普通混凝土的技术性质（下篇）

    普通混凝土的技术性质

    （二）混凝土的变形性能

    混凝土在凝结硬化过程和凝结硬化以后，均将产生一定量的体积变形。主要包括化学收缩、干湿变形、自收缩、温度变形及荷载作用下的变形。

    1. 化学收缩

    由于水泥水化产物的体积小于反应前水泥和水的总体积，从而使混凝土出现体积收缩。这种由水泥水化和凝结硬化而产生的自身体积减缩，称为化学收缩。其收缩值随混凝土龄期的增加而增大，大致与时间的对数成正比，亦即早期收缩大，后期收缩小。收缩量与水泥用量和水泥品种有关。水泥用量越大，化学收缩值越大。这一点在富水泥浆混凝土和高强混凝土中尤应引起重视。化学收缩是不可逆变形。

    2. 干缩湿胀

    因混凝土内部水分蒸发引起的体积变形，称为干燥收缩。混凝土吸湿或吸水引起的膨胀，称为湿胀。在混凝土凝结硬化初期，如空气过于干燥或风速大、蒸发快，可导致混凝土塑性收缩裂缝。在混凝土凝结硬化以后，当收缩值过大，收缩应力超过混凝土极限抗拉强度时，可导致混凝土干缩裂缝。因此，混凝土的干燥收缩在实际工程中必须十分重视。

    3．自收缩

    混凝土的自收缩问题早在20世纪40年代就由Davis提出，由于自收缩在普通混凝土中占总收缩的比例较小，在过去的60多年中几乎被忽略不计。但随着低水胶比高强高性能混凝土的应用，混凝土的自收缩问题重新得以关注。自收缩和干缩产生机理在实质上可以认为是一致的，常温条件下主要由毛细孔失水，形成水凹液面而产生收缩应力。所不同的只是自收缩是因水泥水化导致混凝土内部缺水，外部水分未能及时补充而产生，这在低水胶比高强高性能混凝土中是及其普遍的。干缩则是混凝土内部水分向外部挥发而产生。研究结果表明，当混凝土的水胶比低于0.3时，自收缩率高达200×10-6～400×10-6。此外，胶凝材料的用量增加和硅灰、磨细矿粉的使用都将增加混凝土的自收缩值。

    影响混凝土收缩值的因素主要有：

    （1）水泥用量：砂石骨料的收缩值很小，故混凝土的干缩主要来自水泥浆的收缩，水泥浆的收缩值可达2000×10-6m/m以上。在水灰比一定时，水泥用量越大，混凝土干缩值也越大。故在高强混凝土配制时，尤其要控制水泥用量。相反，若骨料含量越高，水泥用量越少，则混凝土干缩越小。对普通混凝土而言，相应的干缩比为混凝土:砂浆:水泥浆=1:2:4左右。混凝土的极限收缩值约为500～900×10-6m/m。

    （2）水灰比：在水泥用量一定时，水灰比越大，意味着多余水分越多，蒸发收缩值也越大。因此要严格控制水灰比，尽量降低水灰比。

    （3）水泥品种和强度：一般情况下，矿渣水泥比普通水泥收缩大。高强度水泥比低强度水泥收缩大。故对干燥环境施工和使用的混凝土结构，要尽量避免使用矿渣水泥。

    （4）环境条件：气温越高、环境湿度越小或风速越大，混凝土的干燥速度越快，在混凝土凝结硬化初期特别容易引起干缩开裂，故必须加强早期浇水养护。空气相对湿度越低，最终的极限收缩也越大。

    干燥混凝土吸湿或吸水后，其干缩变形可得到部分恢复，这种变形称为混凝土的湿胀。对于已干燥的混凝土，即使长期泡在水中，仍有部分干缩变形不能完全恢复，残余收缩约为总收缩的30%～50%。这是因为干燥过程中混凝土的结构和强度均发生了变化。但若混凝土一直在水中硬化时，体积不变，甚至略有膨胀，这是由于凝胶体吸水产生的溶胀作用，与化学收缩并不矛盾。

    3．温度变形

    混凝土的温度膨胀系数大约为10×10-6m/m℃。即温度每升高或降低1℃，长1m的混凝土将产生0.01mm的膨胀或收缩变形。混凝土的温度变形对大体积混凝土、纵长结构混凝土及大面积混凝土工程等极为不利，极易产生温度裂缝。如纵长100m的混凝土，温度升高或降低30℃（冬夏季温差），则将产生30mm的膨胀或收缩，在完全约束条件下，混凝土内部将产生7.5MPa左右拉应力，足以导致混凝土开裂。故纵长结构或大面积混凝土均要设置伸缩缝、配制温度钢筋或掺入膨胀剂，防止混凝土开裂。

    4．荷载作用下的变形

    （1）短期荷载作用下的变形：混凝土在外力作下的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。塑性变形主要由水泥凝胶体的塑性流动和各组成间的滑移产生，所以混凝土是一种弹塑性材料，在短期荷载作用下，其应力—应变关系为一条曲线，如图4-15。
 
　　图4-15 混凝土在荷载作用下的应力－应变关系

    （2）混凝土的静力弹性模量：弹性模量为应力与应变之比值。对纯弹性材料来说，弹性模量是一个定值，而对混凝土这一弹塑性材料来说，不同应力水平的应力与应变之比值为变数。应力水平越高，塑性变形比重越大，故测得的比值越小。因此，我国GBJ81—85标准规定，混凝土的弹性模量是以棱柱体（150mm×150mm×300mm）试件抗压强度的40%作为控制值，在此应力水平下重复加荷—卸荷3次以上，以基本消除塑性变形后测得的应力－应变之比值，是一个条件弹性模量，在数值上近似等于初始切线的斜率。表达式为：
   
    （4-14）
式中： 
——混凝土静力抗压弹性模量MPa；
——混凝土的应力取40%的棱柱体强度MPa；
——混凝土应力为时的弹性应变（m/m无量纲）。

    影响弹性模量的因素主要有：①混凝土强度越高，弹性模量越大。C10～C60混凝土的弹性模量约在1.75～3.60×104MPa。② 骨料含量越高，骨料自身的弹性模量越大，则混凝土弹性模量越大。③混凝土水灰比越小，混凝土越密实，弹性模量越大。④混凝土养护龄期越长，弹性模量也越大。⑤早期养护温度较低时，弹性模量较大，亦即蒸汽养护混凝土的弹性模量较小。⑥掺入引气剂将使混凝土弹性模量下降。

    （3） 长期荷载作用下的变形——徐变：混凝土在一定的应力水平（如50%～70%的极限强度）下，保持荷载不变，随着时间的延续而增加的变形称为徐变。徐变产生的原因主要是凝胶体的粘性流动和滑移。加荷早期的徐变增加较快，后期减缓，如图4-16所示。混凝土在卸荷后，一部分变形瞬间恢复，这一变形小于最初加荷时产生的弹塑性变形。在卸荷后一定时间内，变形还会缓慢恢复一部分，称为徐变恢复。最后残留部分的变形称为残余变形。混凝土的徐变一般可达300×10-6～1500×10-6m/m。

    混凝土的徐变在不同结构物中有不同的作用。对普通钢筋混凝土构件，能消除混凝土内部温度应力和收缩应力，减弱混凝土的开裂现象。对预应力混凝土结构，混凝土的徐变使预应力损失大大增加，这是极其不利的。因此预应力结构一般要求较高的混凝土强度等级以减小徐变及预应力损失。
     
    图4-16 混凝土的应变与荷载作用时间的关系 

    影响混凝土徐变变形的因素主要有：①水泥用量越大（水灰比一定时），徐变越大。②W/C越小，徐变越小。③龄期长、结构致密、强度高，则徐变小。④骨料用量多，弹性模量高，级配好，最大粒径大，则徐变小。⑤应力水平越高，徐变越大。此外还与试验时的应力种类、试件尺寸、温度等有关。

    （三）混凝土的耐久性

    混凝土的耐久性是指在外部和内部不利因素的长期作用下，保持其原有设计性能和使用功能的性质。是混凝土结构经久耐用的重要指标。外部因素指的是酸、碱、盐的腐蚀作用，冰冻破坏作用，水压渗透作用，碳化作用，干湿循环引起的风化作用，荷载应力作用和振动冲击作用等等。内部因素主要指的是碱骨料反应和自身体积变化。通常用混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能、抗腐蚀性能和碱骨料反应综合评价混凝土的耐久性。

    《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）对混凝土结构耐久性作了明确界定，共分为五大环境类别，见表4－16。其中一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表4－17的规定。

表4-16 混凝土结构的环境类别
环境类别		条件
一		室内正常环境
二	a	室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
	b	严寒和寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
三		使用冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境
四		海水环境
五		受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境

表4-17 结构混凝土耐久性的基本要求
环境类别		最大水灰比	最小水泥用量（kg/m3）	最低混凝土强度等级	最大氯离子含量（%）	最大碱含量（kg/m3）
一		0.65	225	C20	1.0	不限制
二	a	0.60	250	C25	0.3	3.0
	b	0.55	275	C30	0.2	3.0
三		0.50	300	C30	0.1	3.0

注：
1. 氯离子含量系指其占水泥用量的百分率；
2. 预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%，最小水泥用量为300kg/m3；最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级；
3. 素混凝土结构的最水泥用量不应少于表中数值减25kg/m3；
4. 当混凝土中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可适当降低最小水泥用量；
5. 当有可靠工程经验时，对处于一类和二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级；
6. 当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。

    此外，对一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土，应符合下列规定：

    钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30；预应力结构为C40；最大氯离子含量为0.06%；宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，最大碱含量为3.0kg/m3；保护层厚度相应增加40%；使用过程中应定期维护。

    对二类和三类环境中设计使用年限为100年的混凝土结构，应采取专门有效措施。

    三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧树脂涂层带肋钢筋；对预应力钢筋、锚具及连接器，应采取专门防护措施。

    四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。

    1．混凝土的抗渗性

    混凝土的抗渗性是指抵抗压力液体（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技术指标。因为混凝土抗渗性好，即混凝土密实性高，外界腐蚀介质不易侵入混凝土内部，从而抗腐蚀性能就好。同样，水不易进入混凝土内部，冰冻破坏作用和风化作用就小。因此混凝土的抗渗性可以认为是混凝土耐久性指标的综合体现。对一般混凝土结构，特别是地下建筑、水池、水塔、水管、水坝、排污管渠、油罐以及港工、海工混凝土结构，更应保证混凝土具有足够的抗渗性能。

    混凝土的抗渗性能用抗渗标号表示。抗渗标号是根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82—85）的规定，通过试验确定，分为P4、P6、P8、P10和P12共5个等级，分别表示混凝土能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0和1.2MPa的水压力而不渗漏。

    影响混凝土抗渗性的主要因素有：

    （1）水灰比和水泥用量：水灰比和水泥用量是影响混凝土抗渗透性能的最主要指标。水灰比越大，多余水分蒸发后留下的毛细孔道就多，亦即孔隙率大，又多为连通孔隙，故混凝土抗渗性能越差。特别是当水灰比大于0.6时，抗渗性能急剧下降。因此，为了保证混凝土的耐久性，对水灰比必须加以限制。如某些工程从强度计算出发可以选用较大水灰比，但为了保证耐久性又必须选用较小水灰比，此时只能提高强度、服从耐久性要求。为保证混凝土耐久性，水泥用量的多少，在某种程度上可由水灰比表示。因为混凝土达到一定流动性的用水量基本一定，水泥用量少，亦即水灰比大。我国JGJ52—2000《普通混凝土配合比设计规程》对混凝土工程最大水灰比和最小水泥用量的限制条件见表4-18。

表4-18 混凝土的最大水灰比和最小水泥用量
环境条件		结构物类别	最大水灰比			最小水泥用量（kg/m3）
			素混凝土	钢筋混凝土	预应力混凝土	素混凝土	钢筋混凝土	预应力混凝土
1.干燥环境		正常的居住或办公用房屋内部件	不作规定	0.65	0.60	200	260	300
2.潮湿环境	无冻害	高湿度的室内部件、室外部件、在非侵蚀性土和（或）水中的部位	0.70	0.60	0.60	225	280	300
	有冻害	经受冻害的室外部件、在非侵蚀性土和（或）水中且经受冻害的部件、高湿度且经受冻害的室内部件	0.55	0.55	0.55	250	280	300
3.有冻害和除冰剂的潮湿环境		经受冻害和除冰剂作用的室内和室外部件	0.50	0.50	0.50	300	300	300

    注：
    1. 当用活性掺合料取代部分水泥时，表中的最大水灰比及最水泥用量即为替代前的水灰比和水泥用量。
    2. 配制C15级及其以下等级的混凝土时，可不受本表的限制。

    （2）骨料含泥量和级配。骨料含泥量高，则总表面积增大，混凝土达到同样流动性所需用水量增加，毛细孔道增多；另一方面，含泥量大的骨料界面粘结强度低，也将降低混凝土的抗渗性能。若骨料级配差，则骨料空隙率大，填满空隙所需水泥浆增大，同样导致毛细孔增加，影响抗渗性能。如水泥浆不能完全填满骨料空隙，则抗渗性能更差。

    （3）施工质量和养护条件。搅拌均匀、振捣密实是混凝土抗渗性能的重要保证。适当的养护温度和浇水养护是保证混凝土抗渗性能的基本措施。如果振捣不密实留下蜂窝、空洞，抗渗性就严重下降，如果温度过低产生冻害或温度过高产生温度裂缝，抗渗性能严重降低。如果浇水养护不足，混凝土产生干缩裂缝，也严重降低混凝土抗渗性能。因此，要保证混凝土良好的抗渗性能，施工养护是一个极其重要的环节。

    此外，水泥的品种、混凝土拌合物的保水性和粘聚性等，对混凝土抗渗性能也有显著影响。

    提高混凝土抗渗性的措施，除了对上述相关因素加以严格控制和合理选择外，可通过掺入引气剂或引气减水剂提高抗渗性。其主要作用机理是引入微细闭气孔、阻断连通毛细孔道，同时降低用水量或水灰比。对长期处于潮湿和严寒环境中混凝土的含气量应分别不小于4.5%（Dmax=40mm）、5.5%（Dmax=25mm）、5.0%（Dmax=20mm）。

    2．混凝土的抗冻性

    混凝土的抗冻性是指混凝土在吸水饱和状态下、能经受多次冻融循环而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。

    混凝土冻融破坏的机理，主要是内部毛细孔中的水结冰时产生9%左右的体积膨胀，在混凝土内部产生膨胀应力，当这种膨胀应力超过混凝土局部的抗拉强度时，就可能产生微细裂缝，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，最终导致混凝土强度下降，或混凝土表面（特别是棱角处）产生酥松剥落，直至完全破坏。

    混凝土抗冻性以抗冻标号表示。抗冻标号的测定根据GBJ82—85的规定进行。将吸水饱和的混凝土试件在-15℃条件下冰冻4小时，再在20℃水中融化4小时作为一个循环，以抗压强度下降不超过25%，重量损失不超过5%时，混凝土所能承受的最大冻融循环次数来表示。混凝土的抗冻标号分为D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250和D300共9个标号，其中的数字表示混凝土能经受的最大冻融循环次数。如D200，即表示该混凝土能承受200次冻融循环，且强度损失小于25%，重量损失小于5%。

    影响混凝土抗冻性的主要因素有：①水灰比或孔隙率。水灰比大，则孔隙率大，导致吸水率增大，冰冻破坏严重，抗冻性差。②孔隙特征。连通毛细孔易吸水饱和，冻害严重。若为封闭孔，则不易吸水，冻害就小。故加入引气剂能提高抗冻性。若为粗大孔洞，则混凝土一离开水面水就流失，冻害就小。故无砂大孔混凝土的抗冻性较好。③吸水饱和程度。若混凝土的孔隙非完全吸水饱和，冰冻过程产生的压力促使水分向孔隙处迁移，从而降低冰冻膨胀应力，对混凝土破坏作用就小。④混凝土的自身强度。在相同的冰冻破坏应力作用下，混凝土强度越高，冻害程度也就越低。此外还与降温速度和冰冻温度有关。

    从上述分析可知，要提高混凝土抗冻性，关键是提高混凝土的密实性，即降低水灰比；加强施工养护，提高混凝土的强度和密实性，同时也可掺入引气剂等改善孔结构。

    3．混凝土的抗碳化性能

    （1）混凝土碳化机理。混凝土碳化是指混凝土内水化产物Ca（OH）2与空气中的CO2在一定湿度条件下发生化学反应，产生CaCO3和水的过程。反应式如下：
　　　　Ca（OH）2+ CO2+H2O= CaCO3+2H2O  
    碳化使混凝土的碱度下降，故也称混凝土中性化。碳化过程是由表及里逐步向混凝土内部发展的，碳化深度大致与碳化时间的平方根成正比，可用下式表示：
   
    （4-15）
式中： 
L——碳化深度（mm）；
t——碳化时间（d）；
K ——碳化速度系数。

    碳化速度系数与混凝土的原材料、孔隙率和孔隙构造、Dmax浓度、温度、湿度等条件有关。在外部条件（Dmax浓度、温度、湿度）一定的情况下，它反映混凝土的抗碳化能力强弱。
 
    值越大，混凝土碳化速度越快，抗碳化能力越差。

    （2）碳化对混凝土性能的影响。碳化作用对混凝土的负面影响主要有两方面，一是碳化作用使混凝土的收缩增大，导致混凝土表面产生拉应力，从而降低混凝土的抗拉强度和抗折强度，严重时直接导致混凝土开裂。由于开裂降低了混凝土的抗渗性能，使得Dmax和其他腐蚀介质更易进入混凝土内部，加速碳化作用，降低耐久性。二是碳化作用使混凝土的碱度降低，失去混凝土强碱环境对钢筋的保护作用，导致钢筋锈蚀膨胀，严重时，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，直至剥落，进一步加速碳化和腐蚀，严重影响钢筋混凝土结构的力学性能和耐久性能。

    碳化作用生成的CaCO3能填充混凝土中的孔隙，使密实度提高；另一方而，碳化作用释放出的水分有利于促进未水化水泥颗粒的进一步水化。因此，碳化作用能适当提高混凝土的抗压强度，但对混凝土结构工程而言，碳化作用造成的危害远远大于抗压强度的提高。

    （3）影响混凝土碳化速度的主要因素。

    ① 混凝土的水灰比：前面已详细分析过，水灰比大小主要影响混凝土孔隙率和密实度。因此水灰比大，混凝土的碳化速度就快。这是影响混凝土碳化速度的最主要因素。

    ② 水泥品种和用量：普通水泥水化产物中Ca（OH）2含量高，碳化同样深度所消耗的Dmax量要求多，相当于碳化速度减慢。而矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥以及高掺量混合材配制的混凝土，Ca（OH）2含量低，故碳化速度相对较快。水泥用量大，碳化速度慢。

    ③ 施工养护：搅拌均匀、振捣成型密实、养护良好的混凝土碳化速度较慢。蒸汽养护的混凝土碳化速度相对较快。

    ④ 环境条件：空气中Dmax的浓度大，碳化速度加快。当空气相对湿度为50%～75%时，碳化速度最快。当相对湿度小于20%时，由于缺少水环境，碳化终止；当相对湿度达100%或水中混凝土，由于Dmax不易进入混凝土孔隙内，碳化也将停止。

    （4）提高混凝土抗碳化性能的措施。从前述影响混凝土碳化速度的因素分析可知，提高混凝土抗碳化性能的关键是提高混凝土的密实性，降低孔隙率，阻止Dmax向混凝土内部渗透。绝对密实的混凝土碳化作用也就自然停止。因此提高混凝土碳化性能的主要措施为：尽可能降低混凝土的水灰比，提高密实度；加强施工养护，保证混凝土均匀密实，水泥水化充分；根据环境条件合理选择水泥品种；用减水剂、引气剂等外加剂降低水灰比或引入封密气孔改善孔结构；必要时还可以采用表面涂刷石灰水等加以保护。

    4．混凝土的碱—骨料反应

    碱—骨料反应是指混凝土内水泥中所含的碱（K2O和Na2O），与骨料中的活性SiO2发生化学反应，在骨料表面形成碱——硅酸凝胶，吸水后将产生3倍以上的体积膨胀，从而导致混凝土膨胀开裂而破坏。碱骨料反应引起的破坏，一般要经过若干年后才会发现，而一旦发生则很难修复，因此，对水泥中碱含量大于0.6%；骨料中含有活性SiO2且在潮湿环境或水中使用的混凝土工程，必须加以重视。大型水工结构、桥梁结构、高等级公路、飞机场跑道一般均要求对骨料进行碱活性试验或对水泥的碱含量加以限制。

    5．混凝土的耐磨性。耐磨性是路面、机场跑道和桥梁混凝土的重要性能指标之一。作为高等级路面的水泥混凝土，必须具有较高的耐磨性能。桥墩、溢洪道面、管渠、河坝等均要求混凝土具有较好的抗冲涮耐磨性能。根据现行标准（JTJ053/T0527—94），混凝土的耐磨性采用150mm×150mm×150mm的立方体试块，标准养护至27天，在60℃条件下烘干恒重，然后在带有花轮磨头的混凝土磨耗试验机上，外加200N负荷磨削50转。按下式计算磨损量：
   
    （4-16）
式中： 
G——单位面积磨损量（kg/m2）；
m0——试件的原始重量（kg）；
m1——试件磨损后的重量（kg）。

    6．提高混凝土耐久性的措施

    虽然混凝土工程因所处环境和使用条件不同，要求有不同的耐久性，但就影响混凝土耐久性的因素来说，良好的混凝土密实度是关键，因此提高混凝土的耐久性可以从以下几方而进行：
    
    （1） 控制混凝土最大水灰比和最小水泥用量。
    （2） 合理选择水泥品种。
    （3） 选用良好的骨料质量和级配。
    （4） 加强施工质量控制。
    （5） 采用适宜的外加剂。
    （6） 掺入粉煤灰、矿粉、硅灰或沸石粉等活性混合材料。