水泥混凝土防腐抗渗的基本原理


一、水泥混凝土的特性

水泥混凝土既没有钢材那样坚强，也没有钢材那样刚韧，为什么它是应用最广泛的工程材料呢？主要原因如下：

（1）混凝土具有十分良好的抗水性

不像木材和普通钢材那样，混凝土能经受水的作用而不产生严重的变质，使它成为建造控制、贮蓄和运输水的结构物的理想材料。在水坝、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界几乎是到处可见。混凝土对一些具有侵蚀性水的耐受性，使得它的用途推广到许多有害工业和自然环境中去。暴露于潮湿环境中的结构构件：如桩、基础、地板、梁、柱、屋顶、外墙和路面，经常都用混凝土或钢筋混凝土来制造。钢筋混凝土在设计时，假定钢筋和混凝土这两种材料能共同承受力的作用。予应力混凝土是张拉混凝土中的钢筋或钢丝束，引入一定大小或—定分布的予应力，在一定的程度上抵消了由施加的荷载所产生的拉应力。可以肯定，极大数量的混凝土是用于制造钢筋混凝土或者预应力混凝土构件的。

（2）混凝土容易制得各式各样大小不同的结构构件

这是因为新拌混凝土具有良好的塑性和稠度，可方便地填筑于预先制作好的模板中。几小时之后，当混凝土已凝结硬化时，模板可移去留待重复使用。

（3）混凝土是工程上最易得到且最便宜的材料

制造混凝土的主要成分——波特兰水泥和骨料——都相对地便宜，并在世界大多数地方较易获得。与大多数其它工程材料相比，生产混凝土所需的能耗要小得多，而且大量的工业废料可作为混凝土中胶凝材料或骨料的代用品。所以在将来，考虑到能源和资源保护，混凝土作为结构材料具有其不可替代的独特优势。

选用一种材料时，职业上的判断不仅要考虑材料的强度、尺寸稳定性和弹性性质，而且要考虑材料的耐久性。因为耐久性对结构的维修和更新费用，有重大经济意义。耐久性被定义为材料在给定的环境条件下的使用年限。一般，密实的或不透水的混凝土具有长期的耐久性。在希腊Rhode岛上一个蓄水池内2700年龄期的混凝土及罗马人建造的许多水硬性混凝土结构，都是混凝土在潮湿环境中仍然具有耐久性的极好例证。耐久性差的混凝土渗水性，不仅取决于它的配合比、捣实的程度和养护，而且取决于正常的温度和湿度循环所造成的微裂纹。一般说来，混凝土的强度和耐久性之间有着密切的关系。材料领域内的进展，主要在于认识了材料的各种性能是由其内部结构而决定的；换句话说，材料性能可以通过适当地改变材料的结构或构成而予以改性。虽然混凝土是应用最广泛的结构材料，但其内部结构是不均匀的，而且高度复杂。混凝土的结构与性能的关系至今尚未很好阐明。

混凝土不同于其它工程材科，其结构并不保持稳定（即其结构不是材料固有的特征）。这是因为，结构的两个组分，即硬化水泥浆体和过渡区，随时间、环境湿度和温度的变化而变化。理论上结构——性能的关系模型，一般对预测工程材料行为有较大帮助，而对混凝土则几乎毫无用处，其主要理由在于混凝土结构的高度不均匀性和其动力学特性。有关混凝土各组分结构的重要特征方面的知识，对了解和控制复合材科的性质仍然是基本的。骨料相最主要是对混凝土容重、弹性模量、尺寸稳定性起作用。这些混凝土性质在很大程度上取决于骨料的容重和强度，同时也取决于骨料结构的物理特性，而不是化学特性。换句话说，骨料相中的化学或矿物组成通常较之物理特性诸如体积、尺寸和孔分布等的重要性要小。

除孔隙率外，粗骨科的形状和结构同样也影响混凝土的性质。通常，天然砾石呈圆形，具有光滑的表面结构。破碎的岩石表面具有粗糙结构；粗糙度取决于岩石类型及所选择的破碎设备。破碎的骨料可以含有相当数量的扁平和长条颗粒，这类颗粒对混凝土许多性质起不良影响。呈高度蜂窝状的浮石轻骨料同样呈多角形和粗糙结构，但陶粒或页岩轻骨料通常呈圆形和光滑结构。混凝土材料的非匀质及非等向性的程度，取决于原材料的均匀性、水泥骨料比和水灰比，以及搅拌、浇注、震捣和养护等施工操作工艺。此外，在硬化早期应力作用下，混凝土内部形成的微裂缝具有一定的方向性，对硬化后期的不同应力状态、微裂缝的发展和变形将有不同的反应，这是混凝土的受力后非等向性。


二、复杂的微观内应力（变形）状态

如果将一块混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂浆这两种性质迥异的主要材料构成的非线性、三维实体结构物。在承受荷载之前和之后，都存在十分复杂的微观应力（应变）场。这正是混凝土材性变化大和性能指标离散的主要原因。在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用产生凝胶体，使水泥砂浆逐渐变稠、硬化，和粗骨料粘结成一整体。

与此同时，混凝土因水分逐渐逸出而变干燥，水泥砂浆发生的收缩量远大于粗骨料的收缩量。此收缩差使粗骨料受压，而砂浆受拉。虽然任一截面上的应力合力为零，但局部的收缩应力值可能很大，以致在粗骨料界面上形成微裂缝。同样，由于粗骨科和硬化水泥浆间的线膨胀系数的差别，即使两者的温度变化相同，也因为变形的不一致、又相互约束而产生不均匀的三维应力场。更何况混凝土是热情性材料（导热系数A＝（0.81—1.86）w／m.K），因为水化热、环境温度变化或事故（火）升温等因素影响，将使混凝土表层和内部形成较大的温度差，内部的微观温度应力（应变）场更为复杂、变化大。当结构承受外力的作用，即使局部混凝土的宏观应力均匀，也会因为粗骨料的随机排列和水泥砂浆的不规则形状、两者的弹性（或变形）模量和抗拉、压强度的差别，以及粗骨料周边的接触状况的不同而存在着不均匀的微观应力场，不仅主要截面，其它任何方向截面上的应力分布都不均匀。

至于混凝土内存在的各种气孔和缝隙，其尖端附近的局部应力集中区，微观的应力变化大且应力值高，而进入塑性阶段（可参考断裂力学理论）。所有这些都表明，从微观上分析混凝土必然是一个非常复杂的、不确定的。三维应力（变形）状态，对于混凝土的开裂、裂缝发展、变形、极限强度和破坏形态等都有很大影响。


三、变形的多元组成

混凝土承受的应力作用或环境条件的变化都将发生相应的变形，它们主要由三部分组成：粗细骨料的弹性变形——占混凝土体积中绝大部分的砂石，本身的强度和弹性模量均高出混凝土的很多，在达到混凝土的最大应力（极限强度）时其变形一般仍在弹性范围以内，即变形与应力值成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余应变。水泥凝胶体的粘性流动——水泥水化作用形成的凝胶体在数十年内还不是一种形状绝对固定的材料（尽管其变形量很小）。在应力作用下，除了即时发生的变形外，还将随时间的延续而发生缓慢、但逐渐收敛的粘性流动，使混凝土的变形不断增长，从而构成塑性变形。当应力卸除后，即时恢复的变形有限，随后恢复的变形虽在继续，但始终仍存在较大的残余变形。混凝土承受的应力越大，则塑性变形和残余变形增加越多。

微裂缝的形成和扩展——拉应力作用下，在应力的垂直方向形成微裂缝，并迅速扩展，使拉应变大大增加。压应力作用下，在大致平行于应力方向形成纵向裂缝，穿过骨料界面和水泥砂浆，减弱了相邻部分的联系；裂缝端部的局部集中应力造成水泥砂浆的损伤。形成薄弱区，使纵向变形增大许多。在峰值应力后，虽然混凝土的应力减小，但变形将继续增大。全部卸载后，这部分变形基本上不能恢复。对于不同的材料和组成的混凝土，在不同的应力阶段，这三部分变形所占的比例有很大变化。

一般情况下，当应力水平较低时，骨料的弹性变形占主要成分；随着应力的加大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐增大；接近混凝土极限强度值时，裂缝变形才有明显作用，但其变形值大，超过其它两部分的变形，在峰值强度后的下降段，成为变形的主体。在卸载过程中，骨料的弹性变形可全部恢复，而水泥凝胶体的粘性流动变形出现应变恢复滞后现象。全部卸载后的混凝土残余变形则由裂缝变形和粘性流动变形组成。此外，当混凝土刚开始承受应力时，骨料和水泥砂浆共同协调/分担应力和变形。如果维持应力不变，由于水泥凝胶体的粘性流动变形随时间的延续而增大，混凝土的总变形将随之增加，在骨料和水泥砂浆间应力将会有相应的重分布。


四、应力状态和途径对力学性能的影响

混凝土单独受拉强度和受压强度的比值约为1；10，相应的峰值应变比值约为1：20，两者的破坏机理和形态差别显著。这与钢、木等结构材料的拉、压强度和变形接近相等的状况形成鲜明的对比。这种基本拉压状态下力学性能的巨大差别，使得混凝土在多轴应力状态下的强度、变形和破坏特征等随主应力的拉、压和应力比值的不同，而在很大幅度内变化。至于更复杂的受力状态，如不均匀受力（存在应变梯度）、荷载（应力）多次重复作用、边界受有约束、达到相同应力值的途径不同等等，因为变形组成的差别、内部微裂缝的方向性、损伤的积累等，而形成了混凝土不同的力学性能反应，并给混凝上带来一些新的特点。


五、时间和环境条件对力学性能的影响

水泥与水产生的水化作用，从水泥颗粒的表层往内部慢慢深入发展，混凝土逐渐成熟，这一过程将持续数十年而不终止。在此期间，混凝土周围的环境条件既影响水泥水化作用的程度（即混凝土的成熟度），又与混凝土材科发生多种物理的和化学的作用，对混凝土的力学性能造成各种有利或不利的影响。随着混凝土龄期的增长，水泥凝胶体的粘结强度不断增强、流动性不断减弱，因而提高了混凝土的强度和弹性模量值。另一方面，混凝土在应力的长期作用下，由于水泥凝胶体发生持续的粘性流动和内部微裂缝的发展，其变形将随时间而增大（徐变），长期强度将有所降低。周围环境的温度变化使混凝土内部形成不均匀温度场，因而影响水泥的水化作用速度，产生温度变形和内应力，甚至出现裂缝。环境的湿度影响混凝土内水分的迁移速度和数量、含水量分布、收缩变形和内应力状态，以及微裂缝的出现。这些都将使混凝土的强度和变形发生相应的变化。

大气中的CO2气体使混凝土表层碳化，碳化层随时间而逐渐加厚；环境中的某些化学介质对混凝土有腐蚀作用等，都影响混凝土的微裂缝扩展、强度和耐久性。混凝土材料特点，决定了其力学性能的复杂、多变和离散，再加上混凝土原材料的性质和配合比的差别，更造成从微观的定量理论分析来研究混凝土力学性能的困难。从结构工程的观点，通常取尺度为≧70mm或3—4倍粗骨料粒径的混凝土试件作为单元，看作是连续、等向的均质材料，且性能在短时间（小时级）内稳定，以其平均的强度、变形值以及宏观的破坏形态作为研究的标准，并且用同样尺度的试件进行力学性能测定，经过总结、分析后建立强度准则和本构关系，应用于实际工程具有足够的准确度。


六、聚合物改性水泥混凝土的基本情况

将聚台物乳液掺入新伴混凝土中，可使混凝土的性能得到明显的改善，这类材料称之为聚合物改性水泥混凝土。其英文缩写为PMC（PolywerModifiedConcrete）。聚合物乳液改性水泥材料的第—项专利在1924年发表于Lefebure，从此，使用各种聚合物乳液改性砂浆和混凝土的研究及研制在很多国家积极地进行着。近些年聚合物改性砂浆和改性混凝土已广泛地用作建筑材料，这是因为该种材料具有高的强度，其弯曲、粘接、防水、耐久性等都较好。

国内外用于水泥混凝土改性剂的聚合物品种繁多，基本上分为三种类型，即聚合物乳液、水溶性聚合物和液体树脂。用于改性水泥材料的聚合物乳液，大多数已经专门作为水泥材料的外加剂，如聚醋酸乙烯脂（PVAC）、丁苯胶乳（SBR）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、丙烯酸和改性丙烯酸等。聚合物应是粉状的或水分散体的形式，在分散相中，固体聚合物的颗粒应该是分散的、均匀的和稳定的，为此要采用合适的乳化剂和稳定剂（保护胶体）。

20世纪30年代，首先使用的聚合物是天然橡胶浆，其后是聚醋酸乙烯乳液。70年代以后广泛采用丁苯胶乳、氯丁胶乳、丙烯酸酯共聚乳液等。过去几十年中用作改性水泥材料的聚合物.聚合物乳液做水泥材料改性剂时，可以部分地取代或全部取代拌合水。经过改性之后大部分砂浆的碱性与普通水泥砂浆的碱性一样，具有保护钢筋的作用，而且砂浆保护层厚度只需12—15MM。

聚合物胶乳有如下几个方面的特性：
（1）作为减水塑化刑，在保持砂浆和易性良好、收缩较小的情况下。可以降低水灰比；
（2）可以提高砂浆与老混凝土的粘结能力；
（3）提高修补砂浆对水、二氧化碳和油类物质的抗渗能力，而且还能增强对一些化学物质侵蚀的抵抗能力；
（4）在一定程度上，可以用作养护剂；
（5）增加砂浆的抗弯、抗拉强度。

单体的类型、所用的乳化剂和保护胶体使得聚合物分散体具有不同的特性，添加剂的影响及不同类型聚合物的影响当选择聚合物做混凝土或砂浆的改性剂时，必须满足很多要求：
（1）改善和易性和弹性；
（2）增加力学强度，尤其是弯曲强度，粘接强度和断裂伸长率；
（3）减少收缩；
（4）提高抗磨性能；
（5）提高耐化学介质性能，尤其是盐、水和油；
（6）提高耐久性。

制备聚合物分散体系应尽量注意以下问题：
（1）对水泥的水化和胶结性能无不良影响i
（2）在水泥的碱性介质中不被水解或破坏；
（3）对钢筋无锈蚀作用。

从聚合物的结构组成考虑，PVDC胶乳建议不要用作钢筋混凝土的修补砂浆，因为其中的游离氯化物随时间推移有可能释放出来。PVAC共聚胶乳作为粘接剂广泛用于建筑工程，但最好不要用在潮湿的条件下，因为在潮湿的碱性条件下，聚合物有可能分离而降低砂浆性能。为使聚合物乳液具有对水泥水化产物中大量多价金属离于的化学稳定性及对搅拌时产生的剪切力的机械稳定性，满足施工和易性的要求，需要加入稳定剂、消泡剂等辅助材料，将辅助材料预先加到乳液产品中。

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