一、混凝土的耐久性

混凝土作為量大面廣的結構材料，除應滿足施工要求的和易性和設計強度等級外，還應滿足在不同使用條件下，具有各種長期正常使用的性能。如承受壓力水作用時，具有一定的抗?jié)B性能；遭受反復凍融作用時，具有一定的抗凍性能；遭受環(huán)境水侵蝕作用時，具有與之相適應的抗侵蝕性能等，這些性能決定著混凝土經久耐用的程度。因此，把混凝土抵抗環(huán)境介質作用并長期保持其良好的使用性能的能力稱為混凝土的耐久性。

在混凝土結構設計中，往往只重視強度對混凝土結構的影響，忽視環(huán)境對結構的作用，以致于混凝土結構在未達到預定的設計使用年限，即出現鋼筋銹脹，混凝土剝落劣化等破壞現象，需要大量投資進行修復加固甚至拆除重建，造成資金能源浪費。提高混凝土耐久性，對于延長結構壽命，減少修復工作量，提高經濟效益具有重要的意義。

近年來，混凝土結構的耐久性設計受到普遍關注。我國混凝土結構設計規(guī)范將混凝土結構耐久性設計作為一項重要內容。

混凝土耐久性是一項綜合性能，它主要包括有抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗碳化、堿－集料反應抑制性等。

1．抗?jié)B性

抗?jié)B性是指混凝土抵抗水、油等液體在壓力作用下滲透的性能。例如地下結構物、擋水結構、水塔、油罐、壓力水管及水壩等，都承受一定壓力水作用，必須保證抗?jié)B能力?？?jié)B性是混凝土的一項重要性質，它直接影響混凝土的抗凍性和抗侵蝕性。

我國一般采用抗?jié)B等級表示混凝土抗?jié)B性，也有采用滲透系數來表示的。抗?jié)B等級是按標準試驗方法進行試驗，用每組6個試件中4個試件未出現滲水時的最大水壓力來表示。劃分為P₄、P₆、P₈、P₁₀、P₁₂五個等級。相應表示混凝土能抵抗0．4、0．6、0．8、1．0及1．2MPa的水壓力而不滲透。

混凝土滲水的主要原因是混凝土屬多孔結構材料。由于內部孔隙形成連通的滲水通道，這些通道除產生于施工振搗不密實之外，主要來源于水泥漿中多余水分的蒸發(fā)而留下的氣孔，水泥漿泌水所形成的毛細管孔道以及粗集料下部聚積的水膜。

影響混凝土滲水的因素有：

（1）水灰比　混凝土水灰比的大小，對其抗?jié)B性起決定性作用。這是因為水灰比越大，形成的滲水通道可能愈多。試驗證明，抗?jié)B性隨水灰比的增加而下降，當水灰比大于0．6時，抗?jié)B性急劇下降。

（2）集料的最大粒徑　相同水灰比下，集料最大粒徑越大，集料和水泥漿界面處愈易產生裂隙，集料下方愈易形成孔隙，滲水通道就愈多，抗?jié)B性就愈差。

（3）水泥品種　水泥品種不同，細度不同，硬化后水泥石孔隙不同，細度越大，孔隙越小，強度越高，則抗?jié)B性越好。

（4）養(yǎng)護條件　在干燥或濕度小的情況下，混凝土早期失水多，易形成收縮裂縫，降低混凝土抗?jié)B性。蒸汽養(yǎng)護的混凝土較潮濕養(yǎng)護混凝土抗?jié)B性差。

（5）外加劑　在混凝土中摻入某些外加劑，如減水劑，可減少水灰比，改善和易性，提高密實性；摻入引氣劑，可截斷孔隙通道，提高抗?jié)B性。

（6）摻合料　在混凝土中加入摻合料，如摻入優(yōu)質粉煤灰等，可提高密實度，因而提高了混凝土抗?jié)B性。

提高混凝土抗?jié)B性的關鍵措施是設法改變混凝土孔隙特征，截斷滲水通道或增大密實度。

2．抗凍性

抗凍性是指混凝土在水飽和狀態(tài)下，能經受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性能。在寒冷地區(qū)，特別是在接觸水又受凍的環(huán)境下的混凝土，應具有較高抗凍性。

混凝土抗凍性一般以抗凍等級表示?？箖龅燃壥遣捎谬g期28d的試塊在吸水飽和后，承受反復凍融循環(huán)，以抗壓強度下降不超過25％，而且質量損失不超過5％時所能承受的最大凍融循環(huán)次數來確定的。GBJ　50164—1992將混凝土劃分為以下抗凍等級：F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等九個等級，分別表示混凝土能夠承受反復凍融循環(huán)次數為10、15、25、50、100、150、200、250和300次。

對抗凍性高的混凝土，還可采用快凍試驗法?？靸龇ㄊ且栽嚰欢ù螖悼焖賰鋈谘h(huán)后，混凝土的動彈性模量不小于60％，且質量損失不大于5％時的最大循環(huán)次數來表示的。

混凝土受凍融作用破壞的原因，是混凝土內部孔隙的水在負溫下結冰后體積膨脹造成的靜水壓力，因凍水蒸汽壓的差別推動未凍水向凍結區(qū)的遷移造成的滲透壓力，當這兩種壓力所產生的內應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土就會產生裂縫，多次凍融使裂縫不斷擴展直至破壞。

影響混凝土抗凍性的因素有：

（1）混凝土密實度　密實度愈大，抵抗凍融破壞的能力越強，抗凍性愈高。

（2）混凝土孔隙構造及數量　開口孔隙愈多，水分愈易滲入，靜水壓力越大，抗凍性越差。

（3）混凝土孔隙充水程度　飽水程度愈高，凍結后產生的凍脹作用就大，抗凍性越差。

（4）水灰比　水灰比與孔隙率成正比，且開口孔隙率大，對抗凍不利。

（5）外加劑　在混凝土中摻入引氣劑，可使混凝土中孔隙成為細小、封閉、均勻的氣泡，使水分難以滲入，同時氣泡有一定的適應變形能力，對冰凍破壞起一定的緩沖作用。

（6）養(yǎng)護時間　混凝土因水泥的不斷水化強度會隨齡期不斷增加，一方面可使凍結水量減少，另一方面，水中溶解鹽濃度隨水化深入而增加，冰點隨之而降低，抗凍融破壞能力也增強。所以延長凍結前的養(yǎng)護時間對提高混凝土抗凍性是有利的。

總之，提高混凝土抗凍性的最有效途徑是摻用引氣劑，但引氣量以4％～6％為宜，過多會導致混凝土強度下降。還可摻用減水劑、防凍劑等。

3．抗侵蝕性

抗侵蝕性是指混凝土在含有侵蝕性介質環(huán)境中遭受到化學侵蝕、物理作用時不破壞的能力。

混凝土的抗侵蝕性主要取決于水泥的抗侵蝕性，其侵蝕機理在特殊情況下混凝土的抗侵蝕性也與所用集料性質有關，如環(huán)境中含有酸性介質時，應采用耐酸性高的集料（石英巖、花崗巖、安山巖等）；含有強堿性的介質時，應采用堿性較高的集料（石灰?guī)r、白云巖等）。

在海岸、海洋工程中海水對混凝土的侵蝕既有化學作用，又有反復干濕的物理作用，如鹽分在混凝土內的結晶與聚集、海浪的沖擊磨損、海水中氯離子對鋼筋的銹蝕等，可見作用是復雜的。

混凝土抗侵蝕性與所用水泥品種、混凝土密實度和孔隙特征有關。提高混凝土抗侵蝕性的措施，主要是合理選擇水泥品種、降低水灰比、改善孔結構等。

4．抗碳化性

抗碳化性是指混凝土能夠抵抗空氣中的二氧化碳與水泥石中氫氧化鈣作用，生成碳酸鈣和水的能力。碳化又叫中性化。

碳化對混凝土性能有明顯的影響，主要表現在對混凝土的堿度、混凝土的收縮方面會產生不利影響。

未碳化的混凝土內含有大量氫氧化鈣，毛細孔內氫氧化鈣水溶液的pH值可達到12．6～13，這種強堿性環(huán)境能使混凝土中的鋼筋表面生成一層鈍化薄膜，從而保護鋼筋免于銹蝕。碳化使混凝土內堿度降低，鋼筋表面鈍化膜破壞，導致鋼筋銹蝕。碳化是由表及里向混凝土內部逐漸擴散的過程，氣體在混凝土中擴散規(guī)律決定了碳化速度，為使鋼筋不易銹蝕，常設一定厚度的保護層，當碳化深度超過鋼筋的保護層時，鋼筋不但易發(fā)生銹蝕還會因此引起體積膨脹，使混凝土保護層開裂或剝落，進而又加速混凝土進一步碳化和鋼筋的繼續(xù)銹蝕，使結構承載力下降。

碳化將顯著增加混凝土的收縮。碳化層產生的碳化收縮，使表面產生拉應力，如果拉應力超過混凝土抗拉強度，則會產生微細裂縫，觀察碳化混凝土的切面，細裂紋的深度與碳化層的深度是一致的。

影響混凝土抗碳化性的因素有：

（1）環(huán)境條件　環(huán)境條件包括二氧化碳的濃度和相對濕度。一般來說，二氧化碳濃度高，碳化速度快。但碳化反應只有在適量水的存在下才能進行，所以相對濕度對碳化速度影響更顯著。相對濕度在25％以下時碳化停止進行，100％時，因為透氣性減小，碳化也停止。相對濕度在50％時碳化最快。

（2）水泥品種　摻混合材的水泥由于堿度較硅酸鹽水泥低，因而抗碳化能力低于不摻或只摻少量混合材料的硅酸鹽水泥。

（3）水灰比　水灰比小，水泥石密實，混凝土抗碳化能力高。

（4）外加劑　摻用減水劑和引氣劑，可提高混凝土抗碳化能力。

（5）其他　如施工質量、養(yǎng)護、集料質量及混凝土表面是否有涂層等都對混凝土抗碳化性能有一定影響。

5．堿－集料反應

堿－集料反應是指混凝土中所含的堿（Na₂O或K₂O）與集料的活性成分，在混凝土硬化后潮濕條件下逐漸發(fā)生化學反應，反應生成物吸水膨脹，導致混凝土開裂的現象。堿－集料反應（AAR）是影響混凝土耐久性的一個重要方面。一旦發(fā)生，則維修困難，費用昂貴，損失巨大，已引起世界各國的高度重視。

（1）堿－集料反應的分類和特征

不同類型的活性集料，其反應破壞特征也不相同，目前已發(fā)現的AAR有三種類型。

1）堿－硅酸反應　堿硅酸反應（ASR）是水泥中的堿與集料中的活性氧化硅（如蛋白石、玉髓、鱗石英、方石英及流紋巖、安山巖、凝灰?guī)r等巖種中可見到的無定形的SiO₂或微晶SiO₂）反應生成堿硅酸凝膠的反應。

堿－硅酸反應的特征是：混凝土表面有無序的網狀裂縫；集料邊界有反應環(huán)；裂縫及空隙中有硅酸鈉（鉀）凝膠，失水后粉化。

由于能與堿發(fā)生反應的活性氧化硅礦物存在較為廣泛，因而世界各國各類工程發(fā)生的堿－集料反應損壞絕大多數為堿－硅酸反應。

2）堿－硅酸鹽反應　堿－硅酸鹽反應是水泥中的堿與某些硅酸鹽巖石（如頁巖、千枚巖、泥質石英巖）等發(fā)生的反應。其反應過程同ASR一致。實質上仍屬于堿－硅酸反應。

反應特征是：膨脹緩慢且不停頓進行，往往經過30～50年之后才出現膨脹及開裂；幾乎看不出反應環(huán)；凝膠體滲出很少，有些巖石產生顯著膨脹卻幾乎無凝膠體。

堿－硅酸鹽反應雖然也是堿－硅酸反應的一種形式，但由于反應緩慢，用傳統(tǒng)的堿－硅酸活性檢驗方法不能檢測，因此有關檢測、預防、抑制方法，還有待于今后研究。鑒于它對工程的嚴重危害性，仍應列為一種堿－集料反應類型。

3）堿－碳酸鹽反應　水泥中的堿與某些碳酸鹽巖石（如黏土質的白云巖和白云石質的石灰?guī)r等）反應，產生膨脹破壞被稱為堿－碳酸鹽反應。

反應特征是：在混凝土的空隙和反應集料的邊界等處無凝膠存在，而有碳酸鈣、氫氧化鈣及水化硫鋁酸鈣存在；反應發(fā)展迅速，往往在工程建成2年就發(fā)生嚴重開裂；其微細裂縫及大膨脹性裂縫等外部特征與ASR大體一致，呈花紋形式的圖形；活性混合材料對抑制膨脹無效。

（2）堿－集料反應機理

目前對AAR的膨脹機理解釋：一是膠體吸水膨脹理論，二是滲透壓理論。但是由于反應的類型不同，機理也各不相同。

1）堿－硅酸反應機理　混凝土中堿溶液對活性硅酸物質的侵蝕、溶解；溶解狀態(tài)的SiO₂單體或離子，在OH－的催化下，重新聚合成一定大小的SiO₂溶膠粒子。在各種電解質金屬陽離子的作用下，形成各種結構的堿硅酸凝膠。堿硅酸凝膠吸水膨脹，導致混凝土損壞?？捎孟率龇磻奖磉_：

ROH＋nSiO₂→R₂O·nSiO₂·aq

式中R代表堿（K或Na）。

2）堿－硅酸鹽反應機理　該類反應的過程同ASR，但反應特征明顯不同，對這種慢膨脹型堿－硅酸鹽反應基于以下認識：某些層狀硅酸鹽的晶格膨脹和堿液進入層間，使層間距離加大，導致混凝土膨脹開裂；這類巖石中往往次生有黃鐵礦，在堿介質中蝕變時又與水泥石中Ca^2－、A1^3＋、OH－、H2O反應，形成鈣礬石相的膨脹；由于片巖族中活性礦物的相對穩(wěn)定性和晶格缺陷的不穩(wěn)定性，導致它們的堿反應能力具長期性，顯示膨脹反應的緩慢積累，待積累到對工程有害膨脹量，反應仍繼續(xù)進行。

3）堿－碳酸鹽反應機理　20世紀60年代初期各國學者比較一致地認為它是活性碳酸鹽巖石作為集料與混凝土孔隙中堿液發(fā)生了去白云石化反應，生成了水鎂石，并伴隨膨脹造成的。其反應式為

在水泥混凝土中，Ca（OH）₂與碳酸鹽反應生成ROH，使去白云石化反應繼續(xù)進行，如下式所示：

R₂CO₃＋Ca（OH）₂→2ROH＋CaCO₃

直到去白云石化反應進行到Ca（OH）₂或堿活性白云石被消耗完為止。

經試驗觀察，膨脹實質是反應產物中的水鎂石與方解石晶體體積之和大于反應前固相體積所致。

（3）堿－集料反應的必要條件

堿－集料反應必備的三個條件是：

1）混凝土中必須有相當數量的堿：堿的來源可以是配制混凝土時形成的，即水泥、外加劑、摻合料、集料及拌合水中所含的可溶性堿，也可以是混凝土工程建成后從周圍環(huán)境侵入的堿。因此混凝土存在一個極限堿含量。1993年12月我國制訂了《混凝土堿含量限值標準》（CECS53：93），對混凝土堿含量限值，按工程環(huán)境和工程結構分類如表3－9進行控制。

當堿含量大于表中規(guī)定的限值，應盡量降低水泥中的堿含量。水泥含堿量一般按Na₂O當量計算Na₂O＋0．658K₂O。不同國家對水泥含堿量的安全界限不同：美國要求水泥含堿量低于0．6％；英國混凝土協(xié)會規(guī)定，當混凝土中其他來源的堿小于或等于0．22kg／m³時，水泥含堿量不得大于0．6％。

表3－9　混凝土堿含量限值（CECS53：93）

2）混凝土中必須有相當數量的堿活性集料：在堿－硅酸反應中，由于存在著堿－硅酸反應匹配規(guī)律，即混凝土在一定含堿量條件下，每種堿活性集料造成混凝土內部膨脹壓力最大的匹配比率不同，因此，必須通過試驗加以認識。

3）混凝土工程的使用環(huán)境必須有足夠的濕度：有資料介紹，在相對濕度100％條件下有很大膨脹的混凝土柱，在相對濕度50％條件下卻未膨脹，重新置于相對濕度100％條件下又繼續(xù)發(fā)生膨脹，這足以說明了堿－集料反應的過程是伴隨著環(huán)境濕度變化而發(fā)展的。

（4）預防并抑制堿－集料反應

迄今國際混凝土工程界對預防堿－集料反應有下面幾項措施：

1）控制水泥含堿量低于0．6％。

2）控制混凝土總堿量　20世紀40～50年代，我國混凝土工程強度級別較低，單方水泥用量較少，在此情況下，只控制水泥含堿量就可以起到預防的作用。但隨著混凝土技術的發(fā)展，混凝土強度等級不斷提高，單方水泥用量增大，加之60～70年代后，使用含堿外加劑增多，配制混凝土時堿的來源已不僅限于水泥，因而預防堿－集料反應必須重視控制混凝土的總堿量。

3）控制使用堿活性集料　我國水利部門從20世紀50年代起就規(guī)定，凡建設大中型水利工程，在選采集料時，必須進行堿活性檢驗。我國《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》（JGJ53—1992）對集料堿活性試驗已有規(guī)定。因此，凡處于潮濕條件下、露天或干濕交替的混凝土工程，均應嚴格選用對工程無害的集料，以避免發(fā)生堿－集料反應。

在預防的基礎上，經過大量試驗證明，可以采用下列方法加以抑制：

1）摻用摻合料抑制堿－集料反應　在含有硅酸質堿活性集料的混凝土中摻用摻合料可對堿－集料反應起到有效的抑制作用。這是因為摻合料的介入能降低混凝土內堿離子的濃度；降低混凝土中氫氧化鈣含量；降低OH－離子的濃度；降低水及各種離子移動速度。常用的這類摻合料有粉煤灰、水淬礦渣和硅粉。

2）摻用引氣劑　摻用引氣劑使混凝土保持4％～5％的含氣量，可容納一定數量的反應產物，從而緩解堿－集料反應膨脹壓力。

3）盡量隔絕水。