混凝土的孔隙

引言

混凝土是由粗細(xì)骨料、水泥、水組成的一種復(fù)合材料, 就其本身而言又是一種微孔材料, 是工程界應(yīng)用最為廣泛的一種耐用材料?；炷脸е芽p工作, 工程上采用限制裂縫的辦法加以解決, 這樣講并不是說混凝土可以任意出現(xiàn)裂縫, 對裂縫孔隙應(yīng)予充分的注意。在大多數(shù)情況下裂縫、孔隙并不影響使

用, 但對外觀和耐久性極具影響。

1 混凝土的孔隙

混凝土的內(nèi)部孔隙是水泥硬結(jié)過程中形成的, 應(yīng)是混凝土的一種屬性?；炷?/span>土的孔隙是決定其屬性的決定性因素, 水泥水化硬結(jié)沒有孔隙是無法進(jìn)行的。混凝土硬結(jié)后的強(qiáng)度、變形、收縮、徐變、滲透、抗凍、遷移及各項(xiàng)侵蝕無不與孔隙密切相關(guān),可以說混凝土的內(nèi)部孔隙決定了混凝土的材性。 1.1 外部裂縫

規(guī)范允許混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫, 滿足規(guī)范要求不影響使用。施工過程造成的孔隙與裂縫, 振搗不實(shí), 養(yǎng)護(hù)不好, 泌水離析形成的孔隙, 選用砂石一類多孔骨料、支模變形, 沉陷裂縫, 失水收縮裂縫, 溫度變化裂縫, 自干燥與碳化裂縫, 配合比不合理與現(xiàn)場W/C 控制不當(dāng)增加孔隙, 以及保護(hù)不當(dāng)造成的凍裂等。

1.2 內(nèi)部孔隙

這是應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)論述的, 所謂混凝土性能決定于孔隙主要指存在于水泥漿體的內(nèi)部孔隙。孔隙的計(jì)算采用T?C?Poweros 簡易公式?；炷潦怯珊侠砑壟涞拇旨?xì)

骨料與加入水泥漿膠結(jié)而成。水泥漿料應(yīng)充滿砂石骨料的全部間隙并完好將其包裹。新攪拌的混凝土沒有孔隙, 它們完全被拌合水所充滿。當(dāng)水被水泥水化所利用和其他原因所蒸發(fā), 在內(nèi)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間的水分蒸發(fā)后殘留的空間。這一部分屬于毛細(xì)孔, 呈分布聯(lián)通的網(wǎng)狀, 能發(fā)生毛細(xì)作用, 孔徑在16~2.5 nm 之間變化; 另一部分為水泥礦物在與水發(fā)生化學(xué)物理作用, 要生成50%左右C-S-H, 通稱凝膠體。大量的微毛細(xì)孔,電鏡無法分辨, 孔徑約在2.5~0.5 nm, 甚至于小于0.5 nm, C-S-H體積中1/4 為孔隙。而C-S-H 又是決定混凝土( 水泥石) 性質(zhì)的決定因素, 這個(gè)孔隙率為T?C?Powers 公式計(jì)算所得。這是一個(gè)規(guī)律, 對各種水泥的C-S-H 都是不變的固定數(shù)值。第三種孔隙是由“壁壘”效力應(yīng)在局部引起的孔隙增大。水泥水化漿

接觸面處形成所謂界面過渡區(qū), 接觸面處水灰比增高, 體在遇到骨料、鋼筋等,

可引起局部泌水, 此處的毛細(xì)孔是連通的, 滲透性很高。由Powers 公式有: 水泥凝膠C-S-H 孔隙率PC=0.26; 毛細(xì)孔隙率PC=( W/C- 0.36α) /( W/C 0.32) 。Powers 也用膠空比反映毛細(xì)孔隙率PC= 凝膠體積( 含凝膠孔) /( 凝膠體積 毛細(xì)體積) =0.68α/[0.68α ( W/C- 0.36α) ]=0.68α/( 0.32α W/C) , 此式用于膠結(jié)材料, 即除水泥之外另加活性礦物成分, 如硅粉、粉煤灰??式中:

W/C———水灰比( 水膠比) ;

α———水化程度系數(shù), 完全水化α=1.0。

由上列二式可知, 當(dāng)α一定時(shí)決定孔隙、膠空比的唯一因素為W/C。

現(xiàn)在討論最小水灰比( W/C) min 的概念:

保證水泥漿體中水泥完全水化所需要的水, 即為( W/C) min。由PC= 毛細(xì)孔體積/ 水泥漿初始體積=( W/C- 0.36α) /( W/C 0.32) 可知, 當(dāng)PC=0, α=1 時(shí)可得出( W/C) min。分母部分不會(huì)等于零, 只有分子等于零。當(dāng)完全水化時(shí)α=1, 可得到W/C=0.36 此即完全水化所需的水灰比。但此時(shí)一點(diǎn)孔隙沒有( PC=0) 而形

成水泥水化產(chǎn)物必須形成一個(gè)飽和的凝膠孔。實(shí)際上, 水泥水化后漿體由水化產(chǎn)物( 凝膠體) 凝膠孔 毛細(xì)孔三部分組成。達(dá)到完全水化時(shí), 凝膠體( 水化產(chǎn)物) 所需水為0.24。凝膠孔為凝膠體固有部分, 不隨W/C大小而變化, 凝膠孔中固定了0.18 的水, 所以水泥達(dá)到完全水化時(shí)所需水量為0.24 0.18=0.42, 用水灰比表示( W/C) min=0.42,可以理解0.18 水是用于形成凝膠孔為水化反應(yīng)提供必須空間, 也即水化是在凝膠孔中進(jìn)行的。實(shí)際使用W/C>0.42,( 考慮模板等吸

水) , 多余水蒸發(fā)后就成為膠體中的毛細(xì)孔。一個(gè)主要特點(diǎn)凝膠孔率0.26( ?1/4) 為固定不變, 所以毛細(xì)孔只受W/C 的影響, 亦即W/C 愈大, 失水后在凝膠體( 水化產(chǎn)物) 中殘留的毛細(xì)孔率愈高。這是影響混凝土基本性質(zhì)的主要因素。

當(dāng)W/C<0.42 以后, 水泥不能完全水化, 膠體中存在一部分未被水化的水泥顆料, 而一部分殘留毛細(xì)孔中無水, 成為空孔。當(dāng)內(nèi)部HR 達(dá)到75%~80%時(shí), 引起體積自收縮, 產(chǎn)生內(nèi)部微裂縫, 成為孔隙的一部分。 2 影響孔隙的主要因素

2.1 水灰比W/ C

如果不計(jì)骨料中無孔隙, 則孔隙來源于水泥水化產(chǎn)物———凝膠體, 而毛細(xì)孔則存在于凝膠體, 則毛細(xì)孔率主要取決于W/C。由Powers 理論可知, 當(dāng)水泥完全

min=0.42,考慮到模板、周圍接觸物的吸水, 實(shí)用應(yīng)取水化時(shí), α=1.0,( W/C)

W/C>0.42。此時(shí)PC=8.1%, 若W/C=0.6 時(shí), 毛細(xì)孔率PC=26%。W/C 越大毛細(xì)孔率也因之增大, 但W/C 不影響凝膠孔率( 0.26) 。 2.2 水泥漿體水化程度

隨水化程度增加, 孔隙率逐漸減少。由Powers 公式可知,當(dāng)水程度達(dá)到50%時(shí), 即α=0.5, 相同W/C 時(shí), PC=26%, 完全水化α=1.0 時(shí), 孔隙率只有8.1%。水化早期, C-S-H 從水泥顆粒表面向周圍有水的空間擴(kuò)展, 此時(shí)水化產(chǎn)物C-S-H 具有很高的微隙率和粗大的孔隙。隨水化發(fā)展, 后期水化產(chǎn)物C-S-H 主要在水化水泥顆粒周圍發(fā)展, 形成更加密實(shí)的外殼, 孔隙率亦比早期水化物大為降低。

2.3 下列因素影響混凝土孔隙率

( 1) 現(xiàn)場施工時(shí)向混凝土中隨意加水, 當(dāng)水泥用量C 不變時(shí),W增大,W/C 也因之增大, 則孔隙率增大。所以混凝土施工最忌隨意加水, 包括預(yù)拌混凝土坍落度損失, 現(xiàn)場臨時(shí)加水, 用水稍多可能造成混凝土泌水離析, 內(nèi)部出現(xiàn)較大孔隙。

( 2) 濕養(yǎng)護(hù)不及時(shí)不規(guī)范。混凝土在水化硬結(jié)需要一定水,水不足不能水化反應(yīng), 當(dāng)混凝土內(nèi)部相對溫度小于80%水化將

終止。成型后混凝土周圍模板接觸土壤、墊層都會(huì)吸收水, 而板類表面會(huì)因失水收縮開裂。凡此失水混凝土表面部分, 水泥均不能充分水分密實(shí)較差, 水化水分不足還會(huì)留下一些孔隙。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù), 保持混凝土面層處于濕潤狀態(tài), 及時(shí)補(bǔ)充失去的水分,對保證充分水化反應(yīng), 增加混凝土水泥漿體的密實(shí)性, 減少孔隙率, 保證混凝土的質(zhì)量十分必要。

( 3) 振搗好壞極關(guān)混凝土的密實(shí)程度: 混凝土在澆筑成型時(shí)內(nèi)部存在混入空氣、多余的水占據(jù)很大空間, 振搗迫使骨料流動(dòng)性增高, 擠出空氣, 排出多余水, 從而使混凝土密實(shí)性提高, 孔隙率大為降低。未化合的多余水, 硬性后就殘留在

混凝土內(nèi)部, 水分蒸發(fā)后會(huì)形成各種大小的毛細(xì)孔及氣孔。相反, 振搗愈密實(shí), 毛細(xì)孔氣孔愈少, 孔隙率降低。振搗不實(shí)混凝土內(nèi)部還會(huì)出現(xiàn)蜂窩狀孔洞, 過振又會(huì)出現(xiàn)泌水離析, 增加孔洞, 或在石子、鋼筋下部出現(xiàn)泌水區(qū), 造成局部孔隙增多。

2.4 控制孔隙率應(yīng)從混凝土配合比選擇作起粗骨料, 細(xì)骨料, 水泥及水的用量應(yīng)搭配合理。水泥用量過多, 水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大熱量, 硬結(jié)過程收縮增大, 甚至會(huì)造成混凝土開裂。水是混凝土形成的必要條件, 但過量的水對混凝土毫無益處, 未水化的水蒸發(fā)后會(huì)留下極多孔隙,W/C 越大內(nèi)部孔隙越多, 孔隙率增高。理論分析水泥完全水化時(shí)W/C=0.36,由于施工過程中各種水的損失,( W/C) min=0.42,

在滿足工作性能條件下,W/C 愈小愈有利。水泥漿料以充滿并包裹粗細(xì)骨料的孔

隙及包圍顆粒表面。砂石骨料級配應(yīng)合理, 使其內(nèi)部孔隙為最小, 相反砂石之間孔隙均會(huì)增加, 同時(shí)必然造成水泥漿料用量增大, 導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率提高。所以配合比選擇合理性是提高密實(shí)程度, 降低孔隙率的基礎(chǔ)條件。 2.5 碳化作用

已硬化的混凝土, 當(dāng)空氣中CO2 擴(kuò)散進(jìn)入會(huì)與水泥漿體起化學(xué)反應(yīng)C3S2H 3CO2?3CaCO3 2SiO2 3H2O, Ca( OH) 2 CO2?CaCO3 2H2O, 這一反應(yīng)產(chǎn)生不可逆收縮, 常在混凝土表面引起微裂縫, CaCO3 的向周圍擴(kuò)散, 加之碳化反應(yīng)放出的水, 加速了水化, 使表面混凝土密實(shí)度提高, 孔隙率降低, 裂縫是有害的, 孔隙率

概而論之碳化害多益少( 如鋼筋銹蝕等) 。 降低是有益,

2.6 外加劑是影響孔隙的基本因素

前面提到是只有粗、細(xì)骨料, 水泥和水四種材料的基本混凝土, 內(nèi)部孔隙規(guī)律已作敘述。影響孔隙率的主要因素為W/C和α。降低W/C 始終是減少孔隙率的必要條件當(dāng)W/C<0.42 水泥不能完全水化, 水化程度受到極大影響, 同時(shí)混凝土的工作度無法滿足生產(chǎn)要求。解決的辦法是科學(xué)的加入外加劑———礦物外加劑和化學(xué)外加劑( 只限減水劑) 。礦物外加劑, 也稱礦物摻料。這是在普通混凝土中摻入的新的活性礦物粉料, 有的比水泥細(xì)度還細(xì)。目前常用的有硅粉、粉煤灰、礦渣粉及沸粉?；炷林屑尤氲V物摻料, 可降低水泥用量, 降低W/B( 水膠比) , 改變凝膠體的微觀結(jié)構(gòu), 使C-S-H 分布逐于分散均勻, 質(zhì)地愈加密實(shí), 孔隙率可降低。這是因?yàn)檫@些摻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 總量增多, 同時(shí)摻料的細(xì)度更細(xì), 可起到顆粒充填作用, 使混凝土更為致密, 這主要取決于摻料中SiO2 含量多少。硅粉含活性SiO2 達(dá)85%~95%, 均徑0.1 !m, 比表面積15~20 m2/g; 粉煤灰含SiO2, 45%~60%, 均徑8~20 'm, 比表面積0.3~0.6 m2/g, 只有硅粉的1/4~1/5, 其活性遠(yuǎn)不及硅粉; 沸粉: 含65% SiO2, 比表面積0.4~0.7 m2/g; 礦渣粉,

抗硫酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、礬土水泥、礦渣硅酸鹽水泥

等對不同的腐蝕介質(zhì)具有不同的抗腐蝕性能。如礬土水泥抗各

種化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)、火山灰水泥具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能、

礦渣水泥有較強(qiáng)的抗海水侵蝕性能等[7]。在混凝土耐久性設(shè)計(jì)中,

應(yīng)當(dāng)選用與腐蝕環(huán)境相適應(yīng)的水泥品種。

2.3 添加鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑是摻入混凝土拌合物中, 通過化學(xué)反應(yīng), 抑制鋼 筋表面陽極或陰極反應(yīng)的一種外加劑, 主要用于預(yù)防鹽類的侵蝕。

阻銹劑可分為粉劑型和水劑型, 使用方便, 無需專門維護(hù), 費(fèi)用比

較低廉, 其用量取決于結(jié)構(gòu)服役年限、環(huán)境條件、混凝土質(zhì)量。

2.4 采用環(huán)氧涂層鋼筋

在鋼筋表面靜電噴涂一層環(huán)氧樹脂粉末, 形成具有一定厚度 的一層不滲透連續(xù)的絕緣層, 隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸。美國公

路管理局從20 世紀(jì)70 年代就開始采用這種鋼筋防止橋梁的鋼筋

銹蝕。美國混凝土協(xié)會(huì)在1998~1999 年調(diào)查后確認(rèn), 環(huán)氧涂層鋼筋

可延長結(jié)構(gòu)使用壽命20 年左右[8]。我國也制定了JG3042—1997

《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》, 并在工程中推廣使用。

使用環(huán)氧涂層鋼筋應(yīng)保證涂層應(yīng)有最小厚度遮蓋鋼筋表

面缺陷, 但又不能太厚, 以免影響正常固化和混凝土的黏結(jié)作

用。這種鋼筋在運(yùn)輸、加工、存放、綁扎、澆搗過程中要嚴(yán)防涂層

破壞, 注意保護(hù)涂層。

2.5 加強(qiáng)施工管理, 重視使用階段的維護(hù)

對混凝土耐久性有重大影響的密實(shí)度、保護(hù)層厚度的變異 性, 在很大程度取決于施工質(zhì)量。加強(qiáng)工程質(zhì)量對提高耐久性

有重要作用。在結(jié)構(gòu)的使用階段, 應(yīng)重視對結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理,