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混凝土的孔隙 引言 混凝土是由粗细骨料、水泥、水组成的一种复合材料, 就其本身而言又是一种微孔材料, 是工程界应用最为广泛的一种耐用材料。混凝土常带着裂缝工作, 工程上采用限制裂缝的办法加以解决, 这样讲并不是说混凝土可以任意出现裂缝, 对裂缝孔隙应予充分的注意。在大多数情况下裂缝、孔隙并不影响使
用, 但对外观和耐久性极具影响。 1 混凝土的孔隙 混凝土的内部孔隙是水泥硬结过程中形成的, 应是混凝土的一种属性。混凝土的孔隙是决定其属性的决定性因素, 水泥水化硬结没有孔隙是无法进行的。混凝土硬结后的强度、变形、收缩、徐变、渗透、抗冻、迁移及各项侵蚀无不与孔隙密切相关,可以说混凝土的内部孔隙决定了混凝土的材性。 1.1 外部裂缝 规范允许混凝土结构出现的裂缝, 满足规范要求不影响使用。施工过程造成的孔隙与裂缝, 振捣不实, 养护不好, 泌水离析形成的孔隙, 选用砂石一类多孔骨料、支模变形, 沉陷裂缝, 失水收缩裂缝, 温度变化裂缝, 自干燥与碳化裂缝, 配合比不合理与现场W/C 控制不当增加孔隙, 以及保护不当造成的冻裂等。
1.2 内部孔隙 这是应当重点论述的, 所谓混凝土性能决定于孔隙主要指存在于水泥浆体的内部孔隙。孔隙的计算采用T?C?Poweros 简易公式。混凝土是由合理级配的粗细 1/5页 骨料与加入水泥浆胶结而成。水泥浆料应充满砂石骨料的全部间隙并完好将其包裹。新搅拌的混凝土没有孔隙, 它们完全被拌合水所充满。当水被水泥水化所利用和其他原因所蒸发, 在内部水泥水化物中就留下孔隙, 即孔隙是存在于水泥水化粒子之间的水分蒸发后残留的空间。这一部分属于毛细孔, 呈分布联通的网状, 能发生毛细作用, 孔径在16~2.5 nm 之间变化; 另一部分为水泥矿物在与水发生化学物理作用, 要生成50%左右C-S-H, 通称凝胶体。大量的微毛细孔,电镜无法分辨, 孔径约在2.5~0.5 nm, 甚至于小于0.5 nm, C-S-H体积中1/4 为孔隙。而C-S-H 又是决定混凝土( 水泥石) 性质的决定因素, 这个孔隙率为T?C?Powers 公式计算所得。这是一个规律, 对各种水泥的C-S-H 都是不变的固定数值。第三种孔隙是由“壁垒”效力应在局部引起的孔隙增大。水泥水化浆 接触面处形成所谓界面过渡区, 接触面处水灰比增高, 体在遇到骨料、钢筋等, 可引起局部泌水, 此处的毛细孔是连通的, 渗透性很高。由Powers 公式有: 水泥凝胶C-S-H 孔隙率PC=0.26; 毛细孔隙率PC=( W/C- 0.36α) /( W/C 0.32) 。Powers 也用胶空比反映毛细孔隙率PC= 凝胶体积( 含凝胶孔) /( 凝胶体积 毛细体积) =0.68α/[0.68α ( W/C- 0.36α) ]=0.68α/( 0.32α W/C) , 此式用于胶结材料, 即除水泥之外另加活性矿物成分, 如硅粉、粉煤灰??式中:
W/C———水灰比( 水胶比) ; α———水化程度系数, 完全水化α=1.0。 由上列二式可知, 当α一定时决定孔隙、胶空比的唯一因素为W/C。
现在讨论最小水灰比( W/C) min 的概念: 保证水泥浆体中水泥完全水化所需要的水, 即为( W/C) min。由PC= 毛细孔体积/ 水泥浆初始体积=( W/C- 0.36α) /( W/C 0.32) 可知, 当PC=0, α=1 时可得出( W/C) min。分母部分不会等于零, 只有分子等于零。当完全水化时α=1, 可得到W/C=0.36 此即完全水化所需的水灰比。但此时一点孔隙没有( PC=0) 而形 2/5页 成水泥水化产物必须形成一个饱和的凝胶孔。实际上, 水泥水化后浆体由水化产物( 凝胶体) 凝胶孔 毛细孔三部分组成。达到完全水化时, 凝胶体( 水化产物) 所需水为0.24。凝胶孔为凝胶体固有部分, 不随W/C大小而变化, 凝胶孔中固定了0.18 的水, 所以水泥达到完全水化时所需水量为0.24 0.18=0.42, 用水灰比表示( W/C) min=0.42,可以理解0.18 水是用于形成凝胶孔为水化反应提供必须空间, 也即水化是在凝胶孔中进行的。实际使用W/C>0.42,( 考虑模板等吸
水) , 多余水蒸发后就成为胶体中的毛细孔。一个主要特点凝胶孔率0.26( ?1/4) 为固定不变, 所以毛细孔只受W/C 的影响, 亦即W/C 愈大, 失水后在凝胶体( 水化产物) 中残留的毛细孔率愈高。这是影响混凝土基本性质的主要因素。
当W/C<0.42 以后, 水泥不能完全水化, 胶体中存在一部分未被水化的水泥颗料, 而一部分残留毛细孔中无水, 成为空孔。当内部HR 达到75%~80%时, 引起体积自收缩, 产生内部微裂缝, 成为孔隙的一部分。 2 影响孔隙的主要因素 2.1 水灰比W/ C 如果不计骨料中无孔隙, 则孔隙来源于水泥水化产物———凝胶体, 而毛细孔则存在于凝胶体, 则毛细孔率主要取决于W/C。由Powers 理论可知, 当水泥完全 min=0.42,考虑到模板、周围接触物的吸水, 实用应取水化时, α=1.0,( W/C) W/C>0.42。此时PC=8.1%, 若W/C=0.6 时, 毛细孔率PC=26%。W/C 越大毛细孔率也因之增大, 但W/C 不影响凝胶孔率( 0.26) 。 2.2 水泥浆体水化程度 随水化程度增加, 孔隙率逐渐减少。由Powers 公式可知,当水程度达到50%时, 即α=0.5, 相同W/C 时, PC=26%, 完全水化α=1.0 时, 孔隙率只有8.1%。水化早期, C-S-H 从水泥颗粒表面向周围有水的空间扩展, 此时水化产物C-S-H 具有很高的微隙率和粗大的孔隙。随水化发展, 后期水化产物C-S-H 主要在水化水泥颗粒周围发展, 形成更加密实的外壳, 孔隙率亦比早期水化物大为降低。
2.3 下列因素影响混凝土孔隙率 ( 1) 现场施工时向混凝土中随意加水, 当水泥用量C 不变时,W增大,W/C 也因之增大, 则孔隙率增大。所以混凝土施工最忌随意加水, 包括预拌混凝土坍落度损失, 现场临时加水, 用水稍多可能造成混凝土泌水离析, 内部出现较大孔隙。
( 2) 湿养护不及时不规范。混凝土在水化硬结需要一定水,水不足不能水化反应, 当混凝土内部相对温度小于80%水化将 终止。成型后混凝土周围模板接触土壤、垫层都会吸收水, 而板类表面会因失水收缩开裂。凡此失水混凝土表面部分, 水泥均不能充分水分密实较差, 水化水分不足还会留下一些孔隙。加强养护, 保持混凝土面层处于湿润状态, 及时补充失去的水分,对保证充分水化反应, 增加混凝土水泥浆体的密实性, 减少孔隙率, 保证混凝土的质量十分必要。 ( 3) 振捣好坏极关混凝土的密实程度: 混凝土在浇筑成型时内部存在混入空气、多余的水占据很大空间, 振捣迫使骨料流动性增高, 挤出空气, 排出多余水, 从而使混凝土密实性提高, 孔隙率大为降低。未化合的多余水, 硬性后就残留在 3/5页 混凝土内部, 水分蒸发后会形成各种大小的毛细孔及气孔。相反, 振捣愈密实, 毛细孔气孔愈少, 孔隙率降低。振捣不实混凝土内部还会出现蜂窝状孔洞, 过振又会出现泌水离析, 增加孔洞, 或在石子、钢筋下部出现泌水区, 造成局部孔隙增多。 2.4 控制孔隙率应从混凝土配合比选择作起粗骨料, 细骨料, 水泥及水的用量应搭配合理。水泥用量过多, 水化时会产生很大热量, 硬结过程收缩增大, 甚至会造成混凝土开裂。水是混凝土形成的必要条件, 但过量的水对混凝土毫无益处, 未水化的水蒸发后会留下极多孔隙,W/C 越大内部孔隙越多, 孔隙率增高。理论分析水泥完全水化时W/C=0.36,由于施工过程中各种水的损失,( W/C) min=0.42, 在满足工作性能条件下,W/C 愈小愈有利。水泥浆料以充满并包裹粗细骨料的孔
隙及包围颗粒表面。砂石骨料级配应合理, 使其内部孔隙为最小, 相反砂石之间孔隙均会增加, 同时必然造成水泥浆料用量增大, 导致内部孔隙率提高。所以配合比选择合理性是提高密实程度, 降低孔隙率的基础条件。 2.5 碳化作用 已硬化的混凝土, 当空气中CO2 扩散进入会与水泥浆体起化学反应C3S2H 3CO2?3CaCO3 2SiO2 3H2O, Ca( OH) 2 CO2?CaCO3 2H2O, 这一反应产生不可逆收缩, 常在混凝土表面引起微裂缝, CaCO3 的向周围扩散, 加之碳化反应放出的水, 加速了水化, 使表面混凝土密实度提高, 孔隙率降低, 裂缝是有害的, 孔隙率 概而论之碳化害多益少( 如钢筋锈蚀等) 。 降低是有益, 2.6 外加剂是影响孔隙的基本因素 前面提到是只有粗、细骨料, 水泥和水四种材料的基本混凝土, 内部孔隙规律已作叙述。影响孔隙率的主要因素为W/C和α。降低W/C 始终是减少孔隙率的必要条件当W/C<0.42 水泥不能完全水化, 水化程度受到极大影响, 同时混凝土的工作度无法满足生产要求。解决的办法是科学的加入外加剂———矿物外加剂和化学外加剂( 只限减水剂) 。矿物外加剂, 也称矿物掺料。这是在普通混凝土中掺入的新的活性矿物粉料, 有的比水泥细度还细。目前常用的有硅粉、粉煤灰、矿渣粉及沸粉。混凝土中加入矿物掺料, 可降低水泥用量, 降低W/B( 水胶比) , 改变凝胶体的微观结构, 使C-S-H 分布逐于分散均匀, 质地愈加密实, 孔隙率可降低。这是因为这些掺料中均含有很多活性SiO2,同Ca( OH) 2 作用生成C-S-H, 使C-S-H 总量增多, 同时掺料的细度更细, 可起到颗粒充填作用, 使混凝土更为致密, 这主要取决于掺料中SiO2 含量多少。硅粉含活性SiO2 达85%~95%, 均径0.1 !m, 比表面积15~20 m2/g; 粉煤灰含SiO2, 45%~60%, 均径8~20 'm, 比表面积0.3~0.6 m2/g, 只有硅粉的1/4~1/5, 其活性远不及硅粉; 沸粉: 含65% SiO2, 比表面积0.4~0.7 m2/g; 矿渣粉, 抗硫酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矾土水泥、矿渣硅酸盐水泥
等对不同的腐蚀介质具有不同的抗腐蚀性能。如矾土水泥抗各
种化学腐蚀能力强、火山灰水泥具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能、
矿渣水泥有较强的抗海水侵蚀性能等[7]。在混凝土耐久性设计中,
应当选用与腐蚀环境相适应的水泥品种。 4/5页 2.3 添加钢筋阻锈剂 钢筋阻锈剂是掺入混凝土拌合物中, 通过化学反应, 抑制钢 筋表面阳极或阴极反应的一种外加剂, 主要用于预防盐类的侵蚀。
阻锈剂可分为粉剂型和水剂型, 使用方便, 无需专门维护, 费用比
较低廉, 其用量取决于结构服役年限、环境条件、混凝土质量。
2.4 采用环氧涂层钢筋 在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末, 形成具有一定厚度 的一层不渗透连续的绝缘层, 隔离钢筋与腐蚀介质的接触。美国公
路管理局从20 世纪70 年代就开始采用这种钢筋防止桥梁的钢筋
锈蚀。美国混凝土协会在1998~1999 年调查后确认, 环氧涂层钢筋
可延长结构使用寿命20 年左右[8]。我国也制定了JG3042—1997
《环氧树脂涂层钢筋产品标准》, 并在工程中推广使用。 使用环氧涂层钢筋应保证涂层应有最小厚度遮盖钢筋表 面缺陷, 但又不能太厚, 以免影响正常固化和混凝土的黏结作
用。这种钢筋在运输、加工、存放、绑扎、浇捣过程中要严防涂层
破坏, 注意保护涂层。 2.5 加强施工管理, 重视使用阶段的维护 对混凝土耐久性有重大影响的密实度、保护层厚度的变异 性, 在很大程度取决于施工质量。加强工程质量对提高耐久性
有重要作用。在结构的使用阶段, 应重视对结构的维护和管理,
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