孔結(jié)構(gòu)特征對混凝土抗?jié)B性的影響及改善措施

  摘要：本文對影響混凝土滲透性的重要因素孔結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行了總結(jié)，孔結(jié)構(gòu)特征而不是孔隙率影響混凝土的滲透性，采用合理設(shè)計、施工工藝及養(yǎng)護(hù)等措施可以將混凝土耐久性滿足目前工程的耐久性要求。

  關(guān)鍵詞：孔結(jié)構(gòu) 抗?jié)B性 混凝土 水泥

  自波特蘭水泥問世以來，混凝土已成為工程建設(shè)中最為常用的材料之一。但是，由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和和使用環(huán)境的特點，混凝土結(jié)構(gòu)中存在著嚴(yán)重的耐久性問題。近年來，許多文獻(xiàn)報道了世界各地由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足而引起的巨大經(jīng)濟損失。大量研究表明，混凝土的滲透性與其耐久性之間有著密切的聯(lián)系，因此，通常認(rèn)為滲透性是評價混凝土耐久性的最重要指標(biāo)。一般來說，抗?jié)B性好的混凝土，耐久性也就越好。

  混凝土固有的多孔性導(dǎo)致了其抗?jié)B性較差，混凝土的滲透性取決于水泥石的孔結(jié)構(gòu)和集料的性能。水泥石和集料都含有各種大小的孔隙和裂縫，但并不是這些都是滲透性的通道，孔隙率不是影響滲透性最主要原因；在很大程度上混凝土滲透性取決于水泥石的孔結(jié)構(gòu)。即孔的結(jié)構(gòu)比孔隙率對混凝土宏觀行為的影響更為重要。

  １孔結(jié)構(gòu)分析

  水泥石和混凝土（含有相同水灰比的漿體）的滲透性是有差異的，造成這種差異的原因有兩方面：一是由于骨料本身的滲透性不同造成的，另一方面是由于漿體與骨料界面處的孔結(jié)構(gòu)和微裂縫造成的。但是由于骨料顆粒被水泥漿包裹，所以在充分密實的混凝土中，水泥漿的滲透性對混凝土的滲透性影響最大，而拌和物中骨料含量的影響一般較低。所以要研究混凝土的滲透性，需首先對水泥石的微觀結(jié)構(gòu)有清楚的認(rèn)識。

  1.1 水泥石的孔結(jié)構(gòu)

  水泥石與水的作用是從水泥顆粒表面熟料礦物的溶解開始的，然后進(jìn)入凝聚結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成階段，其水化產(chǎn)物以凝膠體、亞微觀晶體、大晶體的形式存在，他們與未水化的水泥顆粒、水、粗細(xì)集料和成型時裹進(jìn)入的大量氣泡，形成了固、液、氣相的多相多孔體，即水泥石。水泥石的孔隙主要由凝膠孔、毛細(xì)孔和非毛細(xì)孔三部分組成。

  （1）凝膠孔

  凝膠體時水化水泥顆粒間的過渡空間的孔徑根據(jù)不同的形成條件而波動在很大的范圍內(nèi)。在水泥硬化初始生成的水泥凝膠，多為封閉型的，但隨著水泥水化的發(fā)展，由于后期水分的蒸發(fā)，其凝膠孔隙率將逐步增加，雖然這樣，水泥凝膠的滲透系數(shù)還是很小的，屬于無害孔。

  （2）毛細(xì)孔

  水泥硬化到一定階段，水泥石內(nèi)部出現(xiàn)毛細(xì)孔，它對水泥石滲透性的影響最大。毛細(xì)孔的形成主要與水灰比的大小有關(guān)，初始水灰比越大，水泥水化程度越低，水泥石的毛細(xì)孔就越大。隨著水泥水化的發(fā)展，水泥石毛細(xì)孔孔隙是不斷變化的，一般認(rèn)為隨著水泥水化的深入發(fā)展，水泥石毛細(xì)孔的孔隙率下降。

  （3）非毛細(xì)孔

  非毛細(xì)孔主要是指水泥石內(nèi)部缺陷和微裂縫，可能是由于水泥石的收縮、溫度變化、成型條件等因素引起。

  1.2 混凝土的孔結(jié)構(gòu)

  混凝土固有固有的多孔性決定了混凝土具有一定的滲透性。混凝土的孔結(jié)構(gòu)很大程度上取決于水泥石的孔結(jié)構(gòu)，但是由于混凝土的結(jié)構(gòu)比水泥石結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，水泥石和骨料都含有各種大小不同的孔隙和裂縫，這些孔隙錯綜復(fù)雜，孔形各異，孔徑尺寸跨越微觀尺度與宏觀尺度，對混凝土宏觀性能有著巨大的影響。

  混凝土的孔結(jié)構(gòu)隨著水化程度的提高和齡期的延長不斷變化，因為有凝膠孔德水泥凝膠體積比未水化的水泥體積增大1.2倍，因而水化產(chǎn)物充填了由拌和水占有的那部分體積。毛細(xì)孔體積減小，凝膠孔體積增加，同時小于50nm的毛細(xì)孔隙率增多，大于50nm的毛細(xì)孔息率減少。對于水會比約在0.6以下的水泥漿體，當(dāng)水化程度很高時，漿體中的毛細(xì)孔可能被凝膠堵塞而分段隔開，成為只與凝膠孔相連的封閉毛細(xì)孔。水泥石和混凝土的總孔隙率和開口孔隙率都在下降，總孔隙率與開口孔隙率之差增大，水泥石和混凝土中孔隙的平均孔徑下降。

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  3 孔結(jié)構(gòu)的改善措施

  明確了混凝土孔結(jié)構(gòu)對其滲透性的影響，可以通過宏觀手段調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)，以期在一定程度上改善混凝土的性能。

  3.1 設(shè)計改善措施

  （1）新頒發(fā)實施的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010－2002）已有耐久性條文規(guī)定，設(shè)計圖紙不只提出結(jié)構(gòu)使用年限，還要判斷說明結(jié)構(gòu)各部為使用期間所處環(huán)境類別，對處于而類環(huán)境下的地下工程防水部位要說明防水與抗?jié)B等級要求，說明最大水灰比、最小水泥用量及混凝土中氯離子、堿含量的限制。

  （2）提高混凝土強度等級

  混凝土強度的提高，混凝土密實度也相應(yīng)加大，孔隙率減小，減少了環(huán)境中水、氧、氯離子、二氧化碳等有害介質(zhì)的侵入，對結(jié)構(gòu)防水抗?jié)B、減小碳化速度、避免鋼筋銹蝕等均為有利，對有抗?jié)B要求的潮濕環(huán)境，結(jié)構(gòu)混凝土的強度等級相應(yīng)提高，一般不宜低于C30。

  （３）使用減水劑及礦物摻合料

  當(dāng)未使用減水劑及礦物摻合料時，水泥漿體中的水泥顆粒的間隙較大，其中包裹了較多的自由水；加入減水劑的水泥漿體由于排出了多余的自由水分，水泥粒子間隙較低；同時使用減水劑和礦物摻合料的水泥漿體，由于礦物超細(xì)粉填充于水泥顆粒之間，硬化后水泥石的密實度、強度和耐久性均得到了提高。

  （４）使用引氣劑及礦物摻合料

  混凝土滲水的過程首先是混凝土中的毛細(xì)孔的毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)孔吸水保和后，才使壓力水的通過。如果配制混凝土?xí)r摻入一定的引氣劑，在混凝土中引入若干直徑大于毛細(xì)孔直徑的細(xì)小球形孔，切斷毛細(xì)孔的滲水通路，可在一定程度上提高混凝土的抗?jié)B性，這就是說，除了孔的級配外，孔的幾何特征也影響混凝土的耐久性。當(dāng)然，摻用引氣劑對混凝土的強度產(chǎn)生一定的影響。       3.2 施工改善措施

  （１）編制控制耐久性技術(shù)措施；

  目前施工單位的管理、技術(shù)、操作人員在施工中比較注意混凝土拌合物對滿足泵送的工作性能要求。而對結(jié)構(gòu)耐久性質(zhì)量缺乏了解，重視不足。為提高結(jié)構(gòu)耐久性質(zhì)量，要加強施工管理，提高認(rèn)識，落實責(zé)任，制定專項技術(shù)措施，通過檢查驗收，層層把關(guān)。

  （２）采用機械攪拌和機械振搗，保證混凝土的密實度

  混凝土的攪拌過程是攪拌機械與拌合料相互作用的動態(tài)過程，在攪拌過程中，拌合料的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能都發(fā)生著變化。

  （３）合理確定混凝土配合比，嚴(yán)格控制水灰比

  水灰比對硬化的混凝土孔隙數(shù)量、孔隙率大小起決定作用，直接影響了混凝土的密實性。

  （４）加強混凝土養(yǎng)護(hù)

  混凝土的養(yǎng)護(hù)條件包括溫度、濕度、壓力及齡期等。養(yǎng)護(hù)條件的變化直接影響混凝土的水化凝結(jié)硬化過程，影響其礦物組成、孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)及分布，從而影響混凝土的密實性、滲透性及耐久性。

  濕養(yǎng)護(hù)對防水混凝土極為重要，是混凝土獲得強度和抗?jié)B性的必要條件，混凝土在潮濕環(huán)境中硬化，可減少混凝土中水分蒸發(fā)，降低孔隙率，減少收縮，提高密實性和抗?jié)B性。

  混凝土的滲透性隨著其養(yǎng)護(hù)齡期的延長而降低?；炷林兴嗟乃情L期的，但水化至一定齡期后則進(jìn)行緩慢。隨著水泥水化程度的提高，水泥石中毛細(xì)孔逐漸被新生成的水化物占據(jù)，毛細(xì)孔的連通性減弱，使得水泥漿體的滲透系數(shù)降低。

  參考文獻(xiàn)

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