浅谈混凝土的渗透性

1 耐久性的重要性

20世纪20年代初, 随着结构设计理论和施工技术水平的相对成熟, 钢筋混凝土结构开始被大规模采用, 应用的领域也越来越广阔, 但与此同时, 耐久性问题越来越严重, 并带来了巨大的经济损失。近几年来, 混凝土耐久性的研究在许多国家引起了普遍的重视。

通常认为引起混凝土结构耐久性退化最主要和最直接的因素是钢筋锈蚀, 而环境的气候条件则对混凝土内钢筋的锈蚀有着非常重要的影响。混凝土劣化过程 (物理、化学和生物的) 和钢筋或预应力钢筋发生劣化的主要原因有冻融循环、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀、收缩开裂和钢筋锈蚀等。对于任何一种劣化而言, 膨胀和开裂的原因都与水有关, 同时水也是侵蚀性介质 (如氯盐、硫酸盐等) 迁移进入混凝土内的载体。水既是破坏物质的传递介质, 又是破坏发生的必要条件和许多失效机理与模型建立的基础[1]。

由于混凝土表面直接暴露于环境, 混凝土渗透性决定了各种气体、液体和可溶性有害物质渗入结构体内的速度, 故混凝土渗透性与耐久性密切相关, 研究并预测混凝土渗透性对提高混凝土耐久性具有重要意义。

2 混凝土渗透性能和耐久性的关系

2.1 渗透性与冻融循环

干燥的混凝土不会遭受冰冻破坏。当混凝土含水率超过某一临界值 (约91.7%) 时, 如遇周围温度降低。部分孔隙中的水受冻结冰, 体积膨胀9%, 迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移, 因而产生静水压力。静水压力超过混凝土的细观强度时, 混凝土孔壁结构破坏, 内部开裂并逐步向外延伸。周围环境的周期性降低与升高, 使混凝土内部的水结成冰, 冰融成水, 反复循环。每次循环使混凝土内部结构的损伤不断积累微裂缝和内部孔隙继续扩展延伸并互相贯通, 使混凝土表层逐渐向深层发展。促使混凝土强度下降, 有效面积减小, 最终导致混凝土破坏。实际上这些机理都和混凝土的渗透性能紧密相关。

图1显示混凝土的吸水性能和抗冻融循环能力之间的关系。从图1[2]可见, 混凝土的吸水能力的对数和混凝土的抗冻融循环能力的对数呈反比, 即混凝土的吸水能力越低混凝土的抗冻融循环能力越高。也即混凝土的抗渗性能越好, 其抗冻融循环能力越好, 混凝土渗透性可以用来反映混凝土的抗冻融循环能力。

2.2 渗透性与混凝土碳化

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散, 溶解于混凝土孔隙内的水, 再和各水化物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。由于混凝土的多孔性, 大气中的CO2在浓度差的作用下通过混凝土由外向内扩散, 与混凝土中的碱性物质发生反应, 这个过程称为混凝土的碳化。碳化将使混凝土的内部组成及组织发生变化, 直接影响混凝土结构物的性质及耐久性。

混凝土表面吸水率、渗水速度是混凝土渗透性的直接体现。混凝土表面吸水率越大、渗水速度越快, 则CO2在混凝土中扩散的速度也就越快, 深度越深。所以, 混凝土的渗透性和碳化存在联系是可以预测的, 多位学者的试验也证明了这一点。图2[2]是1.5a龄期混凝土的碳化深度和4h混凝土吸水量的关系图。由图2可见, 1.5a龄期混凝土的碳化深度和4h混凝土吸水量成正比, 可以从短期的混凝土的吸水量来间接判定混凝土的抗碳化能力。也就是说可以从混凝土渗透性来评价混凝土的抗碳化性能。

2.3 渗透性与钢筋锈蚀

混凝土的高碱性使内部钢筋表面形成一层致密的钝化膜, 保护钢筋不受腐蚀。CO2通过表面渗入混凝土以后, 同混凝土中的Ca (OH) 2反应使之碳化, 从而使混凝土碱性大大降低。随着混凝土碱性的降低, 钢筋表面的钝化膜将变得不稳定, 直至破坏。这样失去保护的钢筋会在氧和水分渗入的情况下发生电化学腐蚀。氯离子的侵入是诱发钢筋锈蚀的又一个重要因素。当氯离子侵蚀至钢筋表面, 且含量超过临界值时, 造成局部钝化膜溶解, 在水和氧气的存在下, 诱发钢筋的电化学腐蚀。由于氯离子需要通过混凝土中的孔隙进入混凝土内部, 而且发生钢筋锈蚀反应所需要的氧也需要从混凝土中的孔隙进入混凝土中, 所以混凝土的渗透性和钢筋锈蚀必然存在密切的关系。混凝土的渗透性越强, 水分、氯离子和氧在混凝土中侵入的速度越快, 侵入深度越深, 必然加快钢筋的锈蚀[3]。

3 提高混凝土抗渗能力的措施

3.1 降低水灰比, 控制坍落度

混凝土拌和物的水灰比对硬化后混凝土孔隙率的大小、数量起决定作用, 直接影响混凝土的密实性。从理论上说, 在满足水泥完全水化及润湿砂石所需水量前提下, 水灰比越小, 混凝土密实性越好, 混凝土强度和抗渗性能越好。试验表明:水灰比从0.65变至0.55, 其扩散系数约降到1/3。水灰比从0.4增至0.7时, 渗透系数增加100倍以上;水灰比超过0.5时, 渗透系数增加比较显著, 说明控制水灰比对于提高水泥浆的抗渗性有重要的作用[4]。但水灰比过小, 会给施工带来困难, 也影响混凝土的密实性, 对混凝土的抗渗不利。说明控制水灰比对于提高混凝土的抗渗性有重要的作用。

3.2 合理选择外加剂

使用外加剂的目的首先是从防水材料上抑制和减少混凝土内孔隙的生成, 其次是改变孔隙的特征以堵塞和切断透水通道。

减水剂对水泥具有强烈的分散作用, 可减少拌和用水, 从而减小混凝土的孔隙率, 增加混凝土的密实性和抗渗性。同时, 掺加减水剂的混凝土具有良好的和易性, 混凝土施工质量容易保证。

掺合料 (火山灰、粉煤灰、矿渣) 能显著可提高混凝土的抗渗性, 这是由于浆体结构得到了改善, 水化产物填充孔隙, 毛细孔隙率降低, 孔径细化, 孔的连通性被阻断, 从而渗透性降低。

松香酸钠和松香热聚物属于引气型外加剂, 加入混凝土后会使混凝土中增加密闭的气泡, 可以起到切断毛细孔连续性的作用, 改善混凝土抗渗性和耐久性。但必须严格控制掺量, 否则将显著降低混凝土强度。

三乙醇胺可提高混凝土的抗渗性, 并且有早强和增强作用, 所以是一种早强防水剂, 特别适用于需早强的工程。它能使水泥水化速度加快, 水化生成物数量增多, 水泥石结晶夺细, 结构密实。

3.3 合理施工和改善养护条件

确保混凝土搅拌、入模均匀, 模板边、角、预埋件处振捣适中, 避免漏振或过振。使混凝土浇筑密实, 可提高混凝土抗渗性能。

养护对防水混凝土极为重要, 尤其是早期的养护, 是混凝土获得良好抗渗性能和强度的必要条件。新浇混凝土在潮湿环境中或水中硬化, 水化作用完全, 生成的晶态及胶态水化产物可阻塞毛细管孔道, 不但孔隙率降低, 且孔径变小。使混凝土抗渗能力提高, 特别在28d龄期以前增加更明显。如早期养护不良, 则易产生裂缝, 从而影响混凝土抗渗性。若混凝土长期处于干燥环境下, 其抗渗性也显著降低, 这主要是由于水泥颗粒间的胶体收缩破坏, 使水在其孔隙透过的缘故。

摘要：渗透性是混凝土耐久性研究中重要的内容。文章探讨了混凝土渗透性对混凝土耐久性的影响, 并给出一些提高混凝土抗渗性的有效技术措施。

关键词：混凝土,耐久性,渗透性,抗渗措施

参考文献

[1] Mehta P K.Durability-Critical Issues for the Future[J].Concrete Inter-national, 1997, 19:1-12.

[2] 练波.从混凝土的渗透性预测混凝土的耐久性[J].广东建材, 2002, (1) :43-44.

[3] 李淑进, 吴科如, 赵铁军.混凝土渗透性与碳化作用下钢筋锈蚀量的关系[J].建筑材料学报, 2004, 7 (1) ;89-9.

[4] T.C.Powers.Permeabilty of Portland cement paste[J].ACI Journal ro-ceedings, 1954, 3 (51) :282～2981.