混凝土耐久性

混凝土耐久性是指混凝土在使用条件下，抵抗周围环境中各种因素长期作用而不被破坏的能力。混凝土所处的环境条件不同，混凝土耐久性应考虑的因素也不同。根据《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ／T193—2009）、《混凝土结构耐久性设计规范》（GB／T50476—2008）、《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB／T50082—2009），混凝土耐久性主要包括抗冻性能、抗水渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、碱集料反应和早期抗裂性能。

4．6．1 抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土在使用环境中，经受多次冻融循环作用而不破坏，能保持外观完整性和强度不严重降低的能力。在寒冷地区，特别是在接触水且受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。

混凝土的抗冻性用抗冻标号（慢冻法）或抗冻等级（快冻法）表示。抗冻标号（慢冻法）是以28d龄期的100mm×100mm×100mm混凝土立方体试件，在－20～－18℃和18～20℃进行气冻水融循环，冷冻时间和融化时间均不小于4h，质量损失不超过5％、抗压强度损失不超过25％时所能承受的最大冻融次数来确定；抗冻标号分为D50、D100、D150、D200、＞D200共5个标号。抗冻等级（快冻法）是以28d龄期的100mm×100mm×400mm混凝土棱柱体试件，在（－18±2）℃和（5±2）℃进行水冻水融循环，每次冻融循环应在2～4h内完成且融化时间不得少于整个冻融循环时间的1／4、质量损失不超过5％、相对动弹性模量下降不超过60％时所能承受的最大冻融次数来确定。抗冻等级分为F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、F400、＞F400共9个等级。另外，当混凝土在大气环境中且与盐接触的条件下，也可采用单面冻融法（又称盐冻法）进行抗冻性试验，它以能够经受的冻融循环次数或者表面剥落质量或超声波相对动弹性模量来表示混凝土抗冻性。

混凝土冻融破坏的原因，主要是混凝土内部孔隙中的水结冰时约有9％的体积膨胀，由此产生内应力，当这种内应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝。反复冻融作用使裂缝不断扩展直至破坏，体现在冻融过程中混凝土强度下降、混凝土表面（特别是棱角处）产生酥松剥落。

混凝土的抗冻性主要取决于混凝土密实度、内部孔隙的大小与构造以及含水程度、混凝土自身强度。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，因此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会促使水分向孔隙内部迁移，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。

⑤降温速度和冰冻温度。

提高混凝土抗冻性有效措施主要有：掺入减水剂，降低水灰比，提高混凝土强度和密度；掺入引气剂改善孔结构；掺入防冻剂减缓结冰速度，提高初始强度。

4．6．2 抗渗性

混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力水（或油）渗透的能力，它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土的抗渗性用抗渗等级（逐级加压法）或渗水高度（渗水高度法）表示。抗渗等级（逐级加压法），是用龄期28d的混凝土标准试件，水压从0．1MPa开始，每隔8h增加0．1MPa水压，每组6个试件中有4个试件未出现渗水时的最大水压力乘以10来确定。抗渗等级分为P4、P6、P8、P10、P12、＞P12共6个等级。渗水高度（渗水高度法），是指龄期28d的混凝土标准试件在（1．2±0．05）MPa水压下恒压24h的平均渗水高度。

混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。混凝土内部互相连通的孔隙和毛细管通路，以及由于混凝土施工成型时振捣不密实产生的蜂窝、孔洞，都会造成混凝土渗水。影响混凝土抗渗性的主要因素如下：

①水灰比。混凝土水灰比的大小，对其抗渗性能起决定性作用，水灰比越大，抗渗性越差。

②水泥品种。水泥细度越大，水泥硬化体孔隙率越小，强度就越高，其抗渗性越好。

③集料最大粒径。在水灰比相同时，混凝土集料的最大粒径越大，其抗渗性能越差，这是由于集料和水泥浆的界面处易产生裂隙和较大集料下方易形成空穴。

④外加剂。在混凝土中掺入某些外加剂（如减水剂等），可减小水灰比，改善混凝土和易性，进而改善混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗渗性。

⑤掺合料。在混凝土中加入掺合料，如掺入优质粉煤灰，由于优质粉煤灰能发挥其形态效应、活性效应、微集料效应和界面效应，可提高混凝土的密实度、细化孔隙，从而改善孔结构、改善集料与水泥石界面的过渡区结构，从而提高混凝土抗渗性。

⑥龄期。混凝土凝期越长，水泥水化越充分，则混凝土的密实度越高，抗渗性越好。

⑦施工质量。搅拌均匀、振捣密实是混凝土抗渗性能的重要保证。如果振捣不密实，留下蜂窝、孔洞，抗渗性就严重下降，遇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。

⑧养护方法。在干燥条件下，混凝土早期失水过多，容易形成收缩裂缝，降低混凝土的抗渗性；而蒸汽养护的混凝土，抗渗性较潮湿养护的混凝土差。因此，保持充分的湿度和适当的温度，有利于提高混凝土抗渗性。

提高混凝土抗渗性的措施，实质是提高混凝土的密实度，改善混凝土孔结构，以及减少连通孔隙。

4．6．3 抗硫酸盐侵蚀性

混凝土抗硫酸盐侵蚀性，是指混凝土在硫酸盐溶液中，经受多次干湿循环，能保持外观完整和强度不严重降低的能力。

混凝土的抗硫酸盐侵蚀性用抗硫酸盐等级表示。抗硫酸盐等级，是以28d龄期的100mm×100mm×100mm混凝土立方体试件，在5％Na2SO4溶液中浸泡（15±0．5）h和在（80±5）℃烘干6h为一个干湿循环，以混凝土抗压强度耐蚀系数下降到不低于75％（即抗压强度下降不超过25％）时的最大干湿循环次数来确定；抗硫酸盐等级分为KS30、KS60、KS90、KS120、KS150、＞KS150共6个等级。

混凝土硫酸盐侵蚀，是指外界侵蚀介质中的进入混凝土的孔隙内部，与水泥石的某些组分（如氢氧化钙、水化铝酸钙）发生化学反应生成膨胀性产物（如钙矾石、石膏），产生膨胀内应力，当膨胀内应力超过混凝土抗拉强度时，导致混凝土结构物破坏。混凝土受硫酸盐侵蚀的特征是表面发白，损害通常在棱角处开始，接着裂缝开展并剥落，使混凝土成为一种易碎的甚至松散的状态。

导致混凝土硫酸盐侵蚀的内因主要是水泥石中的水化铝酸钙、氢氧化钙和毛细孔，外因则是侵蚀溶液中存在；影响因素体现在内因有水泥品种、混凝土密实度，外因有侵蚀溶液中的浓度及其他离子（如Mg2＋、Cl－）的浓度、p H值以及环境条件（如水分蒸发、干湿交替）等。

掺加活性混合料，可降低混凝土中氢氧化钙和铝酸钙的含量，提高其抗硫酸盐侵蚀能力；密实或孔隙封闭的混凝土，抗渗性提高，环境水不易侵入，故其抗硫酸盐侵蚀提高。因此，防止或减轻混凝土硫酸盐侵蚀的方法主要有：合理选择水泥品种或胶凝材料，掺加活性掺合料，降低水灰比，加强捣实和掺加减水剂、引气剂以提高混凝土密实度和改善孔结构。

4．6．4 抗氯离子渗透性

混凝土在水和氯离子存在的环境中，由于氯离子浓度差会导致氯离子向混凝土中扩散渗透，当氯离子扩散渗透至混凝土结构的钢筋表面并达到一定浓度后，将导致钢筋很快锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性。对于海洋和近海地区接触海水氯化物、降雪地区接触除冰盐的钢筋混凝土结构，其混凝土应有较高的抗氯离子渗透性。

混凝土抗氯离子渗透性，可以采用快速氯离子迁移系数法（或称RCM法）测定，用氯离子迁移系数表示；或采用电通量法测定、用电通量表示。快速氯离子迁移系数法，是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；按氯离子迁移系数DRCM（×10－12m2／s），抗氯离子渗透性能等级划分为RCM-Ⅰ（≥4．5）、RCM-Ⅱ（≥3．5，＜4．5）、RCM-Ⅲ（≥2．5，＜3．5）、RCM-Ⅳ（≥1．5，＜2．5）、RCM-Ⅴ（＜1．5）共5个等级。电通量法，是通过混凝土试件在氯离子环境中的电通量来反映混凝土抗氯离子渗透性能。按电通量QS（C），抗氯离子渗透性能等级划分为Q-Ⅰ（4000≤QS）、Q-Ⅱ（2000≤QS＜4000）、Q-Ⅲ（1000≤QS＜2000）、Q-Ⅳ（500≤QS＜1000）、Q-Ⅴ（QS＜500）共5个等级。电通量法不适用于掺有亚硝酸盐和钢纤维等良导电材料的混凝土抗氯离子渗透测试。

在混凝土中，氯离子主要是通过水泥石中的孔隙和水泥石与集料的界面扩散渗透，因此，提高混凝土的密实度、降低孔隙率、减小孔隙和改善界面结构，是提高混凝土抗氯离子渗透性的主要途径。提高混凝土抗氯离子渗透性最有效的方法是掺加硅灰、优质粉煤灰等掺合料。

4．6．5 抗碳化性能

混凝土碳化是指空气中的二氧化碳在有水存在的条件下，与水泥石中的氢氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水。碳化消耗了水泥石中氢氧化钙，使混凝土碱度降低，减弱了其对钢筋的防锈保护作用，使钢筋易出现锈蚀。混凝土碳化后，干缩产生的压应力使氢氧化钙晶体溶解，还有碳酸钙在无压力处沉积，显著增加混凝土收缩，使混凝土表面产生拉应力，并表面出现微细裂缝，导致混凝土抗拉、抗折强度降低。混凝土碳化后生成的水分有利于水泥的水化作用，生成的碳酸钙减少了水泥石孔隙，从而使混凝土的抗压强度提高。但总的来说，碳化作用对混凝土是有害的，尤其是导致混凝土的护筋性降低。

混凝土的抗碳化性能用抗碳化等级表示。抗碳化等级，是以龄期28d的混凝土标准试件在二氧化碳浓度为（20±3）％、温度为（20±2）℃、湿度为（70±5）％的条件下碳化28d的碳化深度来确定的。按混凝土碳化深度，抗碳化性能等级划分为T-Ⅰ（30mm≤d）、T-Ⅱ（20mm≤d＜30mm）、T-Ⅲ（10mm≤d＜20mm）、T-Ⅳ（0．1mm≤d＜10mm）、T-Ⅴ（d＜0．1mm）共5个等级。

碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐步扩散的过程，因此，气体扩散规律决定了碳化速度的快慢。碳化引起水泥石化学组成及组织结构的变化，从而对混凝土的化学性能和物理力学性能有明显的影响，主要是对碱度、强度和收缩度的影响。提高混凝土抗碳化能力的措施有：采用较小的水灰比、提高混凝土密实度、改善混凝土内孔结构。另外，特别干燥的环境（相对湿度在25％以下）中，由于缺乏使二氧化碳及氢氧化钙作用所需要的水分，有利于提高混凝土的抗碳化性能；混凝土在水中或在相对湿度100％条件下，由于混凝土孔隙中的水分阻止二氧化碳向混凝土内部扩散，碳化停止。

4．6．6 碱集料反应

碱集料反应，是指水泥、外加剂等混凝土组成材料及环境中的碱与集料中的碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生膨胀反应并导致混凝土开裂破坏。碱集料反应包括碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。碱-硅酸反应是指碱与集料中的活性氧化硅发生化学反应，在集料表面生成复杂的碱-硅酸凝胶，该凝胶可不断吸水，体积相应地不断膨胀，从而导致水泥石胀裂或疏松。

采用碱集料反应试验检测碱集料反应，用膨胀率表示。该方法是以75mm×75mm× 275mm的混凝土试件，在温度38℃及潮湿条件下，碱与集料反应所引起的膨胀，来确定是否具有碱集料反应潜在危害性。一般认为混凝土龄期52周膨胀率小于0．04％时，不具有碱集料反应潜在危害性，反之则具有碱集料反应潜在危害性。

普遍认为发生碱集料反应须同时具备下列3个条件：一是碱含量高；二是集料中存在碱活性矿物，如活性二氧化硅；三是环境潮湿，水分渗入混凝土。预防或抑制碱集料反应的措施有：

①使用含碱量小于0．6％的水泥，以降低混凝土总的含碱量；

②减少或不用活性集料；

③保持混凝土处在干燥环境中，混凝土内部相对湿度低于75％时，碱-集料反应就无法进行；

④使混凝土致密，或包覆混凝土表面，防止水分进入混凝土内部；

⑤采用能抑制碱集料反应的掺合料，如粉煤灰、硅灰等。

4．6．7 早期抗裂性能

早期裂缝主要是指从混凝土浇筑振捣完毕到混凝土终凝后72h之内出现的宏观裂缝和微裂缝。混凝土早期裂缝有水化热温差裂缝、自收缩裂缝、塑性吸附分离裂缝、塑性沉落阻滞裂缝、塑性收缩裂缝等。

混凝土的早期抗裂性能用抗裂性能等级表示。混凝土早期抗裂性能等级是以成型30min后的混凝土试件（尺寸为800mm×600mm×100mm），在温度为（20±2）℃、湿度为（60±5）％、风速（5±0．5）m／s的条件下放置（24±0．5）h测定的平均开裂面积（单位面积上的裂缝数目或单位面积上的总开裂面积）来确定的；按单位面积上的总开裂面积c（mm2／m2），混凝土早期抗裂性能等级划分为L-Ⅰ（1000≤c）、L-Ⅱ（700≤c＜1000）、L-Ⅲ（400≤c＜700）、L-Ⅳ（100≤c＜400）、L-Ⅴ（c＜100）共5个等级。

最易出现的早期裂缝有大体积混凝土水泥水化温升导致的温差裂缝、大面积混凝土结构失水收缩裂缝、大风环境下混凝土快速失水导致裂缝。影响混凝土早期抗裂性的因素有：水泥品种、外掺量、集料种类及含量、外加剂、混凝土强度，环境温度、湿度、风速、太阳直射等。相应地，改善混凝土早期抗裂性的措施有：

①降低混凝土水化热，选用低热、微膨胀、早期强度低、细度不宜过细、熟料中铝酸三钙含量低、碱含量低的水泥，降低混凝土中水泥用量；

②掺加适量（10％～40％）粉煤灰和矿渣，尽量不用硅灰；

③适当提高集料用量和粒径；掺入塑化剂和膨胀剂，必要时掺入引气剂；

④控制混凝土早期强度，不让其发展太快，一般12h内不要超过6MPa；

⑤新浇筑混凝土应避免高温、大风天气和太阳直射；

⑥进行适当养护，采用养护剂、覆盖养护、浇水养护，保持早期适当的养护温度和湿度。