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(yīng)用。過去, 由于歷史、社會和人的主觀認(rèn)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(hù)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。混凝土結(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(dá)1680 億美元, 而今后每年用于維修或重建的費用預(yù)計高達(dá)3000 億美元。英國每年用于修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的費用達(dá)200 億英鎊(合280 億美元) , 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(合3. 3 億美元) 以上。
混凝土耐久性指標(biāo)一般可通過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(dāng)今的混凝土材料和技術(shù)研究進(jìn)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(xué)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(xué)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(xué)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(fēng)化作用、化學(xué)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(dāng)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(yīng)包括: 大氣對混凝土的腐蝕(如干濕度、溫度、凍融、碳化等)、水對混凝土的作用、堿骨料反應(yīng)、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(xué)術(shù)會上指出:“當(dāng)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(xué)作用”,“當(dāng)今混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益嚴(yán)重, 除冰鹽應(yīng)用的日增, 水、土、大氣污染加劇, 也有促進(jìn)作用”。因此, 混凝土的耐久性研究應(yīng)該從混凝土材料本身以及所處的環(huán)境兩方面來考慮。
混凝土通常不是在單一耐久性因素作用下受到破壞的, 而是受到一種以上的侵蝕作用導(dǎo)致破壞加速的結(jié)果。過去偏重于采用分析方法進(jìn)行單一因素的研究, 往往脫離實際, 于是有學(xué)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(yīng)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(rèn)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(hù)時間等。特別是礦物摻合料(如硅粉、粉煤灰和礦渣等) 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(xì)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(xué)評價
人們習(xí)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(xiàn)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?dǎo)率與其滲透性參數(shù)之間的關(guān)系可表示為: K =σV/σ
式中, σ 為混凝土電導(dǎo)率; σp 為混凝土孔溶液的電導(dǎo)率; K 為反映混凝土孔隙情況的參數(shù)。研究證明, 電學(xué)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(biāo)方面也存在較大的潛力。相比而言, 混凝土的電學(xué)性能指標(biāo)的測量是快捷而精確的。文獻(xiàn)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(fù)雜, 但其共同點是: 它們都與混凝土的傳質(zhì)能力有關(guān)?;炷敛牧系母g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(dāng)混凝土暴露于低溫下容易產(chǎn)生裂縫?;炷两?jīng)充分養(yǎng)護(hù)后含水率可能低于臨界飽和度, 但如果其滲透性較高, 當(dāng)暴露于潮濕環(huán)境時, 可以再次達(dá)到或超過臨界飽和度。
因此, 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(xué)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(yīng), 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(hù)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(xué)者都建立了預(yù)測混凝土碳化深度的數(shù)學(xué)模型。我們采用文獻(xiàn)建立的碳化模型, 預(yù)測了文獻(xiàn)中所用混凝土的碳化深度, 預(yù)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(biāo) (修正后的交流電阻) 和用碳化模型預(yù)測的碳化深度反映這種關(guān)系也可得到同樣的結(jié)果( 圖1) , 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
氯離子的侵入是誘發(fā)鋼筋銹蝕的又一個重要因素。當(dāng)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(xué)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(jìn)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(biāo)評價其耐久性。 |
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