如何提高混凝土的强度和耐久性

如何提高混凝土的强度和耐久性

摘要：混凝土广泛用于工程建设当中,它的各种性质决定了工程的质量及可靠度,尤其是混凝土的强度和耐久性。随着科技的发展,对混凝土的强度和耐久性的研究也取得了诸多成果。从决定混凝土的强度和耐久性的根本原因入手,讨论如何提高混凝土的强度和耐久性。

关键词：混凝土耐久性强度原因分析措施

一、影响混凝土强度的因素及改善措施

1、水泥对混凝土强度的影响

水泥标号对混凝土强度的作用是人们所熟知的, 同样配合比, 水泥标号愈高, 混凝土强度愈高, 水泥标号愈低, 混凝土强度愈低。关于水泥用量对混凝土强度的影响, 一般认为“水泥越多混凝土强度越高”。这个认识是不确切的: 一是没有前提。这个前提应该是在水灰比不变的情况下。如果水灰比不同,就无法谈高低问题。二是两者间关系不是永恒的。在水灰比不变的情况下, 混凝土强度有随水泥用量增加而提高的可能。但当水泥用量增加到某一极限量时, 混凝土强度不但没有提高, 反而有下降的趋势。从水泥用量对水泥石孔隙的影响来分析, 在某一水灰比时,

水泥用量如果恰在水泥全部水化限度内, 则水泥石的孔隙率是最小的, 也就是水泥石强度是最高的。如果水泥用量增加, 相应地水也要增加。所以, 孔隙率不会再少, 相反地增加了水泥石在混凝土整个体积中的比例。在混凝土中, 水泥石的强度远较集料强度低, 因此,过多的增加水泥不但不会提高混凝土的强度, 很可能要降低强度, 同时还要浪费水泥, 这在技术上和经济上都是不可取的。

2. 集料对混凝土强度的作用

集料本身强度一般都高于混凝土强度, 所以集料强度对混凝土强度没不利影响。但是集料的一些物理性质, 特别是集料的表面情况, 颗粒形状对混凝土强度有较大的影响, 相对地讲, 对混凝土的抗拉强度影响更大一些。集料品种对混凝土强度的影响, 又与水灰比有关。当水灰比小于0.4, 用碎石制成的混凝土强度较卵石要高, 两者相差值可达30%以上。随着水灰比的增大, 集料品种的影响减小,当水灰比为0.65时, 用碎石和卵石制成的混凝土在强度上没有差异。这是因为碎石表面粗糙, 卵石则表面光滑, 它们与水泥石间的界面粘结强度不同所致。粗集料的最大粒径对混凝土的用水量及水泥用量有一定的影响。粒径大, 其比表面积越小, 因此用于湿润石子表面

的水得以减少, 可降低水灰比而提高混凝土强度, 或在保持强度不变的情况下, 节省水泥。但当最大粒径超过40 mm以后, 由于减少加水量获得强度的提高, 却被较小的粘结面及大粒径石子造成混凝土的连续性的不利影响所抵消, 特别是水泥用量多的混凝土更为明显。

3. 水灰比是决定混凝土强度的关键

水在混凝土中的掺量是决定混凝土强度的主要因素。通常情况下, 满足水泥水化所需的水量不超过水泥重量的25%。普通混凝土常用的水灰比为0.4:0.65, 超过水化需要的水主要是为了满足工作性的需要。超量的水在混凝土内部留下了孔缝, 使混凝土强度、密度和各种耐久性都受到不利影响, 因此, 水灰比是决定混凝土强度的关键。在一般情况下, 集料的强度都高于混凝土强度, 甚至高出几倍。因此, 混凝土的强度主要取决于起胶结作用的水泥石的质量。而水泥石的质量又决定于水泥标号和水灰比, 所以说水泥石质量决定于水灰比, 可从水在水泥浆体中的存在形态加以分析。经研究证明, 水泥浆体中的水有四种形态: 化合水、凝胶水、毛细水、游离水。这4种存在于水泥浆体的水, 除了化合水外, 其余三种形态的水, 都将随着水泥浆体的凝结硬化而逐渐蒸

发掉, 给水泥石留下的是孔隙, 而任何固体的强度都与所含孔隙率大小有关, 孔隙率越大强度越低, 孔隙率越小强度越高。所以混凝土水灰比越大, 孔隙率越大, 强度越低, 水灰比越小,孔隙率越小, 强度越高。

此外，影响混凝土强度还有其它不可忽视的因素。4. 振捣密实对混凝土强度的影响

振捣是配制混凝土的一个重要的工艺过程。振捣的目的是施加某种外力, 抵消混凝土混合物的内聚力, 强制各种材料互相贴近渗透, 排除空气, 使之形成均匀密实的混凝土构件或构筑物, 以期达到最高的强度。

二、影响混凝土的耐久性的因素及改善措施

1 )混凝土的冻融破坏

当结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏.混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落,严重时可以露出石子.

混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关.孔越少越小,破坏作用越小,封闭气泡越多,抗冻性越好.

影响混凝土抗冻性的因素,除了孔结构和含气量外,还包括:混凝土的饱和度,水灰比,混凝土的龄期,集料的孔隙率及其间的含水率等.

2)混凝土的碱-集料反应

混凝土的碱-集料反应,是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应,引起混凝土的膨胀,开裂,甚至破坏.因反应的因素在混凝土内部,其危害作用往往是不能根冶的,是混凝土工程中的一大隐患.许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝,桥梁,海堤和学校,造成巨大损失,国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道,一些立交桥,铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏.

混凝土碱-集料反应需具备三个条件,即有相当数量的碱,相应的活性集料,水份.反应通常有三种类型:碱-硅酸反应,碱-碳酸盐反应,慢膨胀型碱-硅酸盐反应,避免碱-集料反应的方法可采用:一,尽量避免采用活性集料;二,限制混凝土的碱含量;三,掺用混合材.

3 )化学侵蚀

当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学,物理与物化变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏.常

见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀,一般酸性水腐蚀,碳酸腐蚀,硫酸盐腐蚀,镁盐腐蚀五类.淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使水泥石孔隙增加,密实度降低,从而进一步造成对水泥石的破坏;研究表明,当水泥石中的氧化钙溶出5%时,强度下降7%,当溶出24%时,强度下降29%,因此,淡水冲刷会对水工建筑有一定影响;而当水中溶有一些酸类时,水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速,这类侵蚀常发生在化工厂;碳酸对混凝土的影响主要为:在溶淅水泥石的同时,破坏混凝土内的碱环境,降低水泥水化产物的稳定性,影响水泥石的致密度,造成对混凝土的侵蚀;硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,生成物体积膨胀开裂造成损坏;海水中由于存在多种离子,侵蚀形式较为复杂,但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解,同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏,而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙,会使海水侵蚀有所缓和.

4)钢筋的锈蚀

钢筋的锈蚀,其一表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应,逐步生成氢氧化铁等即铁锈,其体积比原金属增大2-4倍,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为

腐蚀介质渗入钢筋的通道,加快结构的损坏.氢氧化铁在强碱溶液中会形成稳定的保护层,阻止钢筋的锈蚀,但碱环境被破坏或减弱,则会造成钢筋的锈蚀,如混凝土的碳化或中性化.造成混凝土碳化和中性化的原因,主要是混凝土的密实度即抗渗性不足,酸性气体(如CO2,SO2,H2S,HCL,NO2)渗入混凝土内与氢氧化钙作用;其二,氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用,当混凝土中氯含量超过标准时,钢筋会锈蚀,而水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件,因此,若混凝土开裂,造成水和氧的通道,则钢筋锈蚀加速,促成混凝土裂缝进一步开展,混凝土保护层剥落,最终使构件失去承载力;其三,钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂,这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏;

其四,钢筋的氢脆现象,即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂,钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气,当钢筋内部存在缺陷,氢以原子形式渗入钢筋内部并生成氢分子时,会产生很大压力,出现鼓泡现象,使钢筋脆化.

改善措施

1、原材料的选择:(1)水泥水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结,硬化形成的,水泥石一旦受

损,混凝土的耐久性就被破坏,因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小,水化热低,干缩性小,耐热性,抗水性,抗腐蚀性,抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。水泥强度并非是决定混凝土强度和性能的唯一标准,如用较低标号水泥同样可以配制高标号混凝土。因此,工程中选择水泥强度的同时,需考虑其工程性能,有时,其工程性能比强度更重要。(2)集料与掺合料集料的选择应考虑其碱活性,防止碱集料反应造成的危害,集料的耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度;大量研究表明了掺粉煤灰,矿渣,硅粉等混合材能有效改善混凝土的性能,改善混凝土内孔结构,填充内部空隙,提高密实度,高掺量混凝土还能抑制碱集料反应,因而掺混合材混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施。即近年来发展的高性能混凝土。

2、混凝土的设计应考虑耐久的要求:混凝土配比的设计配合比设计在满足混凝土强度,工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量,降低水化热,减少收缩裂缝,提高密实度,采用合理的减水剂和引气剂,改善混凝土内部结构,掺入足量的混合料,提高混凝土耐久性能。结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护

层厚度,预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度。

3、混凝土工程施工应考虑结构耐久性:混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法,裹砂法,裹砂石法等工艺,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土强度,减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝,收缩裂缝,施工裂缝,建立混凝土的浇筑振捣制度,提高混凝土密实度和抗渗性,重视混凝土振捣后的表面工序,并加强养护,以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝,施工裂缝至关重要,应加强施工质量管理,特殊季节施工的混凝土结构,尚应采取特殊措施。

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