孔结构特征对混凝土抗渗性的影响及改善措施

51 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 业 技 术 2007 NO.33 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 自波特兰水泥问世以来,混凝土已成为工 程建设中最为常用的之一。但是,由于 混凝土结构材料自身和和使用环境的特点,混 凝土结构中存在着严重的耐久性问。近年 来,许多文献报道了世界各地由于混凝土结构 耐久性不足而引起的巨大经济损失。大量研 究表明,混凝土的渗透性与其耐久性之间有着 密切的联系,因此,通常认为渗透性是混 凝土耐久性的最重要指标。一般来说,抗渗 性好的混凝土,耐久性也就越好。 混凝土固有的多孔性导致了其抗渗性较 差,混凝土的渗透性取决于水泥石的孔结构和 集料的性能。水泥石和集料都含有各种大小 的孔隙和裂缝,但并不是这些都是渗透性的通 道,孔隙率不是影响渗透性最主要原因;在很 大程度上混凝土渗透性取决于水泥石的孔结 构。即孔的结构比孔隙率对混凝土宏观行为 的影响更为重要。 1 孔结构分析 水泥石和混凝土(含有相同水灰比的浆体) 的渗透性是有差异的,造成这种差异的原因有 两方面:一是由于骨料本身的渗透性不同造成 的,另一方面是由于浆体与骨料界面处的孔结 构和微裂缝造成的。但是由于骨料颗粒被水 泥浆包裹,所以在充分密实的混凝土中,水泥 浆的渗透性对混凝土的渗透性影响最大,而拌 和物中骨料含量的影响一般较低。所以要研 究混凝土的渗透性,需首先对水泥石的微观结 构有清楚的认识。 1.1 水泥石的孔结构 水泥石与水的作用是从水泥颗粒表面熟 料矿物的溶解开始的,然后进入凝聚结构和结 晶结构的形成阶段,其水化产物以凝胶体、亚 微观晶体、大晶体的形式存在,他们与未水化 的水泥颗粒、水、粗细集料和成型时裹进入的 大量气泡,形成了固、液、气相的多相多孔体, 即水泥石。水泥石的孔隙主要由凝胶孔、毛细 孔和非毛细孔三部分组成。 (1)凝胶孔 凝胶体时水化水泥颗粒间的过渡空间的 孔径根据不同的形成条件而波动在很大的范 围内。在水泥硬化初始生成的水泥凝胶,多为 封闭型的,但随着水泥水化的发展,由于后期 水分的蒸发,其凝胶孔隙率将逐步增加,虽然 这样,水泥凝胶的渗透系数还是很小的,属于 无害孔。 (2)毛细孔 水泥硬化到一定阶段,水泥石内部出现毛 细孔,它对水泥石渗透性的影响最大。毛细孔 的形成主要与水灰比的大小有关,初始水灰比 越大,水泥水化程度越低,水泥石的毛细孔就 越大。随着水泥水化的发展,水泥石毛细孔孔 隙是不断变化的,一般认为随着水泥水化的深 入发展,水泥石毛细孔的孔隙率下降。 (3)非毛细孔 非毛细孔主要是指水泥石内部缺陷和微 裂缝,可能是由于水泥石的收缩、温度变化、 成型条件等因素引起。 1.2 混凝土的孔结构 混凝土固有固有的多孔性决定了混凝土 具有一定的渗透性。混凝土的孔结构很大程 度上取决于水泥石的孔结构,但是由于混凝土 的结构比水泥石结构复杂得多,水泥石和骨料 都含有各种大小不同的孔隙和裂缝,这些孔隙 错综复杂,孔形各异,孔径尺寸跨越微观尺度 与宏观尺度,对混凝土宏观性能有着巨大的影 响。 混凝土的孔结构随着水化程度的提高和 龄期的延长不断变化,因为有凝胶孔德水泥凝 胶体积比未水化的水泥体积增大1.2倍,因而 水化产物充填了由拌和水占有的那部分体积。 毛细孔体积减小,凝胶孔体积增加,同时小于 50nm的毛细孔隙率增多,大于50nm的毛细孔 息率减少。对于水会比约在0.6以下的水泥浆 体,当水化程度很高时,浆体中的毛细孔可能 被凝胶堵塞而分段隔开,成为只与凝胶孔相连 的封闭毛细孔。水泥石和混凝土的总孔隙率 和开口孔隙率都在下降,总孔隙率与开口孔隙 率之差增大,水泥石和混凝土中孔隙的平均孔 径下降。 3 孔结构的改善措施 明确了混凝土孔结构对其渗透性的影响, 可以通过宏观手段调节孔结构,以期在一定程 度上改善混凝土的性能。 3.1 改善措施 (1)新颁发实施的《混凝土结构设计规 范》(GB 50010-2002)已有耐久性条文,设 计图纸不只提出结构使用年限,还要判断说明 结构各部为使用期间所处环境类别,对处于而 类环境下的地下工程防水部位要说明防水与 抗渗等级要求,说明最大水灰比、最小水泥用 量及混凝土中氯离子、碱含量的限制。 (2)提高混凝土强度等级 混凝土强度的提高,混凝土密实度也相应 加大,孔隙率减小,减少了环境中水、氧、氯离 子、二氧化碳等有害介质的侵入,对结构防水 抗渗、减小碳化速度、避免钢筋锈蚀等均为有 利,对有抗渗要求的潮湿环境,结构混凝土的 强度等级相应提高,一般不宜低于C30。 (3)使用减水剂及矿物掺合料 当未使用减水剂及矿物掺合料时,水泥浆 体中的水泥颗粒的间隙较大,其中包裹了较多 的自由水;加入减水剂的水泥浆体由于排出了 多余的自由水分,水泥粒子间隙较低;同时使 用减水剂和矿物掺合料的水泥浆体,由于矿物 超细粉填充于水泥颗粒之间,硬化后水泥石的 密实度、强度和耐久性均得到了提高。 (4)使用引气剂及矿物掺合料 混凝土渗水的过程首先是混凝土中的毛 细孔的毛细现象,毛细孔吸水保和后,才使压 力水的通过。如果配制混凝土时掺入一定的 引气剂,在混凝土中引入若干直径大于毛细孔 直径的细小球形孔,切断毛细孔的渗水通路, 可在一定程度上提高混凝土的抗渗性,这就是 说,除了孔的级配外,孔的几何特征也影响混 凝土的耐久性。当然,掺用引气剂对混凝土的 强度产生一定的影响。 3.2 施工改善措施 (1)编制控制耐久性技术措施; 目前施工单位的管理、技术、操作人员 在施工中比较注意混凝土拌合物对满足泵送 的工作性能要求。而对结构耐久性质量缺乏 了解,重视不足。为提高结构耐久性质量,要 加强施工管理,提高认识,落实责任,制定专项 技术措施,通过检查验收,层层把关。 (2)采用机械搅拌和机械振捣,保证混凝土 的密实度 混凝土的搅拌过程是搅拌机械与拌合料 相互作用的动态过程,在搅拌过程中,拌合料 的状态、结构、性能都发生着变化。 (3)合理确定混凝土配合比,严格控制水灰 比 水灰比对硬化的混凝土孔隙数量、孔隙 率大小起决定作用,直接影响了混凝土的密实 性。 (4)加强混凝土养护 混凝土的养护条件包括温度、湿度、压力 及龄期等。养护条件的变化直接影响混凝土 的水化凝结硬化过程,影响其矿物组成、孔隙 率、孔隙结构及分布,从而影响混凝土的密实 性、渗透性及耐久性。 湿养护对防水混凝土极为重要,是混凝土 获得强度和抗渗性的必要条件,混凝土在潮湿 环境中硬化,可减少混凝土中水分蒸发,降低 孔隙率,减少收缩,提高密实性和抗渗性。 混凝土的渗透性随着其养护龄期的延长 而降低。混凝土中水泥的水化是长期的,但水 化至一定龄期后则进行缓慢。随着水泥水化 程度的提高,水泥石中毛细孔逐渐被新生成的 水化物占据,毛细孔的连通性减弱,使得水泥 浆体的渗透系数降低。 参考文献 [1] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].科 学出版社,2002,9. [2] 赵铁军.混凝土渗透性[M].科学出版社, 2006,1. [3] 中国工程院土木水利与建筑学部结构安全 性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构 耐久性设计与施工指南.北京:中国建筑工 业出版社,2004. 孔结构特征对混凝土抗渗性的影响及改善措施 刘志兵 (河北石家庄市市政总公司 河北石家庄 050021) 摘 要:本文对影响混凝土渗透性的重要因素孔结构的特征进行了总结,孔结构特征而不是孔隙率影响混凝土的渗透性,采用合理设计、 施工工艺及养护等措施可以将混凝土耐久性满足目前工程的耐久性要求。 关键词:孔结构 抗渗性 混凝土 水泥 中图分类号:TU1 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2007)11(c)-0051-01