摘要：大多數土壤中都含有一些硫酸鹽,若其硫酸鹽濃度低,則對混凝土不會產生顯著的影響;若硫酸鹽濃度高,則可對其建筑物或構筑物的地下部分,如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現而導致結構位移。例如,前東德Ｍａｇｄｅｂｕｒｇ城泉水的ＳＯ-24含量達2040ｍｇ/Ｌ,在4年內由于混凝土膨脹使Ｅｌｂｅ河橋樁升高8ｃｍ,造成嚴重開裂,導致拆除并重建這些橋樁。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產物喪失膠凝性,呈酥松狀或糊狀。
關鍵詞：隧道防腐 抗滲 支護 1．水泥混凝土防腐抗滲技術研究的進展 1．1 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術的基本情況及其進展 大多數土壤中都含有一些硫酸鹽,若其硫酸鹽濃度低,則對混凝土不會產生顯著的影響;若硫酸鹽濃度高,則可對其建筑物或構筑物的地下部分,如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現而導致結構位移。例如,前東德Ｍａｇｄｅｂｕｒｇ城泉水的ＳＯ-24含量達2040ｍｇ/Ｌ,在4年內由于混凝土膨脹使Ｅｌｂｅ河橋樁升高8ｃｍ,造成嚴重開裂,導致拆除并重建這些橋樁。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產物喪失膠凝性,呈酥松狀或糊狀。例如,加拿大西部大草原土壤含堿的硫酸鹽濃度高達1 5%(地下水經常含有硫酸鹽4000ｇｍ/Ｌ～9000ｍｇ/Ｌ),由于硫酸鹽侵蝕,混凝土呈多孔和酥松,最終成為無粘結力的物質。我國隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質環境。例如青藏鐵路要經過硫酸鹽濃度相當高的鹽湖地區,云貴高原的山地。雖然我國已有抗硫酸鹽水泥的標準,但對如何配制和澆筑抗硫酸鹽混凝土仍缺乏足夠的施工技術和經驗。 中國水科院西北科研所曾對不同品種水泥（及粉煤灰摻量）的抗硫酸鹽性能進行了對比性試驗（《西北水電》1994, NO1, p49）。試驗采用了被認為具有較高抗硫酸鹽性的4種水泥：抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽礦渣水泥，中熱硅酸鹽水泥，低熱微膨脹水泥。抗腐蝕性試驗采用GB749-65（慢蝕法）及GB2420-80（快蝕法），并采用抗蝕系數K進行抗硫酸鹽性能的評價。 甘肅省八盤峽水電站與中國水科院合作，于96年對該水電站大壩左平洞內的支護混凝土硫酸鹽腐蝕問題進行了現場試驗（《混凝土與水泥制品》1997, NO2, p10）。洞內地下水的SO-24 含量6000~15000mg/L，Mg+2含量900~2100mg/L，屬高濃度的硫酸鹽與鎂鹽綜合腐蝕環境。經材料對比性試驗及平洞內的現場澆筑混凝土驗證，與抗硫酸鹽水泥相比，采用低熱礦渣水泥配制的混凝土具有優良的抗硫酸鹽性能。 南京水科院于99年對新疆“635”水利樞紐發電引水豎井內支護混凝土的硫酸鹽腐蝕問題進行了試驗研究與現場換填混凝土施工（《水利水運工程學報》2002.3, NO1, p31）。豎井內地下水的SO-24 含量8645~12487mg/L，Mg+2含量2675mg/L，pH3~4,屬高濃度硫酸鎂腐蝕環境。換填混凝土采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和礦渣粉配料，豎井壁的支護混凝土按分段換填法施工。防滲砂漿采用丙烯酸乳液與砂組成的聚合物砂漿-----用于漏水孔縫的堵漏。該防腐堵漏工程完成2年后回訪，防腐堵漏效果顯著而無任何新的滲漏和腐蝕問題。 1．2水泥混凝土抗裂、抗滲技術的基本情況及進展。 建筑結構裂縫控制是個系統工程，近十年多來，我國工民建向長大化、復雜化發展，商品混凝土普及應用，混凝土強度等級從C30向C50發展，這些因素導致鋼筋混凝土結構開裂的機率增多。摻膨脹劑的補償收縮混凝土在防止和大大減輕混凝土開裂作出了積極貢獻。 經十多年來的開發應用，我國混凝土膨脹劑得到較廣泛的應用，累計總量約200萬噸，以膨脹劑平均摻量40kg/m3計，折合補償收縮混凝土近5000萬M3。其中UEA膨脹劑約占總量的80％左右。在各種抗裂防滲工程應用中總的效果是良好的。 膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。為減免收縮開裂，它可以應用于各種抗裂防滲混凝土，尤其適用于與防水有關的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結構工程。 選用膨脹劑時，首先檢驗它是否達到《混凝土膨脹劑》建材行業JC476-2001標準。我國膨脹劑有三種類型：硫鋁酸鈣類（如UEA、AEA、PNC、FS、PPT等）氧化鈣-硫鋁酸鈣類（如CEA）和氧化鈣類。由于鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O）的化學穩定性和耐水性優良，國內外絕大多數生產硫鋁酸鈣類膨脹劑。CaO水化生成Ca(OH)2可以產生膨脹，但Ca(OH)2在壓力水下易溶解，所以GBJ119規范中規定，含CaO膨脹劑不得使用在地下，海工等防水工程中，目前只有北京市有兩家生產CEA。用戶應根據不同性質的工程，選用恰當類型的膨脹劑。 2.混凝土結構裂縫產生的原因 結構裂縫產生的原因很復雜，根據國內外的調查資料［1］，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動荷載）的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20％；一種是結構因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機率約80％。
2.1材料缺陷
你好在變形裂縫中收縮裂縫占有80％的比例，從砼的性質來說大概有： 2.1.1 干燥收縮
你好研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100克水泥水化后的化學減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30升/m3之巨。這是砼抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當砼在干燥條件下，則蒸發水量達21升/m3。毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力，使砼產生“毛細收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1～0.2％；砼的干縮值為0.04～0.06％。而砼的極限拉伸值只有0.01～0.02％，故易引起干縮裂縫。
2.1.2 溫差收縮
你好水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250焦爾/克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當砼內外溫差10℃時，產生的冷縮值εc=△T／α=10/1×10-5=
0.01%，如溫差為20～30℃時，其冷縮值為0.02～0.03％，當其大于砼的極限拉伸值時，則引起結構開裂。
2.1.3塑性收縮
你好砼初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形，它發生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達1％左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時和養護不良的部位出現龜裂，寬度達1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環境溫度高，表面失水大等都能導致砼塑性收縮而發生表面開裂現象。
2.1.4自生收縮
你好密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生負壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）則不同，早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80％。而HPC結構致密，外界水很難滲入補充，在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01％，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02％。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發表面裂縫，隨后引發內部微裂縫，若砼變形受到約束，則進一步產生收縮裂縫。這是高標號砼容易開裂的主要原因之一。
2.1.5減水劑的影響
你好人們發現，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來，結構裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關外，人們忽視了減水劑引起的負面影響。例如過去干硬性及預制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加100～150mm，但是它與基準砼的收縮值相比，卻增加120～130％。所以，在《砼減水劑》規范GB138076-97中規定摻減水劑的砼與基準砼的收縮比≤135％。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說明商品砼澆筑的結構開裂機率大與減水劑帶來負面影響有關。其機理尚不清楚。
2.1.6 砼后期膨脹出現裂縫，主要是：
（1）水泥中游離CaO過高，Ca(OH)2體積膨脹所致；
（2）水泥中MgO過高，Mg(OH)2體積膨脹所致；
（3）水泥和外加劑堿含量過高，與集料中活性硅等發生堿-集料反應所致；
（4）有害離子Cl-、 、Mg++等侵入砼內部，導致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。
2.1.7 徐變
你好結構物在任意內應力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時間的延長而增加的現象稱為徐變變形。砼拉徐變時對抗裂有利，一般可以提高鋼筋砼極限拉伸值50％左右。而砼壓徐變很小，一般把收縮變形與徐變變形的計算一并加以考慮。
2.2設計問題
你好鋼筋砼結構是由砼和鋼筋共同承擔極限狀態的承載力，結構設計師根據地基情況，靜、動荷載、環境因素、結構耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國內外有關規范可知，對結構變形作用引起的裂縫問題，客觀上存在兩類學派：
你好第一類，設計規范規定很靈活，沒有驗算裂縫的明確規定，設計方法留給設計人員自由處理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的實際處理手法。
你好第二類，設計規范有明確規定，對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制。對于變形裂縫沒有計算規定，只按規范留伸縮縫，即留縫就不裂的設計原則。
你好大量工程實踐證明，留縫與否，并不是決定結構變形開裂與否的唯一條件，留縫不一定不裂，不留縫不一定裂，是否開裂與許多因素有關。我們認為，控制裂縫應該防患于未然，首先盡量預防有害裂縫，重點在防。我國結構工程向長大化、復雜化發展，砼設計強度等級向C40～C60發展，設計師多注重結構安全，而對變形裂縫控制考慮不周，這也是結構裂縫發生增多的原因之一。
2.3施工管理問題
你好砼配合比設計是否科學合理，水泥與外加劑是否相適應，砂石級配及其含泥量是否符合規范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質量及其收縮變形。砼澆筑震搗不均勻密實，施工縫和細部處理馬虎，會帶來結構開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時，則砼表面出現塑性裂縫，十分難看。邊墻拆摸板過早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內外溫差最大；砼易“感冒”開裂。
你好砼養護十分重要，但許多施工單位忽視這一環節，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養護不到位，容易產生收縮裂縫。某些露天構筑物盡管當地濕度很大，但由于吹風影響，加速了砼水分蒸發速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。從已建工程調查中發現，底板養護較好，出現裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80％，這與保溫保濕養護不足有很大關系。
你好除上述技術因素外，施工管理不嚴，趕進度，偷工減料，工人素質差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。
2.4對維護缺乏認識
你好我們發現不少結構是在澆筑完3～6月，甚至在1～2年內出現裂縫。除荷載問題外，主要是環境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時復土；上部結構不及時做好封閉；出入口長期敞開，屋面防水層破壞不及時修補等。這些與施工和業主對結構維護缺乏認識有關。鋼筋砼結構與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長結構更為明顯，所以，應重視已澆結構的保溫保濕維護工作。
3．水泥混凝土防腐抗滲的基本原理 3．1 水泥混凝土的特性 水泥混凝土既沒有鋼材那樣堅強，也沒有鋼材那樣剛韌，為什么它是應用最廣泛的工程材料呢？這有很多原因。首先，混凝土具有十分良好的抗水性。不象木材和普通鋼材那樣，混凝土能經受水的作用而不產生嚴重的變質，使它成為建造控制、貯蓄和運輸水的結構物的理想材料。在水壩、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界幾乎是到處可見。混凝土對一些具有侵蝕性水的耐受性，使得它的用途推廣到許多有害工業和自然環境中去。暴露于潮濕環境中的結構構件：如樁、基礎、地板、梁、柱、屋頂、外墻和路面，經常都用混凝土或鋼筋混凝土來制造。鋼筋混凝土在設計時，假定鋼筋和混凝土這兩種材料能共同承受力的作用。予應力混凝土是張拉混凝土中的鋼筋或鋼絲束，引入一定大小或—定分布的予應力，在一定的程度上抵消了由施加的荷載所產生的拉應力。可以肯定，極大數量的混凝土是用于制造鋼筋混凝土或者預應力混凝土構件的。 混凝土得到廣泛應用的第二個原因是，混凝土容易制得各式各樣大小不同的結構構件。這是因為新拌混凝土具有良好的塑性和稠度，可方便地填筑于預先制作好的模板中。幾小時之后，當混凝土已凝結硬化時，模板可移去留待重復使用。 工程師們對混凝土十分鐘愛的第三個原因，是因為它總是工程上最易得到，并且是最便宜的材料。制造混凝土的主要成分——波特蘭水泥和骨料——都相對地便宜，并在世界大多數地方較易獲得。與大多數其它工程材料相比，生產混凝土所需的能耗要小得多，而且大量的工業廢料可作為混凝土中膠凝材料或骨料的代用品。所以在將來，考慮到能源和資源保護，混凝土作為結構材料具有其不可替代的獨特優勢。 選用一種材料時，職業上的判斷不僅要考慮材料的強度、尺寸穩定性和彈性性質，而且要考慮材料的耐久性。因為耐久性對結構的維修和更新費用，有重大經濟意義。耐久性被定義為材料在給定的環境條件下的使用年限。一般，密實的或不透水的混凝土具有長期的耐久性。在希臘Rhode島上一個蓄水池內2700年齡期的混凝土及羅馬人建造的許多水硬性混凝土結構，都是混凝土在潮濕環境中仍然具有耐久性的極好例證。耐久性差的混凝土滲水性，不僅取決于它的配合比、搗實的程度和養護，而且取決于正常的溫度和濕度循環所造成的微裂紋。一般說來，混凝土的強度和耐久性之間有著密切的關系。 材料領域內的進展，主要在于認識了材料的各種性能是由其內部結構而決定的；換句話說，材料性能可以通過適當地改變材料的結構或構成而予以改性。雖然混凝土是應用最廣泛的結構材料，但其內部結構是不均勻的，而且高度復雜。混凝土的結構與性能的關系至今尚未很好闡明。混凝土不同于其它工程材科，其結構并不保持穩定(即其結構不是材料固有的特征)。這是因為，結構的兩個組分，即硬化水泥漿體和過渡區，隨時間、環境濕度和溫度的變化而變化。 理論上結構——性能的關系模型，一般對預測工程材料行為有較大幫助，而對混凝土則幾乎毫無用處，其主要理由在于混凝土結構的高度不均勻性和其動力學特性。有關混凝土各組分結構的重要特征方面的知識，對了解和控制復合材科的性質仍然是基本的。 骨料相最主要是對混凝土容重、彈性模量、尺寸穩定性起作用。這些混凝土性質在很大程度上取決于骨料的容重和強度，同時也取決于骨料結構的物理特性，而不是化學特性。換句話說，骨料相中的化學或礦物組成通常較之物理特性諸如體積、尺寸和孔分布等的重要性要小。 除孔隙率外，粗骨科的形狀和結構同樣也影響混凝土的性質。通常，天然礫石呈圓形，具有光滑的表面結構。破碎的巖石表面具有粗糙結構；粗糙度取決于巖石類型及所選擇的破碎設備。破碎的骨料可以含有相當數量的扁平和長條顆粒，這類顆粒對混凝土許多性質起不良影響。呈高度蜂窩狀的浮石輕骨料同樣呈多角形和粗糙結構，但陶粒或頁巖輕骨料通常呈圓形和光滑結構。 混凝土材料的非勻質及非等向性的程度，取決于原材料的均勻性、水泥骨料比和水灰比，以及攪拌、澆注、震搗和養護等施工操作工藝。此外，在硬化早期應力作用下，混凝土內部形成的微裂縫具有一定的方向性，對硬化后期的不同應力狀態、微裂縫的發展和變形將有不同的反應，這是混凝土的受力后非等向性。 3.2 復雜的微觀內應力(變形)狀態 如果將一塊混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂漿這兩種性質迥異的主要材料構成的非線性、三維實體結構物。在承受荷載之前和之后，都存在十分復雜的微觀應力(應變)場。這正是混凝土材性變化大和性能指標離散的主要原因。 在混凝土的凝固過程中，水泥的水化作用產生凝膠體，使水泥砂漿逐漸變稠、硬化,和粗骨料粘結成一整體。在此同時，混凝土因水分逐漸逸出而變干燥，水泥砂漿發生的收縮量遠大于粗骨料的收縮量。此收縮差使粗骨料受壓, 而砂漿受拉. 雖然任一截面上的應力合力為零，但局部的收縮應力值可能很大,以致在粗骨料界面上形成微裂縫。 同樣，由于粗骨科和硬化水泥漿間的線膨脹系數的差別，即使兩者的溫度變化相同，也因為變形的不一致、又相互約束而產生不均勻的三維應力場。更何況混凝土是熱情性材料(導熱系數A＝(0．81—1．86)w／m·K)，因為水化熱、環境溫度變化或事故(火)升溫等因素影響, 將使混凝土表層和內部形成較大的溫度差，內部的微觀溫度應力(應變)場更為復雜、變化大。 當結構承受外力的作用，即使局部混凝土的宏觀應力均勻，也會因為粗骨料的隨機排列和水泥砂漿的不規則形狀、兩者的彈性(或變形)模量和抗拉、壓強度的差別，以及粗骨料周邊的接觸狀況的不同而存在著不均勻的微觀應力場, 不僅主要截面，其它任何方向截面上的應力分布都不均勻。至于混凝土內存在的各種氣孔和縫隙，其尖端附近的局部應力集中區，微觀的應力變化大且應力值高，而進入塑性階段(可參考斷裂力學理論)。 所有這些都表明，從微觀上分析混凝土必然是一個非常復雜的、不確定的. 三維應力(變形)狀態，對于混凝土的開裂、裂縫發展、變形、極限強度和破壞形態等都有很大影響。 3.3 變形的多元組成 混凝土承受的應力作用或環境條件的變化都將發生相應的變形, 它們主要由三部分組成： 粗細骨料的彈性變形——占混凝土體積中絕大部分的砂石，本身的強度和彈性模量均高出混凝土的很多，在達到混凝土的最大應力(極限強度)時其變形一般仍在彈性范圍以內，即變形與應力值成正比，卸載后變形可全部恢復，不留殘余應變。 水泥凝膠體的粘性流動——水泥水化作用形成的凝膠體在數十年內還不是一種形狀絕對固定的材料(盡管其變形量很小)。在應力作用下，除了即時發生的變形外，還將隨時間的延續而發生緩慢、但逐漸收斂的粘性流動，使混凝土的變形不斷增長，從而構成塑性變形。當應力卸除后，即時恢復的變形有限，隨后恢復的變形雖在繼續,但始終仍存在較大的殘余變形。混凝土承受的應力越大．則塑性變形和殘余變形增加越多. 微裂縫的形成和擴展——拉應力作用下，在應力的垂直方向形成微裂縫，并迅速擴展，使拉應變大大增加。壓應力作用下, 在大致平行于應力方向形成縱向裂縫，穿過骨料界面和水泥砂漿，減弱了相鄰部分的聯系；裂縫端部的局部集中應力造成水泥砂漿的損傷．形成薄弱區，使縱向變形增大許多。在峰值應力后，雖然混凝土的應力減小，但變形將繼續增大。全部卸載后，這部分變形基本上不能恢復。 對于不同的材料和組成的混凝土，在不同的應力階段，這三部分變形所占的比例有很大變化。一般情況下，當應力水平較低時．骨料的彈性變形占主要成分；隨著應力的加大，水泥凝膠體的粘性流動變形逐漸增大；接近混凝土極限強度值時，裂縫變形才有明顯作用，但其變形值大，超過其它兩部分的變形，在峰值強度后的下降段，成為變形的主體。 在卸載過程中，骨料的彈性變形可全部恢復，而水泥凝膠體的粘性流動變形出現應變恢復滯后現象。全部卸載后的混凝土殘余變形則由裂縫變形和粘性流動變形組成。 此外，當混凝土剛開始承受應力時，骨料和水泥砂漿共同協調/分擔應力和變形。如果維持應力不變，由于水泥凝膠體的粘性流動變形隨時間的延續而增大，混凝土的總變形將隨之增加，在骨料和水泥砂漿間應力將會有相應的重分布。 3.4 應力狀態和途徑對力學性能的影響 混凝土單獨受拉強度和受壓強度的比值約為1；10，相應的峰值應變比值約為1：20，兩者的破壞機理和形態差別顯著。這與鋼、木等結構材料的拉、壓強度和變形接近相等的狀況形成鮮明的對比。這種基本拉壓狀態下力學性能的巨大差別，使得混凝土在多軸應力狀態下的強度、變形和破壞特征等隨主應力的拉、壓和應力比值的不同，而在很大幅度內變化。 至于更復雜的受力狀態，如不均勻受力(存在應變梯度)、荷載(應力)多次重復作用、邊界受有約束、達到相同應力值的途徑不同等等，因為變形組成的差別、內部微裂縫的方向性、損傷的積累等，而形成了混凝土不同的力學性能反應，并給混凝上帶來一些新的特點。 3.5 時間和環境條件對力學性能的影響 水泥與水產生的水化作用，從水泥顆粒的表層往內部慢慢深入發展，混凝土逐漸成熟，這一過程將持續數十年而不終止。在此期間, 混凝土周圍的環境條件既影響水泥水化作用的程度(即混凝土的成熟度)，又與混凝土材科發生多種物理的和化學的作用, 對混凝土的力學性能造成各種有利或不利的影響。 隨著混凝土齡期的增長，水泥凝膠體的粘結強度不斷增強、流動性不斷減弱，因而提高了混凝土的強度和彈性模量值。另一方面，混凝土在應力的長期作用下，由于水泥凝膠體發生持續的粘性流動和內部微裂縫的發展，其變形將隨時間而增大(徐變)．長期強度將有所降低。 周圍環境的溫度變化使混凝土內部形成不均勻溫度場，因而影響水泥的水化作用速度，產生溫度變形和內應力，甚至出現裂縫。環境的濕度影響混凝土內水分的遷移速度和數量、含水量分布、收縮變形和內應力狀態，以及微裂縫的出現。這些都將使混凝土的強度和變形發生相應的變化。、 大氣中的CO2氣體使混凝土表層碳化，碳化層隨時間而逐漸加厚；環境中的某些化學介質對混凝土有腐蝕作用等,都影響混凝土的微裂縫擴展、強度和耐久性。
混凝土材料特點，決定了其力學性能的復雜、多變和離散，再加上混凝土原材料的性質和配合比的差別, 更造成從微觀的定量理論分析來研究混凝土力學性能的困難。從結構工程的觀點，通常取尺度為≧70mm或3—4倍粗骨料粒徑的混凝土試件作為單元，看作是連續、等向的均質材料，且性能在短時間(小時級)內穩定，以其平均的強度、變形值以及宏觀的破壞形態作為研究的標準，并且用同樣尺度的試件進行力學性能測定，經過總結、分析后建立強度準則和本構關系，應用于實際工程具有足夠的準確度。 3．6 聚合物改性水泥混凝土的基本情況 將聚臺物乳液摻入新伴混凝土中，可使混凝土的性能得到明顯的改善，這類材料稱之為聚合物改性水泥混凝土。其英文縮寫為PMC(Polywer Modified Concrete)。 聚合物乳液改性水泥材料的第—項專利在1924年發表于Lefebure，從此，使用各種聚合物乳液改性砂漿和混凝土的研究及研制在很多國家積極地進行著。近些年聚合物改性砂漿和改性混凝土已廣泛地用作建筑材料，這是因為該種材料具有高的強度，其彎曲、粘接、防水、耐久性等都較好。 國內外用于水泥混凝土改性劑的聚合物品種繁多，基本上分為三種類型，即聚合物乳液、水溶性聚合物和液體樹脂。 用于改性水泥材料的聚合物乳液，大多數已經專門作為水泥材料的外加劑，如聚醋酸乙烯脂(PVAC)、丁苯膠乳(SBR) 、聚偏二氯乙烯(PVDC) 、丙烯酸和改性丙烯酸等。聚合物應是粉狀的或水分散體的形式，在分散相中，固體聚合物的顆粒應該是分散的、均勻的和穩定的，為此要采用合適的乳化劑和穩定劑(保護膠體)。20世紀30年代，首先使用的聚合物是天然橡膠漿，其后是聚醋酸乙烯乳液。70年代以后廣泛采用丁苯膠乳、氯丁膠乳、丙烯酸酯共聚乳液等。過去幾十年中用作改性水泥材料的聚合物見表2—2。 聚合物乳液做水泥材料改性劑時，可以部分地取代或全部取代拌合水。經過改性之后大部分砂漿的堿性與普通水泥砂漿的堿性一樣，具有保護鋼筋的作用，而且砂漿保護層厚度只需12—15MM。聚合物膠乳有如下幾個方面的特性： (1) 作為減水塑化刑，在保持砂漿和易性良好、收縮較小的情況下．可以降低水灰比； (2) 可以提高砂漿與老混凝土的粘結能力； (3) 提高修補砂漿對水、二氧化碳和油類物質的抗滲能力, 而且還能增強對一些化學物質侵蝕的抵抗能力； (4) 在一定程度上，可以用作養護劑； (5) 增加砂漿的抗彎、抗拉強度。 單體的類型、所用的乳化劑和保護膠體使得聚合物分散體具有不同的特性, 添加劑的影響及不同類型聚合物的影響．列于表2-3、2-4。 表2–2 聚 合 物 的 種類
表中：PVA—聚醋酸乙烯酯；PVP—聚丙酸乙烯酯；PVCO—丙酸乙酯氯乙烯共聚物；SBR—丁二烯–苯乙烯共聚物；AC—苯乙烯–丙烯酸共聚物。
表2-3 膠體及乳化劑的影響
表2-4 不同聚合物材料吸水性（DIN53-495）
當選擇聚合物做混凝土或砂漿的改性劑時，必須滿足很多要求，如:
(1)改善和易性和彈性；
(2)增加力學強度，尤其是彎曲強度，粘接強度和斷裂伸長率；
(3)減少收縮；
(4)提高抗磨性能；
(5)提高耐化學介質性能, 尤其是鹽、水和油；
(6)提高耐久性。
制備聚合物分散體系應盡量注意以下問題：
(1)對水泥的水化和膠結性能無不良影響i
(2)在水泥的堿性介質中不被水解或破壞；
(3)對鋼筋無銹蝕作用。
從聚合物的結構組成考慮，PVDC膠乳建議不要用作鋼筋混凝土的修補砂漿,因為其中的游離氯化物隨時間推移有可能釋放出來. PVAC共聚膠乳作為粘接劑廣泛用于建筑工程，但最好不要用在潮濕的條件下，因為在潮濕的堿性條件下，聚合物有可能分離而降低砂漿性能。 為使聚合物乳液具有對水泥水化產物中大量多價金屬離于的化學穩定性及對攪拌時產生的剪切力的機械穩定性，滿足施工和易性的要求，需要加入穩定劑、消泡劑等輔助材料，有的生產廠家巳將輔助材料預先加到乳液產品中。
4. 結束語
通過閱讀和查閱有關文獻資料，使我在較短的時間內對水泥混凝土有了較為清醒的認識。所閱讀文獻的相當一部分知識，是要在實際應用中才能充分體會和掌握的，因此，在閱讀的基礎上，尤其要堅持深入現場，敏于思考，慣于學習，才能繼續消化和鞏固所讀到的知識。同樣，必要的試驗也是推進研究工作進展的重要手段，只有把文獻閱讀和現場實驗工作有機結合起來，才能準確把握混凝土抗硫酸鹽侵蝕和控裂抗滲技術的要點，進而突破關鍵點，攻克難點。
關鍵詞：隧道防腐 抗滲 支護 1．水泥混凝土防腐抗滲技術研究的進展 1．1 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術的基本情況及其進展 大多數土壤中都含有一些硫酸鹽,若其硫酸鹽濃度低,則對混凝土不會產生顯著的影響;若硫酸鹽濃度高,則可對其建筑物或構筑物的地下部分,如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現而導致結構位移。例如,前東德Ｍａｇｄｅｂｕｒｇ城泉水的ＳＯ-24含量達2040ｍｇ/Ｌ,在4年內由于混凝土膨脹使Ｅｌｂｅ河橋樁升高8ｃｍ,造成嚴重開裂,導致拆除并重建這些橋樁。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產物喪失膠凝性,呈酥松狀或糊狀。例如,加拿大西部大草原土壤含堿的硫酸鹽濃度高達1 5%(地下水經常含有硫酸鹽4000ｇｍ/Ｌ～9000ｍｇ/Ｌ),由于硫酸鹽侵蝕,混凝土呈多孔和酥松,最終成為無粘結力的物質。我國隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質環境。例如青藏鐵路要經過硫酸鹽濃度相當高的鹽湖地區,云貴高原的山地。雖然我國已有抗硫酸鹽水泥的標準,但對如何配制和澆筑抗硫酸鹽混凝土仍缺乏足夠的施工技術和經驗。 中國水科院西北科研所曾對不同品種水泥（及粉煤灰摻量）的抗硫酸鹽性能進行了對比性試驗（《西北水電》1994, NO1, p49）。試驗采用了被認為具有較高抗硫酸鹽性的4種水泥：抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽礦渣水泥，中熱硅酸鹽水泥，低熱微膨脹水泥。抗腐蝕性試驗采用GB749-65（慢蝕法）及GB2420-80（快蝕法），并采用抗蝕系數K進行抗硫酸鹽性能的評價。 甘肅省八盤峽水電站與中國水科院合作，于96年對該水電站大壩左平洞內的支護混凝土硫酸鹽腐蝕問題進行了現場試驗（《混凝土與水泥制品》1997, NO2, p10）。洞內地下水的SO-24 含量6000~15000mg/L，Mg+2含量900~2100mg/L，屬高濃度的硫酸鹽與鎂鹽綜合腐蝕環境。經材料對比性試驗及平洞內的現場澆筑混凝土驗證，與抗硫酸鹽水泥相比，采用低熱礦渣水泥配制的混凝土具有優良的抗硫酸鹽性能。 南京水科院于99年對新疆“635”水利樞紐發電引水豎井內支護混凝土的硫酸鹽腐蝕問題進行了試驗研究與現場換填混凝土施工（《水利水運工程學報》2002.3, NO1, p31）。豎井內地下水的SO-24 含量8645~12487mg/L，Mg+2含量2675mg/L，pH3~4,屬高濃度硫酸鎂腐蝕環境。換填混凝土采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和礦渣粉配料，豎井壁的支護混凝土按分段換填法施工。防滲砂漿采用丙烯酸乳液與砂組成的聚合物砂漿-----用于漏水孔縫的堵漏。該防腐堵漏工程完成2年后回訪，防腐堵漏效果顯著而無任何新的滲漏和腐蝕問題。 1．2水泥混凝土抗裂、抗滲技術的基本情況及進展。 建筑結構裂縫控制是個系統工程，近十年多來，我國工民建向長大化、復雜化發展，商品混凝土普及應用，混凝土強度等級從C30向C50發展，這些因素導致鋼筋混凝土結構開裂的機率增多。摻膨脹劑的補償收縮混凝土在防止和大大減輕混凝土開裂作出了積極貢獻。 經十多年來的開發應用，我國混凝土膨脹劑得到較廣泛的應用，累計總量約200萬噸，以膨脹劑平均摻量40kg/m3計，折合補償收縮混凝土近5000萬M3。其中UEA膨脹劑約占總量的80％左右。在各種抗裂防滲工程應用中總的效果是良好的。 膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。為減免收縮開裂，它可以應用于各種抗裂防滲混凝土，尤其適用于與防水有關的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結構工程。 選用膨脹劑時，首先檢驗它是否達到《混凝土膨脹劑》建材行業JC476-2001標準。我國膨脹劑有三種類型：硫鋁酸鈣類（如UEA、AEA、PNC、FS、PPT等）氧化鈣-硫鋁酸鈣類（如CEA）和氧化鈣類。由于鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O）的化學穩定性和耐水性優良，國內外絕大多數生產硫鋁酸鈣類膨脹劑。CaO水化生成Ca(OH)2可以產生膨脹，但Ca(OH)2在壓力水下易溶解，所以GBJ119規范中規定，含CaO膨脹劑不得使用在地下，海工等防水工程中，目前只有北京市有兩家生產CEA。用戶應根據不同性質的工程，選用恰當類型的膨脹劑。 2.混凝土結構裂縫產生的原因 結構裂縫產生的原因很復雜，根據國內外的調查資料［1］，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動荷載）的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20％；一種是結構因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機率約80％。
2.1材料缺陷
你好在變形裂縫中收縮裂縫占有80％的比例，從砼的性質來說大概有： 2.1.1 干燥收縮
你好研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100克水泥水化后的化學減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30升/m3之巨。這是砼抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當砼在干燥條件下，則蒸發水量達21升/m3。毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力，使砼產生“毛細收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1～0.2％；砼的干縮值為0.04～0.06％。而砼的極限拉伸值只有0.01～0.02％，故易引起干縮裂縫。
2.1.2 溫差收縮
你好水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250焦爾/克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當砼內外溫差10℃時，產生的冷縮值εc=△T／α=10/1×10-5=
0.01%，如溫差為20～30℃時，其冷縮值為0.02～0.03％，當其大于砼的極限拉伸值時，則引起結構開裂。
2.1.3塑性收縮
你好砼初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形，它發生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達1％左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時和養護不良的部位出現龜裂，寬度達1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環境溫度高，表面失水大等都能導致砼塑性收縮而發生表面開裂現象。
2.1.4自生收縮
你好密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生負壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）則不同，早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80％。而HPC結構致密，外界水很難滲入補充，在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01％，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02％。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發表面裂縫，隨后引發內部微裂縫，若砼變形受到約束，則進一步產生收縮裂縫。這是高標號砼容易開裂的主要原因之一。
2.1.5減水劑的影響
你好人們發現，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來，結構裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關外，人們忽視了減水劑引起的負面影響。例如過去干硬性及預制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加100～150mm，但是它與基準砼的收縮值相比，卻增加120～130％。所以，在《砼減水劑》規范GB138076-97中規定摻減水劑的砼與基準砼的收縮比≤135％。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說明商品砼澆筑的結構開裂機率大與減水劑帶來負面影響有關。其機理尚不清楚。
2.1.6 砼后期膨脹出現裂縫，主要是：
（1）水泥中游離CaO過高，Ca(OH)2體積膨脹所致；
（2）水泥中MgO過高，Mg(OH)2體積膨脹所致；
（3）水泥和外加劑堿含量過高，與集料中活性硅等發生堿-集料反應所致；
（4）有害離子Cl-、 、Mg++等侵入砼內部，導致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。
2.1.7 徐變
你好結構物在任意內應力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時間的延長而增加的現象稱為徐變變形。砼拉徐變時對抗裂有利，一般可以提高鋼筋砼極限拉伸值50％左右。而砼壓徐變很小，一般把收縮變形與徐變變形的計算一并加以考慮。
2.2設計問題
你好鋼筋砼結構是由砼和鋼筋共同承擔極限狀態的承載力，結構設計師根據地基情況，靜、動荷載、環境因素、結構耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國內外有關規范可知，對結構變形作用引起的裂縫問題，客觀上存在兩類學派：
你好第一類，設計規范規定很靈活，沒有驗算裂縫的明確規定，設計方法留給設計人員自由處理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的實際處理手法。
你好第二類，設計規范有明確規定，對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制。對于變形裂縫沒有計算規定，只按規范留伸縮縫，即留縫就不裂的設計原則。
你好大量工程實踐證明，留縫與否，并不是決定結構變形開裂與否的唯一條件，留縫不一定不裂，不留縫不一定裂，是否開裂與許多因素有關。我們認為，控制裂縫應該防患于未然，首先盡量預防有害裂縫，重點在防。我國結構工程向長大化、復雜化發展，砼設計強度等級向C40～C60發展，設計師多注重結構安全，而對變形裂縫控制考慮不周，這也是結構裂縫發生增多的原因之一。
2.3施工管理問題
你好砼配合比設計是否科學合理，水泥與外加劑是否相適應，砂石級配及其含泥量是否符合規范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質量及其收縮變形。砼澆筑震搗不均勻密實，施工縫和細部處理馬虎，會帶來結構開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時，則砼表面出現塑性裂縫，十分難看。邊墻拆摸板過早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內外溫差最大；砼易“感冒”開裂。
你好砼養護十分重要，但許多施工單位忽視這一環節，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養護不到位，容易產生收縮裂縫。某些露天構筑物盡管當地濕度很大，但由于吹風影響，加速了砼水分蒸發速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。從已建工程調查中發現，底板養護較好，出現裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80％，這與保溫保濕養護不足有很大關系。
你好除上述技術因素外，施工管理不嚴，趕進度，偷工減料，工人素質差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。
2.4對維護缺乏認識
你好我們發現不少結構是在澆筑完3～6月，甚至在1～2年內出現裂縫。除荷載問題外，主要是環境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時復土；上部結構不及時做好封閉；出入口長期敞開，屋面防水層破壞不及時修補等。這些與施工和業主對結構維護缺乏認識有關。鋼筋砼結構與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長結構更為明顯，所以，應重視已澆結構的保溫保濕維護工作。
3．水泥混凝土防腐抗滲的基本原理 3．1 水泥混凝土的特性 水泥混凝土既沒有鋼材那樣堅強，也沒有鋼材那樣剛韌，為什么它是應用最廣泛的工程材料呢？這有很多原因。首先，混凝土具有十分良好的抗水性。不象木材和普通鋼材那樣，混凝土能經受水的作用而不產生嚴重的變質，使它成為建造控制、貯蓄和運輸水的結構物的理想材料。在水壩、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界幾乎是到處可見。混凝土對一些具有侵蝕性水的耐受性，使得它的用途推廣到許多有害工業和自然環境中去。暴露于潮濕環境中的結構構件：如樁、基礎、地板、梁、柱、屋頂、外墻和路面，經常都用混凝土或鋼筋混凝土來制造。鋼筋混凝土在設計時，假定鋼筋和混凝土這兩種材料能共同承受力的作用。予應力混凝土是張拉混凝土中的鋼筋或鋼絲束，引入一定大小或—定分布的予應力，在一定的程度上抵消了由施加的荷載所產生的拉應力。可以肯定，極大數量的混凝土是用于制造鋼筋混凝土或者預應力混凝土構件的。 混凝土得到廣泛應用的第二個原因是，混凝土容易制得各式各樣大小不同的結構構件。這是因為新拌混凝土具有良好的塑性和稠度，可方便地填筑于預先制作好的模板中。幾小時之后，當混凝土已凝結硬化時，模板可移去留待重復使用。 工程師們對混凝土十分鐘愛的第三個原因，是因為它總是工程上最易得到，并且是最便宜的材料。制造混凝土的主要成分——波特蘭水泥和骨料——都相對地便宜，并在世界大多數地方較易獲得。與大多數其它工程材料相比，生產混凝土所需的能耗要小得多，而且大量的工業廢料可作為混凝土中膠凝材料或骨料的代用品。所以在將來，考慮到能源和資源保護，混凝土作為結構材料具有其不可替代的獨特優勢。 選用一種材料時，職業上的判斷不僅要考慮材料的強度、尺寸穩定性和彈性性質，而且要考慮材料的耐久性。因為耐久性對結構的維修和更新費用，有重大經濟意義。耐久性被定義為材料在給定的環境條件下的使用年限。一般，密實的或不透水的混凝土具有長期的耐久性。在希臘Rhode島上一個蓄水池內2700年齡期的混凝土及羅馬人建造的許多水硬性混凝土結構，都是混凝土在潮濕環境中仍然具有耐久性的極好例證。耐久性差的混凝土滲水性，不僅取決于它的配合比、搗實的程度和養護，而且取決于正常的溫度和濕度循環所造成的微裂紋。一般說來，混凝土的強度和耐久性之間有著密切的關系。 材料領域內的進展，主要在于認識了材料的各種性能是由其內部結構而決定的；換句話說，材料性能可以通過適當地改變材料的結構或構成而予以改性。雖然混凝土是應用最廣泛的結構材料，但其內部結構是不均勻的，而且高度復雜。混凝土的結構與性能的關系至今尚未很好闡明。混凝土不同于其它工程材科，其結構并不保持穩定(即其結構不是材料固有的特征)。這是因為，結構的兩個組分，即硬化水泥漿體和過渡區，隨時間、環境濕度和溫度的變化而變化。 理論上結構——性能的關系模型，一般對預測工程材料行為有較大幫助，而對混凝土則幾乎毫無用處，其主要理由在于混凝土結構的高度不均勻性和其動力學特性。有關混凝土各組分結構的重要特征方面的知識，對了解和控制復合材科的性質仍然是基本的。 骨料相最主要是對混凝土容重、彈性模量、尺寸穩定性起作用。這些混凝土性質在很大程度上取決于骨料的容重和強度，同時也取決于骨料結構的物理特性，而不是化學特性。換句話說，骨料相中的化學或礦物組成通常較之物理特性諸如體積、尺寸和孔分布等的重要性要小。 除孔隙率外，粗骨科的形狀和結構同樣也影響混凝土的性質。通常，天然礫石呈圓形，具有光滑的表面結構。破碎的巖石表面具有粗糙結構；粗糙度取決于巖石類型及所選擇的破碎設備。破碎的骨料可以含有相當數量的扁平和長條顆粒，這類顆粒對混凝土許多性質起不良影響。呈高度蜂窩狀的浮石輕骨料同樣呈多角形和粗糙結構，但陶粒或頁巖輕骨料通常呈圓形和光滑結構。 混凝土材料的非勻質及非等向性的程度，取決于原材料的均勻性、水泥骨料比和水灰比，以及攪拌、澆注、震搗和養護等施工操作工藝。此外，在硬化早期應力作用下，混凝土內部形成的微裂縫具有一定的方向性，對硬化后期的不同應力狀態、微裂縫的發展和變形將有不同的反應，這是混凝土的受力后非等向性。 3.2 復雜的微觀內應力(變形)狀態 如果將一塊混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂漿這兩種性質迥異的主要材料構成的非線性、三維實體結構物。在承受荷載之前和之后，都存在十分復雜的微觀應力(應變)場。這正是混凝土材性變化大和性能指標離散的主要原因。 在混凝土的凝固過程中，水泥的水化作用產生凝膠體，使水泥砂漿逐漸變稠、硬化,和粗骨料粘結成一整體。在此同時，混凝土因水分逐漸逸出而變干燥，水泥砂漿發生的收縮量遠大于粗骨料的收縮量。此收縮差使粗骨料受壓, 而砂漿受拉. 雖然任一截面上的應力合力為零，但局部的收縮應力值可能很大,以致在粗骨料界面上形成微裂縫。 同樣，由于粗骨科和硬化水泥漿間的線膨脹系數的差別，即使兩者的溫度變化相同，也因為變形的不一致、又相互約束而產生不均勻的三維應力場。更何況混凝土是熱情性材料(導熱系數A＝(0．81—1．86)w／m·K)，因為水化熱、環境溫度變化或事故(火)升溫等因素影響, 將使混凝土表層和內部形成較大的溫度差，內部的微觀溫度應力(應變)場更為復雜、變化大。 當結構承受外力的作用，即使局部混凝土的宏觀應力均勻，也會因為粗骨料的隨機排列和水泥砂漿的不規則形狀、兩者的彈性(或變形)模量和抗拉、壓強度的差別，以及粗骨料周邊的接觸狀況的不同而存在著不均勻的微觀應力場, 不僅主要截面，其它任何方向截面上的應力分布都不均勻。至于混凝土內存在的各種氣孔和縫隙，其尖端附近的局部應力集中區，微觀的應力變化大且應力值高，而進入塑性階段(可參考斷裂力學理論)。 所有這些都表明，從微觀上分析混凝土必然是一個非常復雜的、不確定的. 三維應力(變形)狀態，對于混凝土的開裂、裂縫發展、變形、極限強度和破壞形態等都有很大影響。 3.3 變形的多元組成 混凝土承受的應力作用或環境條件的變化都將發生相應的變形, 它們主要由三部分組成： 粗細骨料的彈性變形——占混凝土體積中絕大部分的砂石，本身的強度和彈性模量均高出混凝土的很多，在達到混凝土的最大應力(極限強度)時其變形一般仍在彈性范圍以內，即變形與應力值成正比，卸載后變形可全部恢復，不留殘余應變。 水泥凝膠體的粘性流動——水泥水化作用形成的凝膠體在數十年內還不是一種形狀絕對固定的材料(盡管其變形量很小)。在應力作用下，除了即時發生的變形外，還將隨時間的延續而發生緩慢、但逐漸收斂的粘性流動，使混凝土的變形不斷增長，從而構成塑性變形。當應力卸除后，即時恢復的變形有限，隨后恢復的變形雖在繼續,但始終仍存在較大的殘余變形。混凝土承受的應力越大．則塑性變形和殘余變形增加越多. 微裂縫的形成和擴展——拉應力作用下，在應力的垂直方向形成微裂縫，并迅速擴展，使拉應變大大增加。壓應力作用下, 在大致平行于應力方向形成縱向裂縫，穿過骨料界面和水泥砂漿，減弱了相鄰部分的聯系；裂縫端部的局部集中應力造成水泥砂漿的損傷．形成薄弱區，使縱向變形增大許多。在峰值應力后，雖然混凝土的應力減小，但變形將繼續增大。全部卸載后，這部分變形基本上不能恢復。 對于不同的材料和組成的混凝土，在不同的應力階段，這三部分變形所占的比例有很大變化。一般情況下，當應力水平較低時．骨料的彈性變形占主要成分；隨著應力的加大，水泥凝膠體的粘性流動變形逐漸增大；接近混凝土極限強度值時，裂縫變形才有明顯作用，但其變形值大，超過其它兩部分的變形，在峰值強度后的下降段，成為變形的主體。 在卸載過程中，骨料的彈性變形可全部恢復，而水泥凝膠體的粘性流動變形出現應變恢復滯后現象。全部卸載后的混凝土殘余變形則由裂縫變形和粘性流動變形組成。 此外，當混凝土剛開始承受應力時，骨料和水泥砂漿共同協調/分擔應力和變形。如果維持應力不變，由于水泥凝膠體的粘性流動變形隨時間的延續而增大，混凝土的總變形將隨之增加，在骨料和水泥砂漿間應力將會有相應的重分布。 3.4 應力狀態和途徑對力學性能的影響 混凝土單獨受拉強度和受壓強度的比值約為1；10，相應的峰值應變比值約為1：20，兩者的破壞機理和形態差別顯著。這與鋼、木等結構材料的拉、壓強度和變形接近相等的狀況形成鮮明的對比。這種基本拉壓狀態下力學性能的巨大差別，使得混凝土在多軸應力狀態下的強度、變形和破壞特征等隨主應力的拉、壓和應力比值的不同，而在很大幅度內變化。 至于更復雜的受力狀態，如不均勻受力(存在應變梯度)、荷載(應力)多次重復作用、邊界受有約束、達到相同應力值的途徑不同等等，因為變形組成的差別、內部微裂縫的方向性、損傷的積累等，而形成了混凝土不同的力學性能反應，并給混凝上帶來一些新的特點。 3.5 時間和環境條件對力學性能的影響 水泥與水產生的水化作用，從水泥顆粒的表層往內部慢慢深入發展，混凝土逐漸成熟，這一過程將持續數十年而不終止。在此期間, 混凝土周圍的環境條件既影響水泥水化作用的程度(即混凝土的成熟度)，又與混凝土材科發生多種物理的和化學的作用, 對混凝土的力學性能造成各種有利或不利的影響。 隨著混凝土齡期的增長，水泥凝膠體的粘結強度不斷增強、流動性不斷減弱，因而提高了混凝土的強度和彈性模量值。另一方面，混凝土在應力的長期作用下，由于水泥凝膠體發生持續的粘性流動和內部微裂縫的發展，其變形將隨時間而增大(徐變)．長期強度將有所降低。 周圍環境的溫度變化使混凝土內部形成不均勻溫度場，因而影響水泥的水化作用速度，產生溫度變形和內應力，甚至出現裂縫。環境的濕度影響混凝土內水分的遷移速度和數量、含水量分布、收縮變形和內應力狀態，以及微裂縫的出現。這些都將使混凝土的強度和變形發生相應的變化。、 大氣中的CO2氣體使混凝土表層碳化，碳化層隨時間而逐漸加厚；環境中的某些化學介質對混凝土有腐蝕作用等,都影響混凝土的微裂縫擴展、強度和耐久性。
混凝土材料特點，決定了其力學性能的復雜、多變和離散，再加上混凝土原材料的性質和配合比的差別, 更造成從微觀的定量理論分析來研究混凝土力學性能的困難。從結構工程的觀點，通常取尺度為≧70mm或3—4倍粗骨料粒徑的混凝土試件作為單元，看作是連續、等向的均質材料，且性能在短時間(小時級)內穩定，以其平均的強度、變形值以及宏觀的破壞形態作為研究的標準，并且用同樣尺度的試件進行力學性能測定，經過總結、分析后建立強度準則和本構關系，應用于實際工程具有足夠的準確度。 3．6 聚合物改性水泥混凝土的基本情況 將聚臺物乳液摻入新伴混凝土中，可使混凝土的性能得到明顯的改善，這類材料稱之為聚合物改性水泥混凝土。其英文縮寫為PMC(Polywer Modified Concrete)。 聚合物乳液改性水泥材料的第—項專利在1924年發表于Lefebure，從此，使用各種聚合物乳液改性砂漿和混凝土的研究及研制在很多國家積極地進行著。近些年聚合物改性砂漿和改性混凝土已廣泛地用作建筑材料，這是因為該種材料具有高的強度，其彎曲、粘接、防水、耐久性等都較好。 國內外用于水泥混凝土改性劑的聚合物品種繁多，基本上分為三種類型，即聚合物乳液、水溶性聚合物和液體樹脂。 用于改性水泥材料的聚合物乳液，大多數已經專門作為水泥材料的外加劑，如聚醋酸乙烯脂(PVAC)、丁苯膠乳(SBR) 、聚偏二氯乙烯(PVDC) 、丙烯酸和改性丙烯酸等。聚合物應是粉狀的或水分散體的形式，在分散相中，固體聚合物的顆粒應該是分散的、均勻的和穩定的，為此要采用合適的乳化劑和穩定劑(保護膠體)。20世紀30年代，首先使用的聚合物是天然橡膠漿，其后是聚醋酸乙烯乳液。70年代以后廣泛采用丁苯膠乳、氯丁膠乳、丙烯酸酯共聚乳液等。過去幾十年中用作改性水泥材料的聚合物見表2—2。 聚合物乳液做水泥材料改性劑時，可以部分地取代或全部取代拌合水。經過改性之后大部分砂漿的堿性與普通水泥砂漿的堿性一樣，具有保護鋼筋的作用，而且砂漿保護層厚度只需12—15MM。聚合物膠乳有如下幾個方面的特性： (1) 作為減水塑化刑，在保持砂漿和易性良好、收縮較小的情況下．可以降低水灰比； (2) 可以提高砂漿與老混凝土的粘結能力； (3) 提高修補砂漿對水、二氧化碳和油類物質的抗滲能力, 而且還能增強對一些化學物質侵蝕的抵抗能力； (4) 在一定程度上，可以用作養護劑； (5) 增加砂漿的抗彎、抗拉強度。 單體的類型、所用的乳化劑和保護膠體使得聚合物分散體具有不同的特性, 添加劑的影響及不同類型聚合物的影響．列于表2-3、2-4。 表2–2 聚 合 物 的 種類
| 年代 | 1960年以前 | 1960∼1970年 | 1970年以后 | ||
| 聚合物類別 | 第一代 | 第二代 | 第三代 | ||
| PVA | PVP | PVCO | SBR | AC | |
| 添加劑 | 保護性膠體 | 保護性膠體 | 保護性膠體（或）乳化膠 | 乳化膠 | |
| 特性 | 膠體分散體 | 乳化劑分散體 |
| 粒徑 耐水性 粘度 | 〈2毫米 較差 中高 | 〈0.1毫米 較好 低 |
| 聚合物分類 | 吸水率 |
| PVA PVP SBR AC | 35% 25% 12% 8% |
