混凝土的耐久性能

第八节　混凝土的耐久性能

用于建筑物和构筑物的混凝土，不仅应具有设计要求的强度，以保证其能安全承受荷载作用，还应具有耐久性能，能满足在所处环境及使用条件下经久耐用要求。

一、混凝土耐久性的含义

混凝土的耐久性可定义为混凝土在长期外界因素作用下，抵抗外部和内部不利影响的能力。它是决定混凝土结构是否经久耐用的一项重要性能。

长期以来，人们认为混凝土的耐久性是不成问题的，形成了单纯追求强度的倾向，但实践证明，混凝土在长期环境因素的作用下，会发生破坏。因此，在设计混凝土结构时，强度与耐久性必须同时予以考虑。只有耐久性良好的混凝土，才能延长结构使用寿命、减少维修保养工作量、提高经济效益，适应现代化建设需要与可持续发展的战略需求。

二、混凝土常见的几种耐久性问题

（一）混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力液体（水、油、溶液等）渗透作用的能力。抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因素，若混凝土的抗渗性差不仅周围水等液体物质易渗入内部，而且当遇有负温或环境水中含有侵蚀性介质时，混凝土就易遭受冰冻或侵蚀作用而破坏，对钢筋混凝土还将引起其内部钢筋锈蚀并导致表面混凝土保护层开裂与剥落。因此，对于受压力水（或油）作用的工程，如地下建筑、水池、水塔、压力水管、水坝、油罐以及港工、海工等，必须要求混凝土具有一定的抗渗能力。

混凝土的抗渗性用抗渗等级P表示。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB／T　50082—2009）的规定，混凝土抗水渗透试验有渗水高度法（或一次加压法）和逐级加压法。逐级加压法采用顶面直径为175 mm、底面直径为185 mm、高为150 mm的圆台体试件，在规定试验条件下测至6个试件中有3个试件端面渗水时为止，则混凝土的抗渗等级以6个试件中4个未出现渗水时的最大水压力计算，计算公式为

P＝10　H－1

式中　P——混凝土抗渗等级；

　H——6个试件中3个渗水时的水压力（MPa）。

混凝土抗渗等级分为P4、P6、P8、P10及P12五个等级，相应地表示混凝土能抵抗水压力（单位：MPa）0.4、0.6、0.8、1.0及1.2而不渗水。设计时应按工程实际承受的水压选择抗渗等级。

图6－33　水泥石的渗透系数与水灰比的关系

普通混凝土不抗渗，其渗水的原因是由于其内部存在有连通的渗水孔道，这些孔道主要来源于水泥浆中多余水分蒸发和泌水后留下的毛细管道，以及粗骨料下缘聚积的水隙。另外也可产生于混凝土浇捣不密实及硬化后因干缩、热胀等变形造成的裂缝。由水泥浆产生的渗水孔道的多少，主要与混凝土的水灰比大小有关，显然，水灰比愈小，混凝土抗渗性愈好，反之则愈差。因此水灰比是影响混凝土抗渗性的主要因素。图6－33为硬化水泥石的渗透系数与水灰比的关系曲线。由图可知，当水灰比大于0.60时，水泥石的渗透系数剧增，混凝土抗渗性将显著降低。

由上可知，提高混凝土抗渗性的关键在于提高混凝土的密实度。具体措施有：混凝土尽量采用低水灰比；骨料要致密、干净、级配良好；混凝土施工振捣要密实；养护混凝土要有适当的温度、充分的湿度及足够的时间。另外可掺加引气剂或引气减水剂。

（二）混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性是指硬化混凝土在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。对于寒冷地区的建筑和寒冷环境的建筑（如冷库），必须要求混凝土具有一定的抗冻融能力。

普通混凝土受冻融破坏的原因，是由于其内部空隙和毛细孔道中的水结冰时产生体积膨胀和冷水迁移所致。当这种膨胀力超过混凝土的抗拉强度时，则使混凝土发生微细裂缝，在反复冻融作用下，混凝土内部的微细裂缝逐渐增多和扩大，于是混凝土强度渐趋降低，混凝土表面产生酥松剥落，直至完全破坏。

混凝土的抗冻性与混凝土内部的孔隙数量、孔隙特征、孔隙内充水程度、环境温度降低的程度及反复冻融的次数等有关。当混凝土的水灰比小、密实度高、含封闭小孔多、或开口孔中不充满水时，则混凝土抗冻性好。因此，提高混凝土抗冻性的关键也是提高其密实度，为此对于要求抗冻的混凝土，其水灰比不应超过0.60。另外，在混凝土中掺加引气剂或引气减水剂，可显著提高混凝土的抗冻性。

按GB／T　50082—2009的规定，混凝土抗冻标号采用慢冻法测试，制作100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，标准养护28 d，在饱水后于－20～－18℃冷冻（≥4 h）然后在18～20℃的水中融化（≥4 h）为一次冻融循环，进行反复冻融，最后以抗压强度下降率不超过25%或者质量损失率不超过5%时，混凝土所能承受的最大冻融循环次数来表示。

混凝土抗冻等级采用快冻法测试，制作100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，标准养护28 d，在饱水后进行水冻和水融（试件中心温度分别控制在－18℃±2℃和5℃±2℃），以混凝土耐快速冻融循环后，同时满足相对动弹性模量不小于60%、质量损失率不超过5%时的最大循环次数表示。混凝土的抗冻等级分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300等九个等级，其中数字即表示混凝土能经受的最大冻融循环次数。

此外还有单面冻融法（或称盐冻法）测试混凝土抗冻等级。

工程中应根据环境条件、气候或温度情况、混凝土所处结构部位及经受冻融循环次数等的不同，选用不同的抗冻性试验方法，并对混凝土提出不同的抗冻等级要求。

（三）混凝土的抗侵蚀性

当混凝土所处环境中含有盐、酸、强碱等侵蚀性介质时，对混凝土必须提出抗侵蚀要求，其中尤应重视海水的侵蚀。混凝土的抗侵蚀性主要取决于其所用水泥的品种及混凝土的密实度。密实度较高或具有封闭孔隙的混凝土，环境水等不易侵入，混凝土的抗侵蚀性较强。所以，提高混凝土抗侵蚀性的措施，主要是合理选用水泥品种、降低水灰比、提高混凝土的密实度，以及尽量减少混凝土中的开口孔隙。关于混凝土被侵蚀的原理及水泥品种的选用，详见第五章所述。

《混凝土结构耐久性设计规范》（GB／T　50467—2008）要求，对氯化物环境和化学腐蚀环境需做混凝土抗氯离子渗透试验，试验方法依据GB／T　50082—2009进行，包括电通量法和快速氯离子迁移系数法（或称RCM法）。电通量法是用通过混凝土试件的电通量来反映混凝土抗氯离子渗透性能的试验方法；RCM法为通过测定混凝土中氯离子渗透深度，计算得到氯离子迁移系数来反映混凝土抗氯离子渗透性能的试验方法。

氯盐环境（海水、除冰盐）下的配筋混凝土，应采用大掺量或较大掺量的矿物掺合料，且为低水胶比。当单掺粉煤灰时掺量不宜小于30%，单掺磨细矿渣时不宜小于50%，最好复合两种以上掺用，对于侵蚀非常严重环境，可掺加5%硅灰。

氯盐环境下应严格限制混凝土原材料引入的氯离子量，要求硬化混凝土中的水溶氯离子含量对于钢筋混凝土不应超过胶凝材料重的0.1%，对于预应力混凝土不应超过0.06%。

（四）混凝土的碳化

1.混凝土碳化的含义

混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳、在湿度相宜时发生化学反应，生成碳酸钙和水，也称混凝土的中性化。混凝土的碳化由表及里进行，其碳化深度随时间的延长而增大，但增大速度逐渐减慢。碳化试验依据GB／T　50082—2009，在温度为（20±2）℃、相对湿度为（70±5）%、二氧化碳浓度为（20±3）%的条件下进行快速试验。

2.碳化对混凝土性能的影响

碳化对混凝土的不利影响首先是减弱了对钢筋的保护作用。这是因为本来混凝土中水泥水化生成大量的氢氧化钙，使钢筋处在这种碱性环境中，其表面能生成一层钝化膜，保护钢筋不易锈蚀，但当碳化深度穿透混凝土保护层而达钢筋表面时，使钢筋处在了中性环境，于是钢筋钝化膜被破坏而发生锈蚀，产生体积膨胀，致使混凝土保护层产生开裂。一旦开裂后的混凝土又加速碳化的进行和钢筋的锈蚀，最后导致混凝土产生顺筋开裂而破坏。另外，碳化作用会增加混凝土的收缩，引起混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。

碳化作用对混凝土有一些有利影响，即碳化作用产生的碳酸钙填充了水泥石的孔隙，以及碳化时放出的水分有助于未水化水泥的继续水化，从而可提高混凝土碳化层的密实度，对提高抗压强度有利。如利用碳化作用来提高预制混凝土基桩的表面质量以及混凝土空心砌块的强度等。

3.影响混凝土碳化速度的主要因素

（1）环境中二氧化碳的浓度。二氧化碳浓度愈大，混凝土碳化作用越快。一般室内混凝土碳化速度较室外快，铸工车间建筑的混凝土碳化更快。

（2）环境湿度。当环境的相对湿度在50%～75%时，混凝土碳化速度最快，当相对湿度小于25%或达100%时，碳化将停止进行，这是因为前者环境中水分太少，而后者环境使混凝土孔隙中充满水，二氧化碳不能渗入扩散。

（3）水泥品种。普通水泥水化产物碱度高，故其抗碳化能力优于矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥，故水泥随混合材料掺量的增多而碳化速度加快。

（4）水灰比。水灰比愈小，混凝土愈密实，二氧化碳和水不易渗入，故碳化速度就慢。

（5）外加剂。混凝土中掺入减水剂、引气剂或引气减水剂时，由于可降低水灰比或引入封闭小气泡，故可使混凝土碳化速度明显减慢。

（6）施工质量。混凝土施工振捣不密实或养护不良时，致使密实度较差而加快混凝土的碳化；经蒸汽养护的混凝土，其碳化速度较标准条件养护时的为快。

4.阻止混凝土碳化的措施

（1）在可能的情况下，应尽量降低混凝土的水灰比。采用减水剂，以达到提高混凝土密实度，这是根本性的措施。

（2）根据环境和使用条件，合理选用水泥品种。

（3）对于钢筋混凝土构件，必须保证有足够的混凝土保护层，以防钢筋锈蚀。

（4）在混凝土表面抹刷涂层（如抹聚合物砂浆、刷涂料等）或黏贴面层材料（如贴面砖等），以防二氧化碳侵入。

在设计钢筋混凝土结构、尤其当确定采用钢丝网薄壁结构时，必须要考虑混凝土的抗碳化问题。

（五）混凝土的碱－骨料反应

碱－骨料反应（简称AAR）是指混凝土内的碱性氧化物——氧化钠和氧化钾等，与骨料中的活性物质发生化学反应，吸水后会产生很大的体积膨胀（体积增大可达3倍以上），从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏，这种现象称为碱－骨料反应。

碱－骨料反应通常分为碱－硅酸反应（ASR）和碱－碳酸盐反应（ACR）。碱－硅酸反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性硅质物质之间反应产生碱－硅酸凝胶，并在吸水后产生体积膨胀。碱－碳酸盐反应是指黏土质白云石质石灰岩与碱发生反应后水分进入骨料内部，其中的黏土质吸水膨胀的反应。

混凝土发生碱－骨料反应必须具备以下三个条件：

（1）水泥等材料中碱含量高。以等当量Na₂O计，（Na₂O＋0.658K₂O）的计算值大于0.6%。

（2）砂、石骨料中夹含有活性二氧化硅成分，或含有粘土质白云石质石灰岩。含活性二氧化硅成分的矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英等，它们常存在于流纹岩、安山岩、凝灰岩等天然岩石中。

（3）有水存在。在无水情况下，混凝土不可能发生碱－骨料膨胀反应。

混凝土碱－骨料反应进行缓慢，通常要经若干年后才会出现，且难以修复，故必须将问题消灭在发生之前。对重要工程的混凝土所使用的粗、细骨料，应进行碱活性检验，当检验判定骨料为有潜在危害时，应采取下列措施：

（1）使用含碱量小于0.6%的水泥或采用能抑制碱－骨料反应的掺合料，如粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土、稻壳灰等。

（2）当使用含钾、钠离子的混凝土外加剂时，必须进行专门试验。

（3）对钢筋混凝土采用海砂配制时，砂中氯离子含量不应大于0.06%。

（4）对预应力混凝土则不宜用海砂，若必须使用时，应经淡水冲洗至氯离子含量不得大于0.02%。

经检验判定为属碱－碳酸盐反应的骨料，则不宜用作配制混凝土。

三、混凝土耐久性设计

根据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB／T　50467—2008），混凝土按结构所处环境对钢筋和混凝土材料的不同腐蚀作用分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五类，并将环境作用的严重程度分为A、B、C、D、E、F六个等级，严重性从A到F依次递增，见表6－30所示。另外提出结构使用年限有100年、50年和30年三种要求。根据耐久性设计规范要求，提出配制耐久混凝土的一般原则如下：

（1）选用质量稳定、低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早强水泥和C₃A含量偏高的水泥。

（2）选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料。

（3）使用优质粉煤灰、矿渣等矿物掺合料或复合矿物掺合料，此应成为一般情况下配制耐久混凝土的必需组分。

（4）使用优质引气剂，将适量引气作为配制耐久混凝土的常规手段。

（5）尽量降低拌合用水量，采用高效减水剂。

（6）高度重视骨料级配与粗骨料粒形要求。

（7）限制每立方米混凝土中胶凝材料的最低和最高用量，尽可能减少硅酸盐水泥用量。除此之外，还应保证混凝土施工质量。即要混凝土搅拌均匀、浇捣密实、加强养护，避免产生次生裂缝。

表6－30　环境分类与作用等级

注：氯化物环境（Ⅲ和Ⅳ）对混凝土材料也有一定腐蚀作用，但主要是引起钢筋的严重锈蚀。反复冻融（Ⅱ）和其他化学介质对混凝土的冻蚀和腐蚀，也会间接促进钢筋锈蚀，有的并能直接引起钢筋锈蚀，但主要是对混凝土的损伤和破坏。

标准CCES01—2004（2005年修订版）《混凝土结构耐久性设计与施工指南》提出，不同环境作用等级和不同使用年限的钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，其混凝土的最低强度等级、最大水胶比和每立方米混凝土胶凝材料最小用量宜满足表6－31的规定。同时也应符合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ　55—2011）的规定。

表6－31　混凝土最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量／（kg·m^－3）

注：①对于氯盐环境（Ⅲ－D和Ⅳ－D），混凝土最大水胶比0.45宜降为0.40；

②引气混凝土的最低强度等级与最大水胶比可按降低一个环境作用等级采用；

③表中胶凝材料最小用量与骨料最大粒径约为20 mm的混凝土相对应，当最大粒径较小或较大时需适当增减胶凝材料用量；

④对于冻融和化学腐蚀环境下的薄壁构件，其水胶比宜适当低于表中对应的数值。

配制耐久混凝土时，每立方米混凝土中的水泥和矿物掺合料总量，对C30混凝土不宜大于400 kg／m³，C40～C50混凝土不宜大于450 kg／m³，C60及以上等级混凝土不宜大于500 kg／m³。对于大掺量矿物掺合料混凝土，其水胶比不宜大于0.42，并应随矿物料掺量的增加而降低。用于环境作用等级为E或F的混凝土，其拌合水用量不宜高于150 kg／m³。

不同环境类别和作用等级下的混凝土，其胶凝材料的适用品种和用量，必须按规定选用。海水环境下的混凝土不宜采用抗硫酸盐硅酸盐水泥。除长期处于水中或湿润土中的构件可采用大掺量粉煤灰混凝土外，一般构件混凝土的粉煤灰和矿渣掺量应按规定的限量掺加，且每立方米混凝土中硅酸盐熟料用量不宜小于240 kg。

冻融环境下作用等级为D或在除冰盐环境下，应采用引气混凝土。但对于冻融环境下作用等级为C，而混凝土强度等级大于或等于C40时，可不引气。