荊可歆（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

水是混凝土的重要組成材料。水分從與水泥、砂、石按一定比例拌和成混凝土漿開始，到硬化混凝土完成結(jié)構(gòu)使命，直至完全破壞為止，水分在其中始終扮演著重要角色，發(fā)揮著重要作用。水使水泥水化成為凝膠體，并賦予混凝土拌合物澆注時(shí)的和易性；空隙水的含量對混凝土的長期強(qiáng)度有顯著影響；水也是混凝土發(fā)生收縮開裂的主要原因；一些有害介質(zhì)（如氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽等）是通過水滲入混凝土內(nèi)部造成其性能劣化，也可使混凝土中的鋼筋銹蝕，加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞；飽水混凝土在凍結(jié)時(shí)，孔隙水結(jié)冰對混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生凍融損害；水的存在也是混凝土碳化、堿骨料反應(yīng)的條件。本文討論水分對混凝土主要性能的影響。

1 混凝土中水的存在方式

硬化水泥石結(jié)構(gòu)中存在的水分有游離水、毛細(xì)孔水、凝膠水和結(jié)晶水四類。游離水存在于各種固體顆粒之間，賦予混凝土拌合物流動(dòng)性，提供混凝土中水泥水化、維持與外界使用環(huán)境濕度下相平衡的含水量，這些水分在負(fù)溫下可凍結(jié)。毛細(xì)孔水存在于毛細(xì)孔中，相對游離水容易保存，提供混水泥后期水化所需的水分。凝膠水存在于各種水化物中，如C-S-H凝膠水等，在自然條件下不結(jié)冰。結(jié)晶水是水化產(chǎn)物Ca(OH)2和鈣礬石等晶體中所存有的水分，也是不凍結(jié)水。

混凝土硬化后，多余的水分要么存在于內(nèi)部，要么蒸發(fā)出來。在混凝土體內(nèi)形成孔隙和毛細(xì)管通道，改變了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)?；炷羶?nèi)部的水分可與水泥進(jìn)行二次水化反應(yīng)，提高其密實(shí)程度。另外，當(dāng)混凝土表面的細(xì)微裂縫與水接觸，水與此處未水化的水泥顆粒水化或裸露的Ca(OH)2發(fā)生碳化形成CaCO3，從而使得裂縫自愈合。

2 水分在混凝土內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

由于水泥石中存在可溶性離子，所以混凝土中的水分不是純水，而是水溶液。含有侵蝕介質(zhì)的水溶液在混凝土內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜過程，總體有三種侵入方式：滲透、毛細(xì)吸附和擴(kuò)散。這三種方式所需的一個(gè)共同條件就是在混凝土孔隙里必須有水分存在。

3 水分對混凝土漿和易性的影響

水分對混凝土拌合物和易性的影響主要體現(xiàn)在單位用水量上。保持水灰比不變，單位用水量實(shí)際決定了水泥漿的數(shù)量多少。單位用水量少時(shí)，水泥漿數(shù)量少，集料顆粒之間缺少足夠的粘結(jié)物質(zhì)，混凝土拌合物的粘聚性較差，易出現(xiàn)混凝土拌合物的離析和崩塌現(xiàn)象，混凝土本身不易密實(shí)成型；單位用水量過多時(shí)，水泥漿數(shù)量過多，將會(huì)出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，混凝土拌合物的粘聚性和保水性常常隨之惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重的泌水、分層、流漿，致使混凝土拌合物產(chǎn)生離析。

試驗(yàn)表明，采用一定集料時(shí)，如果保持單位水量不變，在實(shí)用范圍內(nèi)，單位水泥用量增減不超過50～100kg，混凝土拌合物的坍落度可大致保持不變。這個(gè)規(guī)律即“李斯恒用水量定則”，它給混凝土配合比設(shè)計(jì)帶來方便，即通過固定單位用水量，混凝土拌合物的坍落度基本保持不變，在此條件下適當(dāng)變化水灰比，就可配制出不同強(qiáng)度而坍落度相近的混凝土。

在實(shí)際工程中，常常通過添加適當(dāng)?shù)耐饧觿﹣碚{(diào)節(jié)水分對混凝土拌合物和易性的影響。

4 水分對混凝土強(qiáng)度的影響

“水灰比定則”表明水泥強(qiáng)度和水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素。

僅從水灰比來看，水泥充分水化所需的水灰比在23%左右。但實(shí)際上，以這樣的水灰比拌制混凝土?xí)r，混合料過于干硬，即使在一定的振搗條件下也難以成型密實(shí)，混凝土存在較大的孔隙率，強(qiáng)度下降。所以常加入較多的水分以使混凝土拌合物獲得必要的流動(dòng)性。但當(dāng)用水量較大時(shí)，即使充分搗實(shí)的混凝土，也會(huì)由于硬化過程中部分水分的損失而形成了一些孔的結(jié)構(gòu)，并有部分水分殘留在混凝土中形成孔穴或蒸發(fā)后形成氣孔。它們大大減少了混凝土抵抗荷載的有效截面，且還有可能在孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低混凝土強(qiáng)度。

用水量過多，也容易導(dǎo)致水泥混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生，嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和耐久性。

5 水分對混凝土耐久性的影響

5.1 水分對混凝土的物理作用

1）氣蝕

在水工工程中，流動(dòng)的水會(huì)因氣蝕而對混凝土造成損壞。當(dāng)水流不穩(wěn)定并且與混凝土表面不成切面時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣蝕，致使混凝土表面反復(fù)不斷地遭受局部的高能量沖擊，這種沖擊壓力可高達(dá)700MPa，使混凝土表面出現(xiàn)孔狀剝落，造成表面粗糙而不均勻，并進(jìn)一步加劇混凝土的損壞。

2）液態(tài) — 固態(tài)轉(zhuǎn)化

混凝土內(nèi)部的水分結(jié)冰時(shí)體積膨脹達(dá)9%，因此，如果混凝土毛細(xì)孔水含量飽和或接近飽和時(shí)，發(fā)生冰凍后，孔壁將會(huì)受到很大的壓力而出現(xiàn)裂縫。經(jīng)多次凍融循環(huán)，這種應(yīng)力反復(fù)作用導(dǎo)致裂縫不斷的加劇擴(kuò)大和深入，混凝土便逐步破壞。

3）液態(tài) — 氣態(tài)轉(zhuǎn)化

在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，混凝土中的自由水、毛細(xì)孔水，甚至一部分結(jié)晶水都在高溫下由液態(tài)變成氣態(tài)，體積急劇增大。當(dāng)水蒸氣的壓力達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使混凝土發(fā)生爆炸；另外，當(dāng)建筑物內(nèi)外的溫度差和濕度差很大時(shí)，混凝土殼體的內(nèi)外層不斷發(fā)生液態(tài)水與氣態(tài)水的交換，使混凝土內(nèi)部形成更多的毛細(xì)管通道。

5.2 水分對混凝土的化學(xué)侵蝕作用

1）淡水侵蝕與酸性水侵蝕

在流動(dòng)淡水或有壓力淡水環(huán)境下，水泥石中的Ca(OH)2溶解度較其他水化物大，很容易被水溶解并帶走。隨著Ca(OH)2不斷被水溶解并帶走，混凝土孔隙率逐步增大，強(qiáng)度逐漸降低。后來堿性高的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石等晶體也相繼分解，直至水泥石崩裂破壞。

當(dāng)水溶液中有一些酸類時(shí)，他們在水中完全或部分分解成H+離子和酸根R-離子。H+離子和水泥石中Ca(OH)2的OH-離子結(jié)合成H2O，Ca2+酸根R-離子結(jié)合形成鈣鹽CaR2，消耗了水泥石中的Ca(OH)2，也會(huì)導(dǎo)致其他水化產(chǎn)物的分解。

2）混凝土堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)是混凝土原材料中的堿（Na2O或K2O）與骨料中的活性成分反應(yīng)，在混凝土澆筑成型后若干年（數(shù)年至幾十年）逐漸反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，膨脹開裂，導(dǎo)致混凝土失去設(shè)計(jì)性能。堿骨料反應(yīng)包括堿與二氧化硅或堿與碳酸鹽的反應(yīng)。

在堿與二氧化硅的反應(yīng)中，生成具有膠凝能力的凝膠，它吸收大量的水分導(dǎo)致凝膠膨脹，混凝土開裂。

2ROH+nSiO2—R2O·nSiO2·H2O

在堿與碳酸鹽（含有少量黏土白云石）的反應(yīng)中，反應(yīng)生成物與水泥石中的Mg(OH)2繼續(xù)反應(yīng)生成ROH，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行。反應(yīng)本身體積并不膨脹，而是碳酸鹽包裹的黏土暴露出來吸收水分，導(dǎo)致膨脹破壞的。

CaCO3·MgCO3+2ROH—Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3

R2CO3+Ca(OH)2—2ROH+CaCO3

在混凝土結(jié)構(gòu)工作過程中沒有水的條件下，則沒有堿骨料反應(yīng)的環(huán)境。即使這種反應(yīng)已經(jīng)發(fā)展到對混凝土造成傷害，但只要維持混凝土的干燥，就可將該反應(yīng)中止。

3）硫酸鹽侵蝕

大氣中、水中或土壤中都可能含有硫酸鹽類物質(zhì)。硫酸鹽對水泥混凝土的腐蝕，主要是溶液中的SO42-和水泥石中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成體積劇烈膨脹的鈣礬石，導(dǎo)致混凝土開裂的過程。在這個(gè)其中，水分仍然是反應(yīng)的主要成分和載體。

4）水分對混凝土中鋼筋的銹蝕作用

（1）水分對鋼筋的銹蝕作用

研究混凝土耐久性時(shí)，鋼筋銹蝕是一個(gè)主要方面，其受很多因素的影響，其中混凝土中的水分是一個(gè)很重要的因素。

鋼筋銹蝕只有在水和氧都存在的條件下才能發(fā)生。鋼筋開始銹蝕時(shí)，電子從陽極區(qū)域的鐵分子中脫離，向陰極移動(dòng)；氧與水反應(yīng)形成的氫氧根離子（OH-）與鐵離子（Fe2+）生成氫氧化亞鐵，再進(jìn)一步形成氫氧化鐵，最后生成鐵銹。

陽極：Fe—2e-+Fe2+

陰極：O2+2H2O+2e-—4OH-

從上述反應(yīng)可看出，水直接參與了鋼筋的銹蝕反應(yīng)，是反應(yīng)物之一；另外，水是電子從陽極移動(dòng)到陰極的載體。所以，水是鋼筋銹蝕的必要條件。

如果攜帶氯離子的水分進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，當(dāng)鋼筋表面的氯離子濃度達(dá)到一定程度時(shí)，孔隙中的含有鹽類的水就會(huì)起到電極的作用而引發(fā)鋼筋銹蝕。

Fe2++2Cl-+4H2O—FeCl2·4H2O

FeCl2·4H2O—Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O

在富氧條件下，F(xiàn)e(OH)2進(jìn)一步被氧化成Fe(OH)3

Fe(OH)2+2H2O+2O2—Fe(OH)3

水是該過程中形成電化學(xué)電池不可缺少的物質(zhì)。若混凝土結(jié)構(gòu)處于完全干燥環(huán)境中，即使鋼筋表面氯離子濃度較高，鋼筋也很難開始銹蝕。

（2）水分對鋼筋的銹蝕速率的影響

混凝土中的水分對鋼筋銹蝕有雙重作用：一方面影響混凝土中氧氣的擴(kuò)散速度，另一方面則影響混凝土的電導(dǎo)率。水分越多，混凝土的導(dǎo)電性越好，鋼筋的電化學(xué)銹蝕就越快。大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于干燥環(huán)境下，服役幾十年也不會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕。而當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于濕度較大的環(huán)境下，尤其是處于干濕交替的環(huán)境或漏雨、滲水部位，鋼筋銹蝕一般較快。

6 結(jié)語

水是混凝土重要的組成成分。它是水泥水化的反應(yīng)物，并生成產(chǎn)生強(qiáng)度的水化物；它賦予新拌混凝土漿施工和易性，養(yǎng)護(hù)時(shí)也確保了混凝土的正常硬化。硬化混凝土特殊的微觀結(jié)構(gòu)是水分可以在其內(nèi)部自由移動(dòng)，同時(shí)也導(dǎo)致有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部并擴(kuò)散，給碳化、凍融循環(huán)、堿骨料反應(yīng)、水泥石腐蝕以及鋼筋銹蝕提供了反應(yīng)條件和環(huán)境，并成為載體。充分認(rèn)識(shí)這些問題，對于提高或改善混凝土性能，在一定條件下盡量避免水分對混凝土的破壞會(huì)有幫助。正確把握水分對混凝土主要性能的影響，對于提高混凝土的使用性能和延長使用壽命都具有重要意義。

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