衡量混凝土結(jié)構(gòu)的好壞，有兩個比較重要的指標(biāo)，一個是混凝土的強(qiáng)度，一個是混凝土的耐久性。但是在實(shí)際的施工過程中，卻往往忽視了混凝土的耐久性的重要性。在各類建筑工程材料中，混凝土是用途最廣泛，也是用量最大的。一旦混凝土的耐久性不好，那么經(jīng)過長時間的使用后，混凝土的結(jié)構(gòu)會造成一定的損壞，也會形成巨大的維修成本。
混凝土是指由膠凝材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作集料;與水(加或不加膠凝材料和摻合料)按一定比例配合，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應(yīng)用于土木工程。混凝土材料是以“粗集料－細(xì)集料－膠凝材料－水”組成的復(fù)雜多相體系，所以混凝土的性質(zhì)與這幾種成分是分不開的，其中膠凝材料是其中的一項(xiàng)重要物質(zhì)，其常見的主要種類有石灰石粉、天然火山灰、粉煤灰、硅灰、礦渣及磷渣粉等，不同輔助膠凝材料在混凝土中的作用機(jī)理、特殊應(yīng)用以及對混凝土性能的具體影響。
(1)水泥強(qiáng)度。隨著城市化建設(shè)的水平越來越高，我們對混凝土的強(qiáng)度要求也越來越高，還實(shí)行了新的水泥標(biāo)準(zhǔn)，主要還是以提高C3S的含量作為重要指標(biāo)。國內(nèi)外的有關(guān)專家經(jīng)過對實(shí)際的調(diào)查后得出，混凝土結(jié)構(gòu)之所以產(chǎn)生開裂，而且數(shù)量逐年呈上升趨勢，一方面需要提高C3S的含量與細(xì)度。但是，這么做雖然可以在早期能提高混凝土的強(qiáng)度，卻與混凝土的耐久性沒有產(chǎn)生多大的影響。我們之后所研發(fā)的所謂的“三高”水泥:高細(xì)度、高C3S含量、高強(qiáng)度，并沒有抑制住混凝土產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象。我們所研發(fā)的“三高”水泥，在現(xiàn)代建筑工程中，搭配上混凝土的低水膠比、高水泥用量，不僅不能延緩混凝土的收縮速度，還使得混凝土的抵抗開裂性能變差，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不良。久而久之，并不利于混凝土的耐久性能的提高。
(2)水泥含堿量。通常，我們會從控制堿骨料反應(yīng)這一角度來提及對水泥含堿量的要求。但是，我們在實(shí)踐過程中卻發(fā)現(xiàn)，活性骨料是否存在，堿含量的多少首先就會影響混凝土的開裂程度，而并不是之前所指的堿骨料反應(yīng)。水泥中的含堿量越少，混凝土的收縮變形也就越小，當(dāng)達(dá)到一定的量后，水泥所具有的抗裂性也得到了顯著的增加。
要保證混凝土的耐久性，一個比較重要的條件就是，選用質(zhì)量合格的砂、石集料。之前，建筑工程中比較重視的是骨料的強(qiáng)度高低與含泥量的多少，而忽略了砂、石集料的形狀與級配，其實(shí)對混凝土的耐久性會產(chǎn)生不小的影響。如果砂、石集料的級配等級比較高，那么混凝土之間的孔隙率就會減小，混凝土的密實(shí)度會得到相應(yīng)的提高，另外，混凝土的收縮方面也會減緩;如果砂、石集料的級配等級比較低，那么混凝土之間的孔隙率就會加大，密實(shí)度降低，一些有害的物質(zhì)就會滲透入混凝土中，導(dǎo)致混凝土的耐久性降低。
當(dāng)砂、石集料的級配等級達(dá)到要求后，如果從影響混凝土強(qiáng)度的因素來進(jìn)行考慮，那么可以在要求的范圍內(nèi)盡可能地選擇比較大的顆粒;如果從影響混凝土耐久性的因素來進(jìn)行考慮，那么就應(yīng)該盡可能地選擇顆粒小一點(diǎn)的。
膠凝材料對混凝土耐久性產(chǎn)生的機(jī)理
對于混凝土耐久性的檢測中，一般選擇的試件達(dá)到28d齡期時，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，各組試驗(yàn)的坍落度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。通過以上的一些指標(biāo)來確定膠凝材料對混凝土耐久性產(chǎn)生的影響，從而對膠凝材料在耐久性中的影響機(jī)理進(jìn)行分析。
對于混凝土以水泥作為膠凝材料的，應(yīng)該嚴(yán)格控制水泥的使用量，水泥用量應(yīng)該在規(guī)范規(guī)定的最大使用量和最小使用量之間，不得超出這一范圍，否則會嚴(yán)重影響混凝土的凝固時間和強(qiáng)度等。控制水泥的最小用量是為了保證混凝土的密實(shí)性，控制水泥的最大用量是為了防止水泥的過量引起收縮和水化熱過大而產(chǎn)生裂縫。考慮到混凝土施工工作性的需要，水泥漿體積至少應(yīng)占25%，若使混凝土性能達(dá)最佳均衡水泥漿體積宜占35%。另外，水灰比過大，混凝土有孔隙，特別是毛細(xì)管空隙率增大會嚴(yán)重影響混凝土的耐久性;水灰比過小，拌和物過于干稠，在一定的施工振搗密實(shí)，出現(xiàn)較多蜂窩、孔洞，也會影響其耐久性。
混入的膠凝材料在材料分析中發(fā)現(xiàn)，影響了混凝土的電阻率和電荷轉(zhuǎn)移效果。混凝土電阻率和鋼筋鈍化膜破壞后的電荷轉(zhuǎn)移電阻隨粉煤灰和礦渣的含量提高產(chǎn)生的規(guī)律是先提高后降低的趨勢，而測試中電容大小在一定程度上與鋼筋的銹蝕面積成正相關(guān)，因此利用粉煤灰和礦渣取代部分水泥后，提高了混凝土的電阻率，并降低了鋼筋的銹蝕面積和腐蝕速率，但粉煤灰和礦渣的含量均不宜過高。對于粉煤灰混凝土試件，粉煤灰的摻量不宜高于30%，而對于礦渣混凝土試件，礦渣含量為50%時試件的腐蝕速率最低。
除了以上因素，對于混凝土耐久性的影響還有其他一些方面，如砂率過大時，骨料的總表面積及空隙率都會增大;砂率過小時，會引起粘聚性和保水性不良。二者均會造成混凝土拌和物的流動性減小，密實(shí)度降低，從而降低了耐久性。膠凝材料使用必須考慮其與水泥的相容性以及不同品種間的匹配，膠凝材料的摻量應(yīng)通過試驗(yàn)來確定，否則會給混凝土帶來負(fù)作用，影響其耐久性。
傳統(tǒng)的木質(zhì)素磺酸鹽類、萘磺酸縮合物及脂肪族類減水劑，由于其固有分子結(jié)構(gòu)的局限性，分散能力有限，減水率較低，即使提高摻量也難以滿足復(fù)雜組分、低水膠比條件下現(xiàn)代混凝土高流動性和流動性保持的要求。聚羧酸外加劑具有靈活的分子結(jié)構(gòu)，可設(shè)計性強(qiáng)，通過針對性的分子構(gòu)筑，實(shí)現(xiàn)高性能化與功能化，滿足現(xiàn)代混凝土不同的性能需求，從而提高工程質(zhì)量。
復(fù)雜組分的高效分散
常規(guī)的聚羧酸外加劑針對水泥特性進(jìn)行分子設(shè)計，其在水泥顆粒表面具有較強(qiáng)的吸附作用，但對于礦物摻合料卻吸附量較低，因而難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代混凝土大摻量工業(yè)廢渣體系的高效分散。脫硫石膏作為水泥調(diào)凝劑的大量使用，導(dǎo)致水泥水化漿體溶液中SO42-含量高，其與聚羧酸分子在水泥/水界面存在嚴(yán)重的競爭吸附作用，優(yōu)先于聚羧酸分子吸附到水泥顆粒表面，同時，高濃度SO42-導(dǎo)致溶液中聚羧酸分子的構(gòu)象由自由伸展型向卷曲線團(tuán)型變化，吸附基團(tuán)被包埋，從而導(dǎo)致聚羧酸的吸附量降低，劣化了聚羧酸外加劑的分散性能。低品位砂石集料中殘留的粘土與聚羧酸分子的聚醚（聚氧乙烯結(jié)構(gòu)）側(cè)鏈具有較強(qiáng)的氫鍵吸附作用，大量吸附聚羧酸外加劑，使得用于膠凝材料分散的聚羧酸大幅減少。這些因素均導(dǎo)致復(fù)雜組分的現(xiàn)代混凝土初始流動性降低，工作性差。
嚴(yán)酷、復(fù)雜環(huán)境條件下的施工對現(xiàn)代混凝土的流動性保持提出了更高的要求。如長距離運(yùn)輸、高溫環(huán)境施工要求混凝土流動性保持時間長達(dá)4h~5h，核電工程施工要求混凝土從初始至90min期間，坍落度均控制在120mm±20mm；低膠材、低砂率、高摻量磨細(xì)石英砂的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力（PHC）管樁為了實(shí)現(xiàn)自動布料，要求混凝土坍落度1h控制在180mm±20mm。采用復(fù)配緩凝組分的傳統(tǒng)方法，不僅增大混凝土泌水和干燥收縮，降低早期強(qiáng)度，而且保坍效果不明顯，無法滿足工程需求。
研究表明，聚羧酸外加劑對混凝土的分散保持性漿體溶液中殘留聚羧酸外加劑的濃度呈正相關(guān)。聚羧酸分子主鏈中吸附基團(tuán)越少、且吸附在水泥/水界面的分子側(cè)鏈越長、在堿性環(huán)境下主/側(cè)鏈橋接鍵越穩(wěn)定、水泥水化掩埋外加劑越少、提供的空間位阻作用越強(qiáng)，則分散保持性能越好。所以在聚羧酸分子中引入高穩(wěn)定型長聚醚側(cè)鏈，減少水化掩埋，提供持續(xù)高效的空間位阻作用。
根據(jù)Laplace方程，當(dāng)水泥石中孔隙液的表面張力因此在蒸發(fā)或者是消耗相同水分的條件下，使引起水泥石收縮的宏觀應(yīng)力下降，從而減小收縮。在混凝土中摻加減縮劑可以降低毛細(xì)孔或凝膠孔中液相的表面張力，從而降低毛細(xì)管負(fù)壓，是抑制混凝土殼體、薄壁結(jié)構(gòu)等大面積暴露結(jié)構(gòu)的收縮開裂的重要技術(shù)措施。傳統(tǒng)小分子減縮劑，存在分子量低易揮發(fā)、摻量高且降低后期強(qiáng)度、成本高等缺點(diǎn)。針對存在的問題，利用分子裁剪技術(shù)將具有減縮功能和提供空間位阻效應(yīng)的烷基聚醚接枝到聚羧酸外加劑分子主鏈中，開發(fā)了減縮型聚羧酸減水劑，由此實(shí)現(xiàn)了減縮與減水分散的統(tǒng)一。
本文通過對影響混凝土耐久性的外加劑的分析，提出了一些具體的措施，相信通過多方面的努力與配合，混凝土的耐久性會得到很大的提高，從而進(jìn)一步地延長混凝土的使用年限。
