混凝土的耐久性:建筑材料（第7版）

3.2.5.1　混凝土耐久性的概念

混凝土除要求具有设计的强度外，还应具有抗渗性、抗冻性、抗冲磨性、抗侵蚀性及抗风化性等，统称为混凝土耐久性。

（1）混凝土抗渗性。

混凝土的抗渗性是指其抵抗压力水渗透作用的能力。抗渗性是混凝土的一项重要性质，除关系到混凝土的挡水及防水作用外，还直接影响混凝土的抗冻性及抗侵蚀性等。抗渗性较差的混凝土，水分容易渗入内部，若遇冰冻或水中含有侵蚀性溶质时，混凝土就容易受到冰冻或侵蚀作用而破坏。

混凝土抗渗性可用渗透系数或抗渗等级表示。我国目前沿用的表示方法是抗渗等级。混凝土抗渗等级，是以28d龄期的标准试件在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定的。混凝土抗渗等级分为W2、W4、W6、W8、W10、W12等，即表示混凝土在标准试验条件下能抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的压力水而不渗水。

混凝土抗渗等级应根据结构物所承受的水压情况，按有关规范进行选择（参考附录2、附录3）。

混凝土的抗渗性还可以用渗透系数表示，试验方法见《水工混凝土试验规程》（DL/T 5151—2001）。混凝土渗透系数越小，抗渗性越强。渗透系数与抗渗等级之间有如表3.3所列的近似关系。

表3.3　混凝土抗渗等级与渗透系数的关系

混凝土透水的原因是内部存在渗水通道。这些通道除产生于施工振捣不密实及裂缝外，主要来源于水泥浆中多余水分蒸发而留下的毛细孔、水泥浆泌水所形成的孔道及骨料下部界面聚积的空隙。渗水通道的多少，主要与水泥品种及水灰比的大小有关。当水泥品种一定时，水灰比是影响抗渗性的主要因素。水灰比小时抗渗性高，反之则抗渗性低。图3.11为不同水灰比水泥净浆的渗透系数示例，由图可见，水灰比大于0.6时，渗透系数剧增，抗渗性显著下降。表3.4列出了水灰比与混凝土抗渗等级的大致关系，可供参考。

当掺用引气剂等外加剂时，由于改变了混凝土中的孔隙构造，截断了渗水通道，故可显著提高混凝土的抗渗性（详见3.4节）。当采用普通水泥、火山灰水泥或掺入粉煤灰等掺合料时，混凝土抗渗性好；当采用矿渣水泥时，抗渗性较差。此外，骨料级配、施工质量及养护条件等，也对混凝土抗渗性有一定影响。

图3.11　不同水灰比水泥净浆的渗透系数

表3.4　水灰比与混凝土抗渗等级的大致关系

注 未掺外加剂及掺合料。

混凝土抗渗性随养护龄期的延长而增长。设计中确定抗渗等级时，可以根据结构物开始承受水压的时间考虑后龄期抗渗性的增长。

（2）混凝土的抗冻性。

混凝土的抗冻性，是指混凝土在水饱和状态下能经受多次冻融作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。混凝土抗冻性常以抗冻等级表示。抗冻等级采用快速冻融法确定，取28d龄期100mm×100mm×400mm的混凝土试件，在水饱和状态下经N 次标准条件下的快速冻融后，若其相对动弹性模量P下降至60%或质量损失达5%，则该混凝土抗冻等级即为FN （参见试件部分）。混凝土抗冻等级分为F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350等。混凝土相对动弹性模量计算公式为

式中：fN、f0 为受冻融N 次和未受冻融混凝土的自振频率，Hz。

混凝土的抗冻等级应根据工程所处环境，按有关规范选择 （参考附录2、附录3）。严寒气候条件、冬季冻融交替次数多、处于水位变化区的外部混凝土，以及钢筋混凝土结构或薄壁结构、受动荷载的结构，均应选用较高抗冻等级的混凝土；与海水或侵蚀性溶液接触的上述各种结构，应选用更高抗冻等级的混凝土。

抗冻性好的混凝土，抵抗温度变化、干湿变化等风化作用的能力也较强。因此，在温和气候条件的地区，对于水位变化区及其以上的外部混凝土，也应提出一定的抗冻等级（F50），以保证建筑物的抗风化耐久性。房屋建筑中室内不受风雪影响的混凝土，可以不考虑抗冻性。

混凝土抗冻性的高低，与水泥品种及强度等级、混凝土水灰比、外加剂及掺合料的品种和掺量，以及骨料的品质等有密切关系。混凝土中掺入引气剂时，可显著提高其抗冻性（详见3.4节）。在原材料一定的条件下，水灰比的大小是影响抗冻性的主要因素。为了保证混凝土的抗冻性，GB/T 50662—2011和 《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006）建议，在没有试验资料时，混凝土水灰比按表3.5的规定执行。

表3.5　小型工程抗冻混凝土水灰比要求

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（3）混凝土的抗磨性及抗气蚀性。

受磨损、磨耗作用的表层混凝土（如受挟沙高速水流冲刷的混凝土及道路路面混凝土等）要求有较高的抗磨性。混凝土的抗磨性不仅与混凝土强度有关，而且与原材料的特性及配合比有关。选用坚硬耐磨的骨料、高强度等级的硅酸盐水泥，配制成水泥浆含量较少的高强度混凝土，经振捣密实，并使表面平整光滑，混凝土将获得较高的抗磨性。对于有抗磨要求的混凝土，其强度等级应不低于C35，或者采用真空作业，以提高其耐磨性。对于结构物可能受磨损特别严重的部位，应采用抗磨性较强的材料加以防护。

高速水流经过凸凹不平、断面突变或水道急骤转弯的混凝土表面时，会使混凝土发生气蚀破坏。气蚀现象的发生与水流条件及建筑物外形等因素有关。气蚀作用在材料表面产生高频、局部、冲击性的应力而剥蚀混凝土。解决气蚀问题的最好办法是在设计、施工及运行中消除发生气蚀的原因。提高建筑物过水表面材料的抗气蚀性能也是一个重要方面。对混凝土材料来说，提高抗气蚀性能的主要途径是采用C50以上的混凝土，骨料最大粒径应不大于20mm，在混凝土中掺入适量的Ⅰ级粉煤灰 （有的工程掺适量的硅粉）及高效减水剂，严格控制施工质量，保证混凝土密实、均匀及表面平整等。

（4）混凝土的抗侵蚀性。

混凝土的抗侵蚀性主要决定于水泥的抗侵蚀性，可参看第2章。

（5）混凝土的碱骨料反应。

当骨料中含有活性氧化硅 （如蛋白石、某些燧石、凝灰岩、安山岩等）的岩石颗粒（砂或石子）时，会与水泥中的碱 （K2O及Na2O）发生化学反应 （即碱—硅酸反应），使混凝土发生不均匀膨胀，造成裂缝、强度和弹性模量下降等不良现象，从而威胁工程安全。此外，水泥中的碱还能与某些层状硅酸盐骨料反应 （即碱—硅酸盐反应），与某些碳酸盐骨料（如某些白云石和白云质石灰岩等）发生反应 （即碱—碳酸盐反应）。上述这些碱与混凝土骨料发生的反应统称为碱骨料反应。受碱骨料反应危害的工程，包括一些公路、桥梁和混凝土闸坝等。

发生碱骨料反应的必要条件是：①骨料中含有活性成分，并超过一定数量；②混凝土中含碱量较高（如水泥含碱当量超过0.6%或混凝土中含碱量超过3.0kg/m3）；③有水分，如果混凝土内没有水分或水分不足，反应就会停止或减小。

目前鉴定骨料是否会发生碱—硅酸反应或碱—硅酸盐反应的常用方法是混凝土棱柱体长度法；鉴定骨料是否会发生碱—碳酸盐反应的方法是小岩石柱长度法。此外，还有快速鉴定方法等。

防止碱骨料反应的措施有：①条件允许时，选择非活性骨料；②选用低碱水泥，并控制混凝土中总的含碱量；③在混凝土中掺入适量的活性掺合料，如粉煤灰等，可抑制碱骨料反应的发生或减小其膨胀率；④在混凝土中掺入引气剂，使其中含有大量均匀分布的微小气泡，可减小其膨胀破坏作用；⑤在条件允许时，采取防止外界水分渗入混凝土内部的措施，如混凝土表面防护等。

（6）混凝土的碳化。

空气中的CO2通过混凝土中的毛细孔隙，由表及里地向内部扩散，在有水分存在的条件下，与水泥石中的Ca（OH）2反应生成CaCO3，使混凝土中Ca（OH）2浓度下降，称为碳化 （或中性化）。碳化还会引起混凝土收缩，使混凝土表层产生微细裂缝。混凝土碳化严重时将影响钢筋混凝土结构的使用寿命。在硬化混凝土的孔隙中充满了饱和Ca（OH）2溶液，此碱性介质使钢筋表面产生一层难溶的Fe2O3和Fe3O4薄膜，称为钝化膜，它能防止钢筋锈蚀。碳化后，混凝土碱度降低，当碳化深度超过钢筋保护层时，钝化膜遭到破坏，混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈，最终导致钢筋混凝土结构的破坏。

使用硅酸盐水泥或普通水泥，采用较小的水灰比及较多的水泥用量，掺用引气剂或减水剂，采用密实的砂、石骨料以及严格控制混凝土施工质量，使混凝土均匀密实，均可提高混凝土抗碳化能力。混凝土中掺入粉煤灰以及采用蒸汽养护的养护方法会加速混凝土碳化。

3.2.5.2　提高混凝土耐久性的主要措施

混凝土因所处环境和使用条件的不同，所要求的耐久性能各有特点，因此，应根据不同要求采取相应措施，以保证其耐久性。影响抗渗、抗冻、抗磨及抗蚀性等性能的因素，虽不完全相同，但混凝土组成材料的品质及混凝土的密实性对上述各种耐久性均有重要影响。故保证混凝土耐久性的措施，主要有如下几条。

（1）严格控制水灰比。

水灰比的大小是影响混凝土密实性的主要因素，为保证混凝土耐久性，必须严格控制水灰比。有关规范根据工程条件，规定了“水灰比（或水胶比）最大允许值”或 “最小水泥用量”（参考附录1、附录2、附录3），施工中应切实执行。

（2）材料的品质符合规范要求。

应根据工程所处环境及对混凝土耐久性要求的特点，合理选择水泥品种和强度等级。应严格控制砂、石材料的有害杂质含量，使其不致影响混凝土耐久性。

（3）合理选择骨料级配。

合理选择骨料级配可使混凝土在保证和易性要求的条件下减少水泥用量，并有较好的密实性。这样不仅有利于混凝土耐久性而且也较经济。

（4）掺用减水剂及引气剂。

掺用减水剂及引气剂可减少混凝土用水量及水泥用量，改善混凝土孔隙构造，这是提高混凝土抗冻性及抗渗性的有力措施。

（5）保证混凝土施工质量。

在混凝土施工中，应做到搅拌透彻、浇筑均匀、振捣密实、加强养护，以保证混凝土耐久性。