影响混凝土耐久性之原料分析

    一、前言

    当今，混凝土已成为最广泛使用的建筑结构材料。以往工程中都比较重视混凝土的强度而容易忽视混凝土的耐久性。但试验和应用都标明，混凝土和钢筋混凝土在使用过程中，受到土壤、水和空气中有害介质的侵蚀或混凝土本身组成材料有害成分的化学及物理作用，会产生开裂、溶蚀、剥落、膨胀、松软及强度等级下降等现象，严重的还会出现结构破坏或倒塌。随着我国商品混凝土和高强混凝土的推广应用，混凝土的耐久性和安全性已受到越来越广泛的关注。

    提高混凝土的耐久性对于当前实现可持续发展战略，更好地利用资源、节约能源和保护环境，都具有十分重要的意义。本文着重从原料的生产和使用层面上分析影响混凝土耐久性的因素及原因，有助于我们更新观念，从耐久性的角度评价水泥和混凝土的质量。

    二、水泥的生产和使用

    在影响混凝土耐久性问题上，其原因涉及多方面，其中裂纹是导致混凝土耐久性降低的一个关键因素。就材料本身来说，影响混凝土抗裂性的主要因素则是水泥。

　1 、水泥在生产中存在的问题和原因

    ⑴过多追求水泥强度，尤其是早期强度

    综合多种因素分析，混凝土的开裂有着相当复杂的多方面的原因。但在对其中一个主因的认知上大家的看法是比较接近的，即：为满足现代高速施工所采用的高早强水泥及其混凝土拌合物是使混凝土结构早期开裂的一个重要的原因。

    在水泥的质量要求中，水泥的强度是很重要的指标。对水泥标准的修改也主要在于强度的检测上。随着三次标准的修改，对水泥的强度要求越来越高。同时，随着混凝土建筑业越来越受高速建设的经济利益所驱动，使得水泥企业越来越重视生产早强水泥来满足现代建筑工业的要求，其方式主要是通过改变水泥的矿物组成和提高水泥的细度。如增加C3S、C3A 的含量，将水泥磨至3500cm2/g 以上等措施。水泥熟料中四种主要矿物的水化热和收缩率见表1、表2。

　　

    由表1 和表2 可见，C3A 的水化热和收缩率均高于其他矿物。其次为C 3S ，其水化热在反应初期也是C2S 的数倍。因此，在水泥生产中提高C3A 和C3S的含量，对于水泥水化早期是很容易因温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。这样就自然使得混凝土的耐久性下降。

    提高水泥的细度，虽能提高水泥的早期强度，但对混凝土的耐久性也是不利的。图1是水泥细度与混凝土抗冻性的关系，如图所示，当水泥的细度从2500cm2/g 变化到4800cm2/g时，抗冻循环次数从420次变化到不足100 次。

    在目前的施工过程中，施工单位为了加快施工的进度，往往希望水泥生产企业提供早强水泥。在这种背景下，水泥生产企业包括新型干法水泥厂也为了适应这个要求而生产出比表面积高的早强水泥。这种做法对混凝土的耐久性方面是相当不利的。

    ⑵混合材的掺入

    我国水泥标准中规定在普通硅酸盐水泥生产中可以掺加15%以内的混合材。但现在存在的问题是水泥生产企业往往并不标明混合材的品种和掺加的数量。而随着现代混凝土工业的发展，混合材在混凝土的使用中也越来越广泛，多的可达30%以上。如果混凝土行业不了解所采用的水泥中混合材的品种和数量，而自己再加入相同的混合材，这样以来就会带来力学性能和其他性能有显著的变化，这样就可能造成混凝土早期开裂，从而影响混凝土的耐久性。

　　水泥企业还存在的一个问题是，许多新型干法水泥企业和先进的立窑企业由于技术上的优势，生产的熟料强度很高。但由于市场对高标号水泥的需求不大，而水泥企业如果生产矿渣水泥又会降低利润。所以为了充分利用熟料强度，水泥厂就超标准掺加混合材生产低标号水泥。于是就存在水泥企业生产水泥时混合材的超标现象。因为混合材掺量这一标准规定一般为人们所忽视。若在这种情况下，再在商品混凝土站掺20%～30%的磨细掺合料，而不采取措施，就会因混合材的叠加效应而导致混凝土工程质量低劣。

    2、水泥使用中存在问题和原因

    水泥的用量也会影响到混凝土的耐久性。由于高水泥用量在早期和后期易产生裂纹。而裂纹对混凝土的耐久性是致命的。强度过低显然对耐久性是不利的，但强度过高又会给耐久性带来风险。同济大学黄士元认为，水泥用量在350kg/m3的C40混凝土一般不易开裂，是优质混凝土。水泥用量在400～500kg/m很难满足。国家标准中对建筑工程使用沙石的粒径和级配有严格的要求，建筑用砂的最大粒径为5mm，石子的最小粒径为5mm；而目前实际混凝土用沙石一般做不到连续级配。这样以来，就必须增加高效减水剂掺量来满足拌合物流动性的要求，不仅不经济，而且使混凝土弹性模量降低，收缩增大，从而影响耐久性。

    3 、集料和水泥之间的结合

    沙石和水泥之间的结合程度也影响到混凝土的耐久性。沙石和水泥的结合界面体现二者之间的弹性模量上：当石子和混凝土弹性模量差别很大时，在水泥水化减缩和温度、湿度变化时，二者变形不一致，会导致界面产生微裂缝，从而影响混凝土的耐久性；如果二者弹性模量差别缩小，则界面结合可得到加强。

    4 、碱－骨料反应

    碱—骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱与骨料中的活性成分的反应，在混凝土浇筑成型后若干年（数年至二三十年）逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布，所以一旦发生碱骨料反应，混凝土内部各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂，发展严重的只能拆除，无法补救，因而被成为混凝土的癌症。所以砂石骨料（集料）的碱活性指标是一项重要的指标，必须引起重视，否则后果是严重的。

    三、外加剂的生产和使用

    1 、外加剂与水泥的适应性

    每一种混凝土外加剂都有它特有的功能，掺加这种外加剂，能够改善混凝土某一方面或某几方面的性能。不注意外加剂和水泥的适应性问题，就会对工程带来影响。如：用几种普通硅酸盐水泥并掺加某种高效减水剂（经检验符合高效减水剂质量标准）配制混凝土，在配制条件都相同的情况下，有种水泥所配制的混凝土水泥在减水率方面出现了严重不足，则说明这种水泥与该高效减水剂不适应，而其他几种水泥与该高效减水剂相适应。再如，当某种水泥所配制的混凝土中掺加经检验符合相关质量标准要求的速凝剂却得不到速凝效果，或掺加缓凝剂却得到了假凝效果，都可以认为是由于外加剂与水泥之间不相适应所致。

    几乎所有品种的外加剂与水泥之间都存在适应性问题，只是目前来说减水剂使用最普遍，而且当其与水泥产生不适应的时候能够比较直观快速地反应出来（如流动性差、减水率低、或拌合物板结发热、流动度损失过快等现象）。

    水泥与外加剂的相容性是一个很有意义的科学问题，更是一个工程实际问题，这个问题出自于工程事故。因此必须引起生产单位和工程应用部门的高度重视。

    2 、高效减水剂带来的问题

    目前外加剂的主要种类为各种高效减水剂。混凝土中掺加减水剂，使得水灰比降低至0.4 甚至是0.3 以下，从而使得较低标号的水泥同样可以配制出高强度的混凝土，这种认识被大家所熟悉。但是，水灰比降低相应带来的其他变化，就不容易检测了。一般来说，水灰比降低，容易造成混凝土尤其是暴露面积很大的混凝土构件由于表面蒸发而出现收缩。这种现在基本上发生在早期。表面水分向外蒸发引起的收缩是主要问题，而当水灰比较大时，上升的泌水还可以使其表面得到补充，不容易出现开裂。

    此外，随着水灰比（水胶比）的降低，在骨料质量不变的前提下，填充间隙并包裹与润滑骨料的胶凝材料用量必然加大，因此通常要增大混凝土的温升。低水灰比和高水化环境温度是加速混凝土强度发展的两个“催化剂”，然而随之发生弹性模量的迅速提高（比强度发展更迅速）、徐变松弛作用的减小和降温阶段混凝土发生的温度收缩，这些因素的叠加导致了现代混凝土易于开裂的趋势。

    四、混和材的使用

    高强混凝土一般含有较多水泥，因此收缩大，并在硬化时产生更高的温度。现代水泥又因为细度更高而更易开裂。经验说明，最经济有效的解决办法是将混凝土中的部分水泥用粉煤灰或矿渣来替代。含有粉煤灰或矿渣的混凝土在砂浆与粗集料的结合区的强度更高，不易发生微裂，因而具有更高的水密性和耐久性及使用寿命。目前混凝土工业中混合材主要包括粉煤灰、硅灰、高炉矿渣等。但由于不正确的观念或技术方面的束缚，在混合材的使用中也会存在一些影响混凝土耐久性的因素。

    1 、混合材的掺量

    过去由于认识上的误解，往往重视水泥在混凝土中的作用，认为越多加水泥，则就能得到高强的混凝土，其实这是片面的。在混凝土中掺加混合材，一方面降低了成本，另外对改善混凝土的耐久性也有重要的影响。现在一些企业也开始多掺加混合材。但在一些边远地区，还是没有彻底的转变认识，在混凝土制备过程中很少加入混合材。另外一个问题，我国普通硅酸盐水泥中已掺有一定量的混合材，在使用过程中，一定要注意其叠加效应。

    2、加入混合材要注意养护条件

    采用高混合材的混凝土如果不注意养护条件同样会带来问题。从50 年代我国就大量使用掺粉煤灰和矿渣。但在工程中也发现早强低、易碳化，抗冻性能也不太好等问题，从而使混凝土耐久性降低。其实这是与混凝土的养护条件有关的。国外的混凝土掺入大量粉煤灰，其试验条件是长期湿养护。如果这种混凝土没有在长期湿养护条件下而盲目强调多掺粉煤灰，很容易出现问题。

    五、小结