，減少效果可達(dá)8 %左右，適宜的摻和量為0.005～0.01% ，該引氣劑可提高混凝土的抗?jié)B性，抗凍性和耐久性。但在應(yīng)用引氣劑時應(yīng)嚴(yán)格控制其引氣量，有資料表明[24 ] ，當(dāng)混凝土的引氣量超過6 %時，將引起混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B標(biāo)號的急劇下降。

      由于混凝土在硬化過程中受各種因素的影響，常會發(fā)生各種收縮變形，這些變形在混凝土內(nèi)部形成許多微小裂紋，從而降低混凝土的抗?jié)B性能。研究表明[25 ] ，在混凝土中加入膨脹劑后，可在混凝土導(dǎo)入預(yù)壓應(yīng)力抵消或部分抵消由于收縮變形而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而提高了混凝土的抗裂性能。同時，膨脹劑在水化過程中生成了大量的鈣礬石，堵塞了混凝土的毛細(xì)孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，混凝土的抗?jié)B性也隨之提高。關(guān)于膨脹混凝土防止開裂的原因，日本六車熙教授認(rèn)為，膨脹后收縮落差小，抗裂性能就好。吳中偉教授認(rèn)為，混凝土的干縮值小于它的極限延伸值0.02 % ，即不開裂。隋革艷、杜朋等[26 ]通過研究得出：U 型膨脹劑摻量為10 %～14 % ，可獲得抗裂性較好的混凝土；摻量為8 %～10 % ，混凝土強(qiáng)度有所提高并有良好的抗?jié)B性能，適用于以抗?jié)B為主要目標(biāo)的承重結(jié)構(gòu)；摻量為14 %～16 % ，膨脹率明顯提高，但強(qiáng)度下降幅度超過10 %。吳紹章[27 ] （1994） 通過試驗(yàn)表明，摻膨脹劑在恒壓時間相同或大于不摻的混凝土情況下，水壓可提高2 - 3 倍，而其滲水高度或相同或低于不摻膨脹劑的。但是，在摻用膨脹劑時，應(yīng)對混凝土的限制膨脹率提出具體要求，否則將會造成膨脹劑的少摻或誤摻，達(dá)不到收縮補(bǔ)償效果。我國《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（ GBJ119 - 88） 要求，摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土水中養(yǎng)護(hù)14 天的限制膨脹率≥0.015 % ，相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)中建立的預(yù)應(yīng)力大于012MPa。同時，摻用膨脹劑還須事先了解其對水泥品種、減水劑的適用性，不能隨意摻用。

      5 　結(jié)語

      綜上所述，選擇低水灰比、在混凝土中摻入活性混合材和外加劑等措施都能顯著地提高混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)這三種措施同時采用時，其增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能的效果尤其顯著。但是，在混合材品種和摻量的確定問題上，學(xué)者們的觀點(diǎn)不盡相同。粉煤灰、礦渣應(yīng)用后對提高混凝土抗?jié)B性能所做出的貢獻(xiàn)已被各國學(xué)者所認(rèn)知，而且已取得可喜成果。然而目前研究、應(yīng)用中的摻量較少，并沒有充分地利用粉煤灰、礦渣等廢料資源，在今后的應(yīng)用研究中，如何協(xié)調(diào)這些摻量和加大摻入量是值得深入研究的課題。目前，有關(guān)在混凝土中摻用煤矸石微粉以提高混凝土抗?jié)B性能的研究很少，在實(shí)踐中的應(yīng)用更是微乎其微。故對煤矸石摻入后能否提高混凝土的抗?jié)B性能及其適當(dāng)摻量的確定是當(dāng)前急待深入研究的領(lǐng)域。在以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的高性能混凝土的研制中，混合材、外加劑已成為混凝土原材料組成的第五、六組分，縱觀當(dāng)前國內(nèi)外研究成果，混合材、外加劑多以單摻或兩摻為主，而對多種混合材、外加劑同時摻入后，其復(fù)合疊加效應(yīng)對混凝土抗?jié)B性能影響的研究尚未見報(bào)導(dǎo)。研究多種混合材復(fù)摻，不僅利用了大量的廢料，而且他們各自的優(yōu)勢性能互相補(bǔ)充，對提高混凝土抗?jié)B性能有著非常顯著的作用，并且能將幾種混合材及煤矸石同重、兼優(yōu)。適合西部地區(qū)、寧夏引黃灌區(qū)的技術(shù)研究尚屬空缺。

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