混凝土耐久性能优化方法研究进展
(1. 天津大学建筑工程学院, 天津 300072
2. 天津市城市道路设施巡查中心, 天津 300190
3. 新疆工业学院水利水电学院, 和田 848023)
摘要: 在长期服役过程中, 混凝土在冻融循环、氯盐侵蚀、碳化、硫酸盐侵蚀及干湿交替等因素作用下, 易发生微观孔结构劣化、微裂缝扩展及钢筋锈蚀等内部损伤, 进而引发开裂剥落、强度下降等宏观病害, 最终导致混凝土结构承载力与使用寿命衰减, 显著增加后期维护成本与碳排放。因此, 提高混凝土耐久性对于保障工程结构的安全性与可持续性具有重要意义。提升混凝土耐久性的关键在于材料本征性能调控, 通过优化原材料组成与配合比、合理使用矿物掺合料、化学外加剂、改性纤维、纳米填料, 可有效改善水化产物与孔隙结构特征, 促进基体致密化, 降低传输性能, 增强材料对环境因素导致劣化的抵抗能力。本文系统梳理了近年来混凝土耐久性提升的研究进展, 重点评述材料组成优化、微结构调控机制及其与耐久性能之间的内在关联, 分析不同改性策略在延缓侵蚀与抑制劣化方面的作用机理, 为完善混凝土耐久性提升理论体系与工程应用提供参考。
引用格式: 董朔, 邢墨非, 王欣悦. 混凝土耐久性能优化方法研究进展[J]. 工程材料与结构, 2026, 5(1): 33-51.
文章类型: 综 述
收稿日期: 2026-03-02
接收日期: 2026-03-16
出版日期: 2026-03-28
1 引言
从高层建筑、海洋工程结构、跨海桥梁、寒区交通基础设施到大型水工构筑物，几乎所有处于复杂服役环境中的重大工程均离不开混凝土材料[1,2]尽管近年来钢结构、复合材料及高分子材料等新型工程材料不断发展，但混凝土凭借原材料来源广泛、成本相对低廉、施工工艺成熟以及可塑性强等优势，在未来相当长时期内仍将是最重要且不可或缺的结构材料[3]。
混凝土结构在实际服役过程中往往长期处于氯盐侵蚀、碳化作用、硫酸盐侵蚀、冻融循环、干湿交替以及荷载与环境耦合作用等复杂且严苛的环境条件之下，这些因素会引发材料内部孔结构劣化、界面过渡区弱化以及钢筋锈蚀等一系列连锁反应[4,5]。耐久性不足不仅会导致开裂、剥落、强度衰减和承载能力下降，还可能诱发结构安全事故，严重威胁公共安全与工程稳定运行[6]。同时，频繁的维修与加固措施显著增加了全寿命周期成本，并带来大量资源消耗与碳排放，进一步加剧环境压力[7]。从可持续发展的角度来看，单纯依赖提高初始强度已难以满足长期服役需求，必须将耐久性作为结构设计与材料研发的核心目标之一[8]。系统提升混凝土耐久性，不仅能够延长结构使用寿命、降低维护频率和经济投入，还可减少材料消耗与碳排放，对实现基础设施绿色化与低碳化具有深远意义[9]。
围绕混凝土耐久性提升，现有技术路径可从材料调控、结构优化与外部防护等多个层面进行。从根本机理与长期有效性来看，材料层面的本征性能提升是决定结构耐久性的核心与基础[10]。通过对原材料组成与配合比进行系统优化，例如降低水胶比、合理引入粉煤灰、矿渣与硅灰等矿物掺合料、采用高效减水剂以改善工作性并减少孔隙生成，可在源头上调控水化反应过程与孔结构演化，实现基体致密化与传输性能降低，从而显著提升抗渗、抗氯离子侵入及抗碳化能力[11-13]。进一步地，纳米材料与功能性外加剂的引入为微结构精细化调控提供了新的技术路径，通过成核效应、填充效应与界面增强作用等优化水化产物形貌与分布，强化界面过渡区结构，实现从纳米尺度到宏观尺度的多级协同致密化与力学性能提升[14,15]。
基于上述背景，本文系统梳理了近年来混凝土耐久性提升领域的关键研究进展，重点围绕材料组成优化、微结构调控机制以及多尺度性能响应之间的内在关联展开评述。通过整合传输性能指标与微观结构表征结果，分析不同改性策略在抑制劣化机理、延缓侵蚀进程方面的作用机制，旨在为完善混凝土耐久性提升理论体系提供参考。
2 混凝土的耐久性指标
混凝土耐久性是指混凝土在实际工作条件下抵抗各种内外部破坏因素的作用，并长期保持强度和外观完整性的能力。根据相关规定和研究，将现有的混凝土耐久性指标概括为:抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性和抗碱骨料反应能力四大类[16-19]。
2.1 抗渗性
混凝土抗渗性是指混凝土抵抗液体(主要是水)在压力或浓度梯度作用下渗入其内部的能力，其本质取决于材料内部孔隙结构的致密程度与连通特征[20]。混凝土孔径分布与演化是决定其抗渗性的重要因素。在混凝土水化前，内部连通孔隙较多，渗透性较高;随着水化过程不断进行，C-S-H凝胶不断生成，混凝土内部大孔体积逐渐降低，小孔体积逐渐上升，内部孔隙结构逐渐细化，渗透性迅速降低;水化完成后与服役阶段，混凝土内部矿物掺合料进行二次水化进一步填充微观孔隙，使混凝土结构进一步密实。混凝土内部孔隙主要包括凝胶孔、毛细孔及局部缺陷孔，其中毛细孔及其连通性是控制液体渗透行为的关键因素。当毛细孔数量较多、孔径较大且相互贯通时，水及其所携带的氯离子、硫酸根等有害介质易沿孔隙网络向内部迁移，从而加速混凝土劣化过程[21]，机理如下图1所示。
图1 混凝土渗透性机理图
Fig.1 Mechanism diagram of concrete permeability
混凝土抗渗性受水胶比、胶凝材料体系、骨料级配以及界面过渡区(ITZ)结构等多因素共同影响。较高的水胶比会显著增加毛细孔体积分数并提高孔隙连通性，从而降低抗渗性能[22];而引入矿物掺合料或纳米填料，可通过填充效应、形核效应及二次水化反应，细化孔径分布、降低贯通孔比例，并显著改善ITZ的致密程度，进而有效提升混凝土的抗渗性[23]。
在工程服役环境中，抗渗性被普遍认为是混凝土耐久性的基础性能。一方面，水的渗入是冻融破坏、钢筋锈蚀、化学侵蚀及碱-骨料反应等多种耐久性问题发生的前提条件;另一方面，有害离子的迁移速率在很大程度上受控于混凝土的抗渗水平[24]。因此，提高混凝土抗渗性不仅能够延缓内部劣化反应的发生，还可显著延长结构在复杂环境下的服役寿命。
2.2 抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能够经受多次冻融循环作用而不被破坏，同时其耐久性不显著降低的性能[25]。其中冻融循环作用是指在温度交替变化的环境中，混凝土内部孔隙中的水分反复经历冻结与融化过程，从而对材料结构造成损伤的现象。低温条件下，孔隙水结冰产生体积膨胀，形成静水压与渗透压，对孔壁产生拉应力;冰融化时则导致其体积收缩(如图2)[26-27]。这种周期性胀缩应力使混凝土内部孔隙结构逐渐劣化，微裂纹不断产生、扩展并连通，导致外部有害物质的不断侵入进而影响自身的耐久性能[28]。
图2 冻融反应机理图[27]
Fig.2 Mechanism diagram of freeze-thaw reaction[27]
混凝土抗冻性受水灰比、骨料性质和化学外加剂等多种因素共同影响。混凝土密实度越高，孔隙率越低，内部孔隙水体积越小，受冻融循环的影响也越小[29]。降低水灰比可以有效减少混凝土内部孔隙水的含量从而延缓其因冻融循环造成的劣化过程[30]。采用抗冻骨料或级配良好的骨料可以密实混凝土内部结构并减少孔隙水，也可从根本上提高混凝土的抗冻性[31]。
在工程实践中，抗冻性是评价混凝土在严寒环境下耐久性的重要指标，直接关系到其使用寿命和安全性。尤其在季节性冻土区与严寒地区，混凝土长期经历反复冻融循环作用，孔隙水在冻结过程中体积膨胀所产生的水压与渗透压会破坏孔壁结构，导致内部微裂纹萌生与扩展。反复冻融可能导致表层混凝土剥落与质量损失，降低构件截面有效承载能力[32]。此外，冻融循环造成的孔隙率增大、裂纹扩展等内部孔隙结构损伤为腐蚀物质提供了更便捷的传输通道，显著加速其侵入速率;同时，腐蚀物质侵蚀导致的微裂缝与损伤又加剧了冻融破坏的程度[33]。因此提高混凝土抗冻性是延长混凝土使用寿命、减少维护成本的关键环节。
2.3 抗侵蚀性
混凝土的抗侵蚀性是指混凝土抵抗外界侵蚀性介质(如硫酸盐、二氧化碳和海水中的氯离子等)破坏作用的能力，其本质是水泥水化产物(如氢氧化钙、水化硅酸钙等)与外界侵蚀性介质发生化学反应，生成不稳定或膨胀性产物，从而引发混凝土开裂、剥落甚至整体失效等耐久性问题[34]。
混凝土的抗侵蚀性受水泥品种、水灰比及矿物掺合料等多种因素影响。不同品种水泥的矿物组成决定了其抗侵蚀性的不同[35]。整体上，混凝土水灰比越小，混凝土越密实，其内部孔隙率越低，连通孔隙越少，侵蚀介质的渗透越困难[36]。掺入如粉煤灰、硅灰等矿物掺合料不仅能填充混凝土内部微小孔隙，还可以参与二次水化反应，降低薄弱相氢氧化钙的含量，进而有效提高抗侵蚀性[37]。此外，使用层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides，LDH)可通过层间阴离子交换作用将有害离子(如Cl-、S
)固定于其层状结构中，从而降低孔溶液中自由离子浓度，减缓其向混凝土内部及钢筋界面的迁移速率。与单纯依赖孔结构致密化的物理阻隔机制不同，LDH赋予材料一定的化学调控能力，在氯盐或硫酸盐环境下可有效延缓侵蚀反应的发生。同时，其纳米片层结构还可发挥填充与成核效应，改善微观孔结构分布，实现结构致密化与离子固定的协同增强[38]。
在实际工况中，抗侵蚀性决定了混凝土结构的使用寿命和维护成本。抗侵蚀性良好，外界侵蚀性介质就很难进入混凝土内部微观孔隙，影响混凝土内部化学反应;反之如果混凝土抗侵蚀性较差，外部二氧化碳、氯离子等多种侵蚀性介质会沿着孔隙进入混凝土内部，逐渐造成混凝土碳化以及钢筋锈蚀等耐久性问题。
2.4 抗碱骨料反应
混凝土的抗碱骨料反应能力，是指其抵抗内部碱性物质(主要来源于水泥)与骨料中的活性成分发生化学反应导致膨胀的能力。碱骨料反应生成具有吸水膨胀性的凝胶产物，遇水后体积可膨胀2~4倍，产生巨大的膨胀应力，最终导致混凝土出现裂缝、剥落、变形甚至失效等耐久性问题[39,40]，反应机理如图3所示。
图3 碱骨料反应机理图[40]
Fig.3 Mechanism diagram of alkali-aggregate reaction[40]
混凝土的抗碱骨料反应能力主要受混凝土中的碱含量、骨料的碱活性和环境水分的影响，另外矿物掺合料如粉煤灰的加入也会影响混凝土的抗碱骨料反应能力[41]。混凝土中的碱含量主要由水泥及其中的石灰石引入，水泥在水化过程中孔内溶液存在饱和Ca(OH)2，导致溶液中的碱金属盐变成氢氧化物进而增加混凝土整体碱性[42]。骨料释放的碱量取决于其矿物结构，结晶良好的矿物只会释放较少量的碱[43]。碱骨料反应在高温潮湿的环境下可快速发生[44]，因此在混凝土表面采用防水保护层可以有效降低碱骨料反应发生的可能性。粉煤灰的化学成分是决定其抑制碱骨料反应效果的主要因素，其CaO含量越低，粉煤灰抑制碱骨料反应效果越好[45]。
碱骨料反应会引发混凝土由内而外膨胀开裂，并且其“潜伏期”较长，破坏过程不可逆，被称为混凝土的“癌症”[46]。具备良好的抗碱骨料反应能力的混凝土结构可以确保其在设计年限内的使用功能的完整性及结构安全性。
3 混凝土耐久性提升方法
混凝土耐久性直接关系到建筑结构的维护成本、安全性与使用寿命，是评价结构长期性能的重要指标[47]。围绕耐久性提升，国内外学者已开展了大量研究，相关技术措施主要集中于优化原材料、调整配合比、引入功能性材料等三个方面。
3.1 优化原材料
3.1.1 水泥品种
水泥在混凝土中扮演着核心胶凝材料的角色，是决定混凝土耐久性的关键成分。它通过与水发生化学反应，将松散的骨料粘结成坚固的整体，赋予混凝土作为建筑材料的各种特性。不同水泥品种在矿物组成、水化速率及胶凝产物结构上存在显著差异，从而直接影响混凝土的抗侵蚀性和抗碱骨料反应能力[48]。
水泥品种是决定混凝土抗侵蚀性的核心因素，不同水泥的矿物组成将直接影响其抵抗有害物质侵蚀的能力。硫铝酸盐水泥、矿渣水泥和粉煤灰水泥由于其水化热低和后期强度高的特点，常用于混凝土结构中控制其微观温度裂缝，进而改善其抗氯离子侵蚀性能[49,50]。赵军等[51]验证了在水灰比为0.47或更高时，硫铝酸盐水泥混凝土的氯离子扩散系数相比普通水泥可以下降为原来的三分之一以下，即硫铝酸盐水泥的应用能在一定程度上提高混凝土的抗氯离子侵蚀的能力。赵晖等[52]研究了纯硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥以及江南粉煤灰水泥四种不同品种的水泥对混凝土抗侵蚀性的影响，如图4所示，矿渣水泥的氯离子扩散系数对比纯硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰水泥分别下降了约57.2%、19.4%和50.5%，表明矿渣水泥混凝土比纯硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰水泥混凝土具有更好的抗氯离子侵蚀性能。马保国等[53]测试了不同水泥制成的试件在MgSO4溶液中养护八个月后的膨胀率，并以此来判断试件受碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀的破坏程度，普通硅酸盐水泥的膨胀率为0.012%，而普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥复合而成的水泥(PAC)膨胀率仅为0.0054%，即复合水泥PAC的抗侵蚀性能优于普通硅酸盐水泥。
图4 水泥品种对混凝土抗氯离子渗透性能影响[52]
Fig.4 Influence of cement varieties on the resistance of concrete to chloride ion penetration[52]
水泥中的碱是引发碱骨料反应的必要条件之一，水泥中的碱含量越高，混凝土孔溶液中的碱浓度就越高，进而就越容易与活性骨料发生反应导致混凝土结构膨胀[54]。Bowen TAN等[55]在含有相同活性骨料砂浆样品的研究中表明，硫铝酸钙水泥试件的膨胀率比普通硅酸盐水泥试件低七倍，这是由于普通硅酸盐水泥浆体孔溶液中的铝浓度约为0.133 mmol/L，而硫铝酸钙水泥中的铝浓度要高出两个数量级，较高的铝含量可以在一定程度上抑制碱骨料反应，因此在抗碱骨料反应能力方面优于普通硅酸盐水泥。杨华全等[56]在研究中指出水泥中的碱含量是影响混凝土碱骨料反应的关键因素，含碱量为2%的高碱水泥所制得的混凝土结构在龄期14年时的膨胀率约为0.14%，而含碱量0.78%的低碱水泥试件的膨胀率仅为0.06%，如图5所示，即在服役过程中因碱骨料反应而发生破坏的几率远小于高碱水泥。
图5 不同砂浆试件膨胀率随龄期的变化[56]
Fig.5 Change in expansion rate of different mortar specimens with age[56]
在上述的各项实验中，实验团队就某一恶劣环境分别研究了不同品种水泥对混凝土耐久性能的影响，针对性较强，但却忽视了混凝土结构的服役环境往往是多种外界因素相互耦合形成的，缺乏系统全面的分析。综合而言，水泥作为混凝土中使用最多的胶凝材料，其品种选择直接影响到混凝土结构的耐久性能。
3.1.2 骨料特性
骨料在混凝土中主要起骨架与支撑作用，它构成了混凝土的主体结构，与水泥浆共同承受荷载，致密的骨料可以减少混凝土内部孔隙，提高其抗冻性和抗碱集料反应能力等耐久性能。正如Mehta教授[57]所言:“我们必须像重视水泥那样重视骨料”。
骨料的吸水率和岩性等对混凝土的抗冻性有显著影响。赵小浪等[58]在实验中用陶砂代替河砂制备了轻骨料混凝土，冻融循环次数为500时，其设计的轻骨料混凝土的质量损失可降低至3.8%左右，相对动弹性模量可提升至初始值的68.3%左右，即用陶砂代替河砂可以有效提高混凝土的抗冻性能。申向东等[29]利用风积沙等质量替代部分天然河砂制备不同风积沙替代率的混凝土来研究其对混凝土抗冻性的影响。结果表明:风积沙替代率为40%的混凝土抗冻性能最好，其质量损失率相比空白组降低了约2.7%，相对动弹性模量相比空白组增加了约4.2%。余舟[59]探究了花岗岩、凝灰岩、砂板岩、灰岩和卵石这五种不同岩性的骨料对混凝土抗冻性能的影响，在200次冻融循环后，采用花岗岩、凝灰岩、砂板岩、灰岩和卵石为骨料的混凝土试件的质量损失率分别约为2%、2.9%、3.25%、2.67%、2.72%，即采用花岗岩的混凝土试件的抗冻性能最好。
骨料活性以及其内部能与碱发生反应的矿物成分是影响混凝土碱骨料反应的又一因素。成旭[60]分别采用不同碱含量的骨料试件进行实验，发现随着碱含量的提高，试件的膨胀率也呈现增加的趋势。膨胀率在0~28d的期间增长较为迅速，特别当碱含量达到1mol/L时，试件达到了最大的膨胀率0.481%。研究还发现，增加外部碱含量明显促进了砂浆试样中的碱骨料反应。杨黔等[61]研究了浅变质岩骨料的活性对混凝土碱骨料反应的影响，实验中浅变质岩骨料砂浆试件的14d膨胀率全部超过0.1%，其中有4组浅变质岩骨料砂浆试件14d膨胀率大于0.3%，且试件表面出现了微裂纹，即浅变质岩骨料的活性较高，对混凝土抗碱骨料反应能力有不利影响。
综上所述，将骨料特性及优缺点分析汇总如下表1所示。然而由于边壁效应、单边增长效应等的综合作用，骨料与水泥浆体之间的界面过渡区孔隙率较高、密实度较低，且弹性系数和硬度较低，在微观尺度上是混凝土中的最弱相[62]，多数研究未能考虑到骨料表面特性(如骨料表面光滑、带有棱角)对于界面过渡区的影响。
表1 不同骨料种类的优缺点
Table 1 Advantages and disadvantages of different types of aggregates
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骨料种类 |
优点 |
缺点 |
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陶砂 |
抗冻性好，碱活性低 |
需高温焙烧，成本较高 |
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风积沙 |
沙漠地区原料丰富、碱活性较低 |
几乎全是细骨料、骨架作用较低，级配差 |
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花岗岩 |
强度高、抗冻性较好、化学稳定性强 |
具有碱活性 |
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凝灰岩 |
原料来源广、加工成本低 |
内部孔隙较多、自身抗冻性较差 |
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砂板岩 |
原料来源广 |
自身抗冻性较差、具有碱活性 |
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灰岩 |
碱活性较低、抗冻抗渗性好、与水泥石界面结合好 |
强度低、不耐酸 |
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卵石 |
强度高、抗冻性良好 |
表面光滑导致界面粘结强度弱 |
3.2 调整配合比
3.2.1 水灰比
水灰比是混凝土配合比设计的起点，直接影响混凝土的密实度以及长期使用表现，通常根据建筑耐久性要求初步确定。合理的水灰比有助于提高混凝土的抗渗性、抗冻性和抗化学侵蚀能力等耐久性能[63,64]。而水分过多会在硬化过程中蒸发留下大量连通孔隙，成为外界有害物质(如氯离子、二氧化碳)侵入的通道，影响建筑结构的安全性和使用寿命。
水灰比越大，混凝土的抗渗性越差。闫菲等[65]建立了基于渗透性能的混凝土耐久性预测模型，水灰比由0.4增加至0.6后，空气渗透性系数、吸水性系数及氯离子扩散系数分别增长了0.052Ln·min-1、2.5×107(m3·min-0.5)以及1.74×10-12(m2·s-1)，即空气渗透性系数、吸水性系数及氯离子扩散系数均随着水灰比的增大而增大，具体数据如下图6，由实验数据可知混凝土的抗渗性随着水灰比的增大而减小。谢超等[66]建立了不同孔径的孔隙中水的冰点计算模型，根据该模型对负温下水泥基材料的水化行为、孔结构的发展规律以及对其抗氯离子渗透性的影响机理进行了分析。最终通过实验揭示了负温下混凝土抗渗性的发展规律:在-3℃养护条件下养护28d时，水灰比为0.24、0.31和0.38的混凝土试件中小于83nm的孔径占总孔体积比例分别为54.2%、62.1%和56.8%，即0.31水灰比混凝土孔隙中液相水的含量最多，0.24水灰比混凝土孔隙中液相水的含量最少，也就是0.31水灰比混凝土的孔隙结构最佳，抗渗性亦最优。
图6 空气渗透性系数、吸水性系数、氯离子扩散系数与水灰比关系曲线[65]
Fig.6 Relationship curves of air permeability coefficient，water absorption coefficient，chloride ion diffusion coefficient，and water-cement ratio[65]
水灰比越大，混凝土拌合时用水量越大，过量水分蒸发后留下的大量连通孔隙易吸水饱和，进而在冻结时产生体积膨胀导致混凝土开裂，即水灰比越大，混凝土抗冻性越差[67]。谭克锋[68]采用“快冻法”验证了水灰比对混凝土抗冻性能的影响，其中水灰比为0.27的混凝土经300个冻融循环后，动弹模量仍有96.1%，抗冻性能优异;而水灰比为0.40的混凝土经200次循环后，动弹模量仅剩余25.5%，且混凝土试件基本上已经破坏。韩家伟等[69]在研究中指出，对于0.40水灰比和0.35水灰比砂浆试样，孔径2~11μm的孔隙量有减小趋势，而对于0.30水灰比砂浆试样，孔径2~11μm的孔隙量则在逐渐增加，即0.40和0.35水灰比试样损伤程度较高，在18次冻融循环后已形成高密度裂缝网格，0.30水灰比试样损伤程度较低，在18次冻融循环后，水泥基体与细骨料界面处尚未出现明显微裂缝。
水灰比越大，混凝土密实度越低，其内部微观孔隙越多，为外界有害物质侵入混凝土提供通道，即混凝土抗侵蚀性越差[70]。王少伟等[71]采用化学溶液浸泡法对不同水灰比混凝土开展了耦合加速腐蚀试验，其实验结果表明:混凝土完全溶蚀后的氯离子扩散系数和氯离子含量分别是未溶蚀状态下的3.5倍左右和1.3~2.0倍，水灰比为0.60、0.55和0.50的试件在0.5mol/L的HNO3溶液中溶蚀100d后，氯离子的扩散系数分别增大100.00%、82.86%和70.77%，即随着水灰比的增大，混凝土的抗氯离子侵蚀性越差。万书金等[72]经过实验验证后指出:对于同一骨料级配条件下，随着水灰比的增大，混凝土的渗透系数下降，当水灰比由0.29增长为0.31时渗透系数的下降趋势变大。现有研究表明[73]:在低温(3℃)养护条件下，水灰比由0.24增大到0.31时，电通量由1787C增大到1973C，增大约10%;水灰比由0.31增大到0.38时，电通量由1973C增大到2450C，增大约24%。即在低温(3℃)养护条件下，随着水灰比的升高，电通量随之提高，而混凝土抗氯离子渗透性逐渐下降。
概括来讲，水灰比是决定混凝土密实度和孔隙结构的关键参数。实验中多次论证了水灰比越小，水泥水化后剩余的自由水越少，混凝土越密实，毛细孔少且不连通，对混凝土抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性均有不同程度的改善效果。但由于施工环境与结构设计要求的不同，最佳水灰比往往在一定区间内浮动。
3.2.2 骨料级配
合理的骨料级配是实现混凝土密实填充的关键。级配良好的骨料，大小颗粒相互嵌锁、填充，形成紧密堆积结构，孔隙率显著降低，如同坚实的堡垒，有效阻挡外界水分、气体及侵蚀性离子渗透进而提升混凝土抗冻性及抗侵蚀性[74]。相反，间断级配的骨料缺少某些粒径范围的颗粒，在堆积时会形成较大空隙，导致混凝土内部孔隙结构连通性增强，耐久性大幅下降。
良好的骨料级配可以优化混凝土内部颗粒堆积结构，提高密实度的同时显著降低吸水率，内部自由水更少、膨胀应力更小，进而提升混凝土的抗冻性。郭娇[75]在水灰比和养护条件相同的条件下，配制了骨料级配分维值不同的混凝土，并将其进行了150次冻融循环。不同骨料级配的混凝土经过冻融循环后的质量损失率均先增加后减少，其中分维值为2.3的混凝土质量损失率最小，约为0.61%，分维值为2.7的混凝土质量损失率最大，约为0.91%。刘艳霞等[76]采用相同条件的成型全级配和二级配混凝土大试件进行冻融试验。试验结果表明，全级配混凝土的抗冻性低于二级配混凝土，经200次冻融循环后，全级配混凝土的不可恢复变形约为二级配混凝土大试件变形的三倍，即全级配混凝土内部高含量的大粒径骨料对其抗冻性有负面作用。
骨料级配良好时，混凝土密实度高，内部孔隙结构良好，能有效阻断有害介质的渗透入侵，从而显著提升混凝土的抗侵蚀能力。Smrithy Subash等人[77]研究了不同骨料级配对混凝土抗渗性等耐久性能的影响并通过电荷量衡量混凝土内部的氯离子浓度，较低的电荷表示较高的抗氯离子渗透性。实验结果表明:均匀级配的混凝土与良好级配的混凝土相比，电荷转移增加了约94%，间隙级配混凝土的电荷传递增加了44%，跳跃级配混凝土的电荷转移增加了39%，即级配良好的混凝土具有更致密的微观结构，更少的气孔允许更少的电流通过，反映出更低的氯离子渗透性，阻碍了各种有害离子的侵入和流动。汪伟等[78]研究了骨料级配对混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响，其中均匀级配骨料的混凝土试件的表观氯离子扩散系数为2.14×10-11m2/s，而良好级配骨料的混凝土试件的表观氯离子扩散系数为1.22×10-11m2/s，仅为均匀级配的57%，表明混凝土抵抗氯离子渗透的能力更强，即骨料级配良好可以有效改善混凝土的抗侵蚀性能。李嘉豪[79]在论文中建立了“骨料影响因子”进而量化了骨料级配与氯离子扩散系数关系，具体数据如下图9所示。通过优化骨料级配，混凝土氯离子扩散系数可以降低51%。
良好级配的骨料紧密堆积可以相互填补空隙，大幅降低混凝土内部的连通通道，抑制裂缝发展的同时可以有效阻断水分及有害物质在内部的传递。然而目前关于骨料级配对混凝土耐久性影响的研究往往锁定在混凝土质量损失等宏观结构，对微观结构如骨料与水泥浆体之间薄弱相界面过渡区的分析仍有待进一步研究。
图7 不同骨料级配下混凝土氯离子扩散系数[79]
Fig.7 Chloride ion diffusion coefficient of concrete under different aggregate gradations[79]
3.3 引入辅助性材料
随着我国建筑行业发展逐步推进，辅助性材料在混凝土中的地位显著提高。它不仅可以赋予混凝土自身原本不具备的能力，还可以在一定程度上提高混凝土的耐久性能[80]。现代工程中比较常见的辅助性材料有矿物掺合料、化学外加剂和新型材料等。
3.3.1 矿物掺合料
矿物掺合料在混凝土组分中扮演着“多面手”角色。现代工程中比较常见的矿物掺合料有粉煤灰、硅灰、矿渣、沸石粉等，以适量粉煤灰、矿渣等矿物掺合料替代部分水泥，不但能提高混凝土的抗渗性、抗化学侵蚀性及抗碱骨料反应能力等耐久性能，还可以在很大程度上降低建筑行业对水泥的依赖，减少碳排放，符合绿色经济可持续发展战略[81,82]。
矿物掺合料可以填充混凝土内部毛细孔隙，显著降低连通孔比例进而有效阻断水分的渗透通道。卢艺菲等[83]揭示了矿渣对水泥基材料孔隙率的影响，实验中空白组和掺入矿渣组的孔隙率均值分别为16.15%和13.08%，与空白组相比，掺入矿渣组的孔隙率降低了19.01%，即高掺矿渣可明显改变水化硅酸钙凝胶的组成和微结构进而提高水泥基材料的抗渗性能。周立霞等[84]在实验中探究了掺入矿物掺合料对混凝土净浆孔径分布的影响，不掺入矿物掺合料试件的20~100nm孔径(有害孔)占比为88.01%，而复掺硅灰和粉煤灰的试件20~100nm孔径占比仅为25.60%，相比空白组降低了62.41%，即掺入矿物掺合料细化并改善水泥基材料的孔隙分布，增强了混凝土的抗渗性能。李越等[85]通过SEM电镜直观地看出沸石粉(ZP)，硅灰(SF)和粉煤灰(FA)掺入混凝土中会明显降低混凝土内部大孔占比，其占比分别为11%、13%和15%，其中当ZP掺量为10%时，大孔占比最少，即混凝土的抗渗性最好。
矿物掺合料通过其微填充效应可以显著优化混凝土微观孔隙结构进而阻断侵蚀介质的渗透路径，有效增加混凝土的抗侵蚀性能[86]。Zhang[87]等制备了不同掺量的锂渣混凝土并验证了其对有害离子侵蚀的抵抗能力。实验表明，掺入40%锂渣的混凝土的质量损失最小，为0.86%，比不掺锂渣的对照试件的质量损失减少了58.7%。掺锂渣混凝土的致密结构可以阻止H+和S等有害离子的渗透，减少锂渣混凝土的质量损失。吴凯等[88]在实验中采用10%石灰石粉代替等量矿粉加入混凝土中，孔径大于10 nm以上的毛细孔(有害孔)数量减少了约20%，而小于10 nm的微孔数量增加了约38%，对比纯硅酸盐水泥孔结构得到细化，可限制硫酸盐离子侵入，从而显著提高水泥基材料抗硫酸钠侵蚀能力。张路等[89]为了表征混凝土的抗氯离子渗透能力，采用改进交流电测试方法对珊瑚骨料混凝土与普通混凝土的电阻率进行测量，并建立了改性珊瑚骨料混凝土的电阻率与渗透关系模型。实验中对比了不同矿物掺合料的珊瑚骨料混凝土孔隙率，随着粉煤灰、硅灰和矿渣的掺入，混凝土孔隙率分别降低了4.97%、7.97%和6.12%，且当粉煤灰、矿渣和硅灰的取代率为10%时，珊瑚混凝土的孔隙率分别是未掺加掺合料的混凝土的87%、78%和65%。具体如图8所示，粉煤灰、硅灰和矿渣的掺入可以提高珊瑚骨料混凝土的抗氯离子渗透能力。郭海贞等[90]研究了粉煤灰、矿粉和硅灰的掺入对混凝土抗侵蚀性的影响，其中三掺粉煤灰、矿粉、硅灰的混凝土电通量约为4100C，比空白组的电通量下降了约21.2%，比复掺粉煤灰、矿粉的电通量下降了9.29%，即三掺粉煤灰、矿粉、硅灰的混凝土的抗氯离子侵蚀性能最好。这主要是因为硅灰的颗粒粒径比粉煤灰和矿粉的粒径更为细小，能够更好地填充水泥、粉煤灰、矿粉三者粒径间的缝隙，改善孔径分布，降低水泥石中的总孔隙率和连通孔的数量，提高了氯离子渗入混凝土内部的难度。
图8 掺入不同矿物掺合料的珊瑚骨料混凝土孔隙率[89]
Fig.8 Porosity of coral aggregate concrete mixed with different mineral admixtures[89]
部分活性矿物掺合料具有火山灰效应，可以通过二次水化反应消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，降低体系整体碱性，显著抑制碱骨料反应[91]。李福海等[92]以10%、20%、30%、35%、40%和45%粉煤灰等质量取代水泥的砂浆棒膨胀率来衡量粉煤灰对碱骨料反应的抑制作用，在35%掺量养护90d后试件的膨胀率约为0.2%，相比空白组降低了0.4%;在40%掺量养护90d后试件的膨胀率约为0.13%，相比空白组降低了0.47%，即高掺量粉煤灰可以显著抑制混凝土的碱骨料反应。于洋等[93]在实验中研究了硅灰掺量对混凝土碱骨料反应的抑制作用，不掺硅灰的空白试样14 d养护后的膨胀率约为0.273%，5%、10%、15%和20%掺量的硅灰试件的膨胀率分别为0.2%、0.11%、0.04%和0.025%。结果表明硅灰对混凝土碱骨料反应起到了很好的抑制效果。天然沸石(NZ)可以吸收碱金属离子却能力有限，要有效抑制碱骨料反应，天然沸石的最低掺量为胶凝材料质量的20%左右[94]，然而高掺量天然沸石会使水泥净浆基本丧失流动性，因此牛全林[95]将天然沸石置于2 mol/LNH4Cl溶液中进行了改性处理制备了具有更高吸附能力且自身碱含量较低的改性沸石(GNZ)。经碱吸附能力实验后得出，GNZ的碱吸附量比NZ高29.88%~91.12%。掺入5%改性沸石的混凝土试件的膨胀率仅为0.071%，相比素混凝土减少了97.55%。
上述实验探究了不同掺量、不同种类的矿物掺合料对混凝土抗渗性、抗侵蚀性及抗碱骨料反应能力的改善作用，如高掺锂渣相比空白组可以密实混凝土内部结构其质量损失减少58.7%，掺入硅灰可以填充微观孔隙使孔隙率降低7.97%。将上述实验中不同矿物掺合料的作用机制、优势与局限汇总如表2所示。
表2 不同矿物掺合料特性汇总
Table 2 Summary of characteristics of different mineral admixtures
|
掺合料种类 |
作用机制 |
性能提升幅度 |
优势 |
劣势 |
|
矿渣 |
自身具备水硬性，二次水化产物可以填充水泥浆体内部孔隙，改善界面过渡区 |
矿渣混凝土的孔隙率相对降低幅度约为6.12%~19.01% |
可以改善混凝土抗渗性、抗侵蚀性，水化热较低 |
成本略高 |
|
硅灰 |
具有火山灰效应，可以与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，可以填充水泥浆体内部微观孔隙，改善界面过渡区 |
20%掺量硅灰混凝土的膨胀率相比素混凝土降低约90.8% |
可以改善混凝土抗渗性、抗侵蚀性和抗冻性，极强早强 |
成本较高，水量需求大，分散性较差 |
|
粉煤灰 |
具有火山灰效应，可以与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，可以填充水泥浆体内部微观孔隙，改善界面过渡区 |
40%掺量粉煤灰混凝土的膨胀率相对降低0.47% |
可以改善混凝土抗渗性、抗侵蚀性，工业废物回收利用，利于可持续发展 |
早期强度较差 |
|
沸石粉 |
具有火山灰效应，细质颗粒可以填充水泥浆体空隙，自身多孔结构且具备高阳离子交换能力，可以吸附Na+、K+等碱金属离子 |
掺量为10%时混凝土内部大孔占比降低11%;掺入5%改性沸石的混凝土试件的膨胀率相比素混凝土减少了97.55% |
显著抑制碱骨料反应，改善混凝土抗渗性、抗侵蚀性和抗冻性，成本较低 |
早期强度低于矿渣和硅灰，需水量大，质量波动较大 |
|
锂渣 |
减少基质中CH晶体的生成倾向，提高水泥的水化程度，改善混凝土的微观结构致密性，降低C-S-H凝胶的钙硅比 |
40%掺量锂渣混凝土相比素混凝土质量损失减少了58.7% |
提高混凝土抗酸雨侵蚀能力 |
在一定程度上增加了混凝土的中和深度 |
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石灰石粉 |
以物理填充为主，降低浆体内部孔隙率，促进C3S水化，改善和易性 |
10%掺量混凝土内部大孔径毛细孔减少了约20%，小孔径含量增加了约38% |
成本低廉，可降低水化热 |
基本无火山灰效应，掺量过高时强度下降 |
3.3.2 化学外加剂
现如今混凝土常常服役于复杂极端的环境，化学外加剂的出现解决了传统混凝土材料无法处理的问题，其可以提高混凝土的抗冻性以及抗侵蚀性等耐久性能。
引气剂是常用于混凝土冻融破坏中提高混凝土抗冻性能的一种化学外加剂，其作用机理是在混凝土搅拌过程中引入大量气泡来改变混凝土的孔隙结构，从而降低冻融破坏中的结冰压力[96]。张凯等[97]在研究中表示标准养护条件下掺入0.15‰引气剂的混凝土试件经受300次冻融循环后相对动弹性模量仍保留原本的51.97%，而空白组经过250次冻融循环后相对动弹性模量仅为原本的47.26%，冻融循环次数至少提升了16.7%。张思佳等[98]发现未掺SK复合防冻剂的空白组仅能经受100次以下的冻融循环，而掺加SK复合防冻剂的混凝土均可经受300次以上的冻融循环，相比空白组的抗冻融循环次数提升了2~3倍，说明SK复合防冻剂可显著提升混凝土的抗冻性能。另外，具有高效减水组分的复合防冻剂有助于经历负温作用的混凝土形成良好的界面显微结构，最终达到提升混凝土抗冻性的目的[99]。
部分化学外加剂一方面可以使憎水性成分填充混凝土微观孔隙进而阻止有害物质的侵入，一方面可以改善混凝土孔隙结构，增加混凝土的密实度[100]。李崇智等[101]将氟硅酸镁、甲基硅酸钠、苯丙乳液、三异丙醇胺TPA和水玻璃以质量比1:5.8:19.2:1.3:3配制成了渗透结晶型表面护理剂(OCSP)，以不同质量分数的OCSP进行混凝土耐久性试验。如下图9所示，经OCSP处理过的混凝土试块，其28d的碳化深度有了显著的降低，相比空白组试块降低了13.3%~22.6%，且当OCSP的质量分数为0.5%时混凝土试块的碳化深度最低，为8.9mm，相比空白组降低了22.6%，说明OCSP可以封闭孔隙有效阻止CO2向混凝土内部扩散，从而改善其抗碳化性能。刘雪敏等[102]揭示了聚乙烯醇(PEG)对氯离子腐蚀下钢筋混凝土的缓蚀机理，结果表明，对氯离子侵蚀下的钢筋，PEG具有较好阻锈作用，且PEG浓度越高，缓蚀效果越好，当掺量为0.15%，阻锈效果最优，达99%。董健苗等[103]掺入两种不同尺寸的石墨烯PG1、PG2做出的新型石墨烯水泥砂浆试件，养护56 d后测得的碳化深度相比空白组分别降低了58.4%、38.2%，表明PG1、PG2能够有效提高水泥砂浆的抗碳化性能，其中大尺寸石墨烯PG1的抗碳化效果更为显著。
图9 不同养护时间混凝土试块碳化深度[101]
Fig.9 Carbonation depth of concrete test blocks with different curing times[101]
化学外加剂种类繁多，其不仅可以优化混凝土内部结构、强化界面过渡区以提升混凝土的抗冻性、抗侵蚀性等耐久性能，还可以为其施工提供便捷，表3汇总了不同化学外加剂的特性。但混凝土对部分化学外加剂的掺量极为敏感，掺量过高或过低都会导致混凝土结构强度下降、增加碱骨料反应风险等问题。
表3 不同化学外加剂特性汇总
Table 3 Summary of characteristics of different chemical admixtures
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化学外加剂 |
作用机制 |
性能提升幅度 |
优势 |
劣势 |
|
引气剂 |
在混凝土搅拌过程中引入大量气泡来改变混凝土的孔隙结构，从而降低冻融破坏中的结冰压力 |
加入引气剂混凝土冻融循环次数至少提升了16.7% |
可以显著提高混凝土抗冻等级，改善混凝土和易性和流动性 |
在一定程度上会降低混凝土强度，限用范围较窄 |
|
SK复合 防冻剂 |
内含无机盐，溶于水后可降低混凝土内部孔隙水冰点，使水泥在负温条件下保持液相继续水化 |
SK复合防冻剂混凝土相比空白组的抗冻融循环次数提升了2~3倍 |
具有早强防冻功能，为冬季施工创造条件，提高混凝土的抗冻性、抗渗性等耐久性能 |
部分氯盐类防冻剂会导致钢筋锈蚀，易引发碱骨料反应 |
|
渗透结晶剂 |
其活性物质可以渗透进混凝土内部发生反应，与混凝土中硅酸盐水化物、Ca(OH)2等进行络合反应，并在孔隙裂缝的表面生成疏水性络合物，具有密实填充作用和拒水渗透功能 |
实验组相比空白组的碳化深度降低了13.3%~22.6% |
实现混凝土自防水，提高了混凝土抗渗性和抗侵蚀性，易于施工且符合绿色可持续发展战略 |
无法处理较大裂缝，市场产品质量良莠不齐 |
|
聚乙烯醇 |
可以促使活跃的金属离子转化为惰性化合物，从而在钢筋表面形成钝化膜，且对氯离子由排斥和阻挡作用 |
聚乙烯醇掺量为0.15%，阻锈效果高达99% |
可以优化混凝土孔隙结构，提高抗水、抗氯离子侵蚀性，可用作钢筋混凝土阻锈剂 |
成本较高，掺量过大会降低混凝土强度 |
|
石墨烯 |
石墨烯的掺入有效提高了CH晶体的结晶程度，并通过促进C3S和C2S的水化加速CH晶体的生成 |
实验组的碳化深度比空白组降低了38.2%~58.4% |
可以强化骨料与水泥浆体之间的界面过渡区，优化混凝土孔隙结构，降低孔隙率与渗透性 |
易团聚，成本较高 |
3.3.3 新型材料
新型材料是功能性材料的“未来人才”，随着建筑领域的不断发展，其已经成长为可不或缺的中坚力量。新型材料的典型代表有碳纤维、纳米材料等，新型材料的掺入可以提升混凝土的抗冻性以及抗侵蚀性[104,105]。
一方面，新型材料可以改善混凝土的抗冻性。王贺[106]以短切碳纤维为增强相制备了碳纤维混凝土(CFRC)并验证了短切碳纤维对混凝土抗冻性能的改善效果，具体试件分组如下表1，表中C40组为碳纤维体积掺量为0的空白组，CF40组为掺入纤维长度为15mm、体积掺量为0.5%的碳纤维实验组。由表中数据可知空白组初始质量为2409g，经过100次冻融循环后质量降至2256g，质量损失率为6.35%，而碳纤维实验组经过相同冻融循环后的质量损失率仅为1.82%。这是由于碳纤维的三维网络结构在混凝土中通过桥接效应抑制了内部裂缝的扩展，减少了因开裂导致的表层剥落。邱泽辉[107]研究了在混凝土基准配合比中掺入1%~5%的纳米SiO2对混凝土抗冻性的影响，实验中当纳米SiO2的掺入量达到5%时，25、50和75次冻融循环后的质量损失率分别为0.16%、0.37%和0.67%，相比不掺入纳米SiO2的混凝土试件减小幅度分别为48%，40%和28%。即随着纳米SiO2掺入量增加，混凝土冻融循环后质量损失率显著减小，即混凝土抗冻性显著增大。师杰等[108]通过抗盐冻性测试发现，经过7次冻融循环后，随着纳米TiO2掺杂含量的增加，混凝土复合材料的质量损失率持续降低，当纳米TiO2的掺杂含量为6%时，质量损失率最低为0.68%，即混凝土的抗冻性能最好。
表4 冻融循环各试件质量
Table 4 Mass of each test specimen during freeze-thaw cycles
|
试件编号 |
质量(g) |
试件编号 |
质量(g) |
|
C40-5-0 |
2409 |
CF40-5-0 |
2413 |
|
C40-5-20 |
2385 |
CF40-5-20 |
2405 |
|
C40-5-40 |
2372 |
CF40-5-40 |
2399 |
|
C40-5-60 |
2361 |
CF40-5-60 |
2391 |
|
C40-5-80 |
2338 |
CF40-5-80 |
2382 |
|
C40-5-100 |
2256 |
CF40-5-100 |
2369 |
另一方面，新型材料如纳米填料由于其独特的尺寸可以填充混凝土内部微观孔隙，提升混凝土密实度，阻断有害物质入侵的通道。其中心效应可以促进C-S-H凝胶的生成与致密化，也可以吸附入侵离子进而提升混凝土的抗侵蚀性能[109]。其中，骨料与水泥砂浆之间的界面过渡区(ITZ)是混凝土中最薄弱的区域，对混凝土抗渗性及抗侵蚀性等耐久性具有重要影响。纳米填料由于其富集效应会向ITZ不断迁移并形成富集层，在骨料和水泥砂浆之间提供了大量的成核位置，促进水化产物不断生成的同时抑制CH晶体的形成，最终使得ITZ微观结构更加密实[110]，具体作用机理如下图10所示。Wang等[111]在实验中对比了8种具有代表性的纳米填料对ITZ微观结构与粘结强度的影响，结果表明所有类型的纳米填料均能增强骨料与水泥砂浆之间的粘结强度并且可以提高界面的密实度，其中通过掺入1wt%纳米SiO2和1wt%纳米TiO2制作的水泥基复合试件，其界面粘结强度相比空白组分别提高了0.40MPa/6.7%和0.21MPa/3.5%。应敬伟等[112]研究了石墨烯纳米片(GNP)对水泥砂浆抗氯离子扩散性能和抗硫酸盐侵蚀性能的影响，结果表明:与普通水泥砂浆相比，掺入0.1%水泥质量的GNP后，水泥砂浆的表面氯离子浓度和扩散系数分别减小了36.8%和11.3%，经硫酸盐侵蚀后质量损失率为0.44%，抗蚀系数提升至0.9，即GNP的掺入可以有效提升水泥砂浆的抗氯离子扩散性能和抗硫酸盐侵蚀性能。冯甘霖等[113]通过将二维纳米氧化石墨烯(GO)涂覆于氨基化砂粒表面以辅助其分散的方法，系统研究了其对GO水泥基复合材料抗氯离子侵蚀性能的影响规律及机理，如图11所示，当GO掺量达到0.3%(质量分数)时，快速氯离子迁移测试氯离子渗透深度和扩散系数分别比对照组降低了24.8%和18.5%。延永东等[114]进行了掺入纳米SiO2的混凝土的微观结构研究，当侵蚀龄期达到360 d时，素混凝土的表面氯离子质量分数达到0.3%，掺入纳米SiO2的表面氯离子质量分数比素混凝土的小0.06%，结果表明:掺入纳米SiO2混凝土的抗氯离子侵蚀性能明显强于素混凝土。赵燕茹等[115]探究了1%、3%和5%掺量的纳米TiO2对混凝土抗碳化性能的影响，随着纳米TiO2掺量的增加，试件的抗碳化性能先升高后下降，在试验中掺入1%纳米TiO2混凝土的碳化深度最低，表明其抗碳化能力最好，与普通硅酸盐水泥相比在碳化的7d、14d、28d的碳化深度分别下降了0.7mm、1.0mm、1.8mm。
新型材料对于混凝土耐久性的改善效果独树一帜，不同新型材料的特性汇总如表5所示，然而由于其成本较高以及需要用特殊手段进行分散，在实际工程当中应用较少，如何在降低成本、简化操作的基础上保留新型材料原本的改善效果是未来的研究方向。
图10 纳米填料作用机理图[110]
Fig.10 Schematic diagram of the mechanism of action of nano-fillers[110]
图11 GO-MAs提升水泥基材料抗氯离子渗透性能机理[113]
Fig.11 Mechanism of GO-MAs in improving the resistance of cement-based materials to chloride ion penetration[113]
表5 新型材料特性汇总
Table 5 Summary of characteristics of new materials
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新型材料种类 |
作用机制 |
性能提升幅度 |
优势 |
劣势 |
|
短切碳纤维 |
纤维的三维网络结构可以桥接微裂缝、分散冻融应力、阻断渗透路径及填充孔隙 |
冻融循环后质量损失率相比空白组降低了71.34% |
改善混凝土的抗渗性及抗冻性 |
分散困难 |
|
纳米SiO2 |
具备火山灰效应、纳米填充效应及成核效应等 |
冻融循环后质量损失率相比空白组降低28%~48%;界面粘结强度提升6.7% |
大幅提升混凝土抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等耐久性能，使ITZ微观结构更密实 |
细小颗粒极易团聚，成本较高难以大规模使用 |
|
纳米TiO2 |
具备纳米填充效应及成核效应 |
掺量为6%时，冻融循环后质量损失率为0.68%;界面粘结强度提升3.5% |
改善混凝土抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等耐久性能，还具备光催化功能 |
细小颗粒极易团聚，成本较高难以大规模使用 |
|
石墨烯 |
具备纳米填充效应及成核效应 |
掺入不同质量分数及维度的石墨烯可使混凝土表面氯离子浓度减小约36%~40%，氯离子扩散系数降低11.3%~18.5% |
改善混凝土抗渗性、抗侵蚀性等耐久性能 |
细小颗粒极易团聚，成本较高难以大规模使用 |
4 结语与展望
混凝土耐久性的本质取决于其内部微观结构的致密性与稳定性。本文一方面分析了内外部因素对混凝土耐久性能的影响，包括自身原材料的组成、配合比的设计和恶劣的服役环境等;另一方面系统梳理了近年来混凝土耐久性能提升的主要技术手段，分别从材料组成优化、调整配合比以及引入功能性材料三个方面进行了分析与总结。混凝土耐久性是土木工程领域的核心指标，其好坏直接决定了我国各类基础设施和房屋建筑的使用寿命和维护成本，同时也影响着人们的日常生活和财产安全。
经过学者们的探索与发掘，目前已经有许多较为成熟且先进的混凝土耐久性能优化方法，但是仍面临一些挑战:
(1)未来混凝土耐久性能优化将与绿色环保和低碳排放相互融合，摆脱对传统高能耗胶凝材料的过度依赖，研究低碳排放的新型胶凝材料是亟待解决的问题。
(2)我国在基建过程中会产生大量建筑废料，占据公共空间的同时还会对环境造成不良影响。目前对建筑领域废料回收利用的相关研究较少，未来如何填补这一领域的技术空白是可持续发展的关键所在。
(3)新型材料的出现使得混凝土结构逐渐实现“自动化”与“智能化”，但高昂的材料费用与复杂的监测手段制约了新型材料与技术的普及应用，未来如何实现进一步推广与大众化是关键所在。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[④] *通讯作者 Corresponding author:王欣悦，xinyuewang@tju.edu.cn
收稿日期:2026-03-02; 录用日期:2026-03-16; 发表日期:2026-03-28
基金项目:本项研究得到了国家自然科学基金项目(资助号52308236和52578268)的资助。
参考文献(References)
[1] 荣辉, 陈肖杰, 刘德娥, 等. 海洋环境下混凝土的宏观生物腐蚀研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2022, 50(2): 503-511.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20210719.
[2] 贾超, 纪圣振, 张峰. 冻融作用对混凝土跨海大桥桥墩稳定性影响研究[J]. 四川大学学报·工程科学版, 2010,(3): 7-13.
https://doi.org/10.15961/j.jsuese.2010.03.012.
[3] 肖建庄, 夏冰, 肖绪文, 等. 混凝土结构低碳设计理论前瞻[J]. 科学通报, 2022, 67(102): 3425-3438.
https://doi.org/10.1360/TB-2022-0055.
[4] 龙广成, 杨振雄, 白朝能, 等. 荷载-冻融耦合作用下充填层自密实混凝土的耐久性及损伤模型[J]. 硅酸盐学报, 2019, 47(7): 855-864.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.2019.07.05.
[5] 罗大明, 牛荻涛, 苏丽. 荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究进展[J]. 工程力学, 2019, 36(1): 1-14, 43.
https://doi.org/10.6052/j.issn.1000-4750.2018.08.ST11.
[6] Ueli A, Bernhard E, Claus K. L, et al. Critical chloride content in reinforced concrete — A review[J]. Cement and Concrete Research, 2010, 39(12): 1122-1138.
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.08.006.
[7] Da B, Qing J. Service Life Prediction and Durability Design of Marine Concrete Structures[J]. Zhongguo Biaomian Gongcheng/China Surface Engineering, 2025, 38(3): 285-296.
[8] Harald S. M, Michael H, Michael V. Assessment of the sustainability potential of concrete and concrete structures considering their environmental impact, performance and lifetime[J]. Construction and Building Materials, 2014, 67(C): 321-337.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.01.039.
[9] 蒋正武, 尹军. 可持续混凝土发展的技术原则与途径[J]. 建筑材料学报, 2016, 19(6): 957-963.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9629.2016.06.001.
[10] 田雷, 邱流潮.(超)疏水水泥基材料的研究进展[J]. 材料导报, 2021, 35(19): 19070-19080.
https://doi.org/10.11896/cldb.20070002.
[11] 王尚伟, 朱海堂, 王博, 等. 混凝土配合比优化设计的紧密堆积理论综述[J]. 材料导报, 2021, 35(3): 3085-3091.
https://doi.org/10.11896/cldb.20010108.
[12] 王腾蛟, 许金余, 彭光, 等. 纳米碳纤维增强混凝土耐久性试验[J]. 功能材料, 2019, 50(11): 11114-11121.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.11.019.
[13] 邵善庆, 龚爱民, 罗加辉, 等. 混杂玄武岩纤维混凝土孔隙结构及抗冻性[J]. 水力发电学报, 2025, 44(2): 116-124.
https://doi.org/10.11660/slfdxb.20250210.
[14] 梁圣, 崔宏志, 徐丹玥. 纳米SiO2 改性轻骨料混凝土性能[J]. 复合材料学报, 2019, 36(2): 498-505.
https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20180330.001.
[15] 张茂花, 谢发庭, 张文悦. Cl- 渗透和碱集料反应作用下纳米混凝土的耐久性[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2019, 51(2): 166-171.
https://doi.org/10.11918/j.issn.0367-6234.201809130.
[16] 邓宗才. 混杂纤维增强超高性能混凝土弯曲韧性与评价方法[J]. 复合材料学报, 2016, 33(6): 1274-1280.
https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20160129.002.
[17] 李凯, 杨璐璐, 史才军. 基于不规则骨料堆积结构的混凝土水渗透性的研究[J]. 材料导报, 2024, 38(12): 103-110.
https://doi.org/10.11896/cldb.23010131.
[18] 牛荻涛, 孙丛涛. 混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究[J]. 硅酸盐学报, 2013,(8): 1094-1099.
https://doi.org/10.7521/j.issn.0454-5648.2013.08.11.
[19] 甘磊, 吴健, 沈振中, 等. 硫酸盐和干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土劣化规律[J]. 土木工程学报, 2021, 54(11): 37-46.
https://doi.org/10.15951/j.tmgcxb.2021.11.001.
[20] 周立霞, 王起才, 张粉芹. 矿物掺合料和孔结构对混凝土抗渗性的影响[J]. 水力发电学报, 2010, 29(3): 196-201.
[21] 陈立军, 王永平, 尹新生, 等. 混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响[J]. 硅酸盐学报, 2005, 4: 500-505.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.2005.04.017.
[22] 段运, 王起才, 张戎令, 等. 不同养护条件下低水胶比混凝土抗氯离子渗透性及孔结构试验研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(5): 842-847.
https://doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.2016.05.008.
[23] 秦力, 丁婧楠, 朱劲松. 高掺量粉煤灰和矿渣高强混凝土抗渗性和抗冻性试验[J]. 农业工程学报, 2017, 33(6): 133-139.
https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.017.
[24] Ma X. Effects of SAP on the properties and pore structure of high performance cement-based materials[J]. Construction and Building Materials, 2017, 131: 476-484.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.11.090.
[25] 程云虹, 陈东华, 王元. 混凝土抗冻性与水泥用量关系的试验研究[J]. 建筑材料学报, 2011, 4: 536-540, 559.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9629.2011.04.020.
[26] Wu Y, Dai J, Shi B, et al. The Strength and Elastic Modulus of Pervious Concrete Considering Pore and Fiber during Freeze-Thaw Cycles[J]. Sustainability, 2022, 14(23): 16217.
https://doi.org/10.3390/su142316217.
[27] Setzer M J. Micro-Ice-Lens Formation in Porous Solid[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2001, 243(1): 193-201.
https://doi.org/10.1006/jcis.2001.7828.
[28] 申艳军, 杨更社, 荣腾龙, 等. 冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(3): 562-570.
https://doi.org/10.13722/j.cnki.jrme.2016.0122.
[29] 申向东, 邹欲晓, 薛慧君, 等. 风积沙掺量对冻融-碳化耦合作用下混凝土耐久性的影响[J]. 农业工程学报, 2019, 35(2): 161-167.
https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.021.
[30] 常远, 史才军, 杨楠, 等. 磷酸镁水泥基材料耐久性研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2014, 4: 486-493.
https://dx.doi.org/10.7521/j.issn.0454-5648.2014.04.11.
[31] Guan J, Liu L, Yao X, et al. Study on the strength size effect of wastewater concrete under freeze-thaw cycles[J]. Construction and Building Materials, 2024, 438: 137074.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.137074.
[32] 李林洁, 刘清风. 冻融循环下混凝土内部结冰及氯离子传输规律的数值研究[J]. 硅酸盐学报, 2022, 50(8): 2245-2256.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20211102.
[33] 赵宗锐, 张文敏, 胡作龙, 等. 冻融循环作用对混凝土侵蚀及性能劣化研究综述[J]. 水利水电技术(中英文), 2025, 56(10): 226-242.
https://doi.org/10.13928/j.cnki.wrahe.2025.10.018.
[34] Wang D, Zhang Y, Li Z, et al. Degradation of mortar fully buried in saline soil containing sodium sulfate or magnesium sulfate[J]. Construction and Building Materials, 2023, 369: 130620.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130620.
[35] 沈燕, 李雪飘. 贝利特活化的研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37(2): 519-523.
[36] Anders L. Chloride ingress data from field and laboratory exposure-Influence of salinity and temperature[J]. Cement and Concrete Composites, 2007, 29(2): 88-93.
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.08.004.
[37] Zhang Y, Hua Y. Investigation of the durability of ecofriendly concrete material incorporating artificial lightweight fine aggregate and pozzolanic minerals under dual sulfate attack[J]. Journal of Cleaner Production, 2022, 331.
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.130022.
[38] 王勇, 姜明昊, 王怡霖, 等. 层状双金属氢氧化物的构筑及其处理水体中抗生素的研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(2): 803-815.
https://doi.org/10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0626.
[39] Beyene M, Snyder A, Lee R. J, et al. Alkali Silica Reaction( ASR)as a root cause of distress in a concrete made from Alkali Carbonate Reaction(ACR)potentially susceptible aggregates[J]. Cement and Concrete Research, 2013, 51: 85-95.
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.04.014.
[40] Deschenes, Dean J. ASR/DEF-damaged bent caps: shear tests and field implications[D]. The University of Texas at Austin, 2009.
[41] 李北星, 文梓芸, 李双艳. 粉煤灰对砂岩碱硅酸反应的抑制及机理研究[J]. 武汉理工大学学报, 2006, 5: 40-44.
[42] 温海锋, 张海波. 碱骨料反应及辅助胶凝材料对其抑制机理的研究综述[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(6): 1782-1787.
https://doi.org/10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2019.06.024.
[43] Grattan B. Laboratory evaluation of alkali-silica reaction in concrete from Saunders generating station(Article)[J]. ACI Materials Journal, 1995, 92(2): 126-134.
https://doi.org/10.14359/9763.
[44] 明廷洪, 余晓文, 滕耀华, 等. 高温饱和蒸汽环境下管桩混凝土的碱骨料反应研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2019, 11: 33-35.
https://doi.org/10.19761/j.1000-4637.2019.11.033.03.
[45] 孔祥芝, 李行星, 张恒, 等. 粉煤灰化学成分对其抑制碱骨料反应效果影响试验研究[J]. 混凝土, 2024, 8: 112- 114, 119.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-3550.2024.08.021.
[46] 王增忠. 混凝土碱集料反应及耐久性研究[J]. 混凝土, 2001, 8: 16-19.
[47] 覃源, 杲吕, 关科, 等. 基于熵权法的混凝土耐久性评价及寿命预测[J]. 硅酸盐学报, 2023, 51(5): 1344-1354.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20220694.
[48] 吴凯, 韩好, 汪琪, 等. 水凝胶复合水泥基材料性能与微结构特征[J]. 硅酸盐学报, 2021, 49(11): 2470-2477.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20210080.
[49] Wang L, Yang H Q, Zhou S H, et al. Mechanical properties, long-term hydration heat, shinkage behavior and crack resistance of dam concrete designed with low heat Portland(LHP)cement and fly ash[J]. Construction and Building Materials, 2018, 187: 1073-1091.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.056.
[50] 姜春萌, 李双喜, 蒋林华, 等. 冻融作用下低热水泥混凝土抗冲磨性能评价[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(8): 163-169.
https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220223.
[51] 赵军, 蔡高创, 高丹盈. 硫铝酸盐水泥混凝土抗氯离子侵蚀机理分析[J]. 建筑材料学报, 2011, 3: 357-361.
[52] 赵晖, 沈东美, 吴晓明, 等. 水泥品种对混凝土劣化性能的影响[J]. 混凝土, 2009, 10: 92-95.
[53] 马保国, 罗忠涛, 高小建, 等. 不同品种水泥的抗碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀性能[J]. 硅酸盐学报, 2006, 5: 622-625.
[54] 苏怀智, 杨立夫. 混凝土碱-硅酸反应破坏机理及其进程影响研究进展[J]. 水利学报, 2022, 53(11): 1383-1396.
https://doi.org/10.13243/j.cnki.slxb.20220009.
[55] Tan B, Okoronkwo M U, Kumar A, et al. Durability of calcium sulfoaluminate cement concrete[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 2020, 21(2): 118-128.
https://doi.org/10.1631/jzus.A1900588.
[56] 杨华全, 王迎春, 曹鹏举, 等. 三峡工程混凝土的碱-骨料反应试验研究[J]. 水利学报, 2003, 1: 93-97.
https://doi.org/10.13243/j.cnki.slxb.2003.01.018.
[57] Monteiro P. J. M, Mehta P. K. The transition zone between aggregate and type K expansive cement[J]. Cement and Concrete Research, 1986, 16(1): 111-114.
https://doi.org/10.1016/0008-8846(86)90075-X.
[58] 赵小浪, 郑秀华, 钟威, 等. 装配式桥梁轻骨料混凝土的强度及抗冻性研究[J]. 公路, 2024, 69(5): 382-387.
[59] 余舟. 骨料对水工混凝土抗冻性的影响及作用机理研究[D]. 武汉: 长江科学院, 2019.
[60] 成旭. 碱含量对混凝土碱骨料反应影响及机理研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2024.
[61] 杨黔, 蒋正武, 张兵兵, 等. 浅变质岩骨料碱活性特征及抑制措施[J]. 建筑材料学报, 2019, 22(6): 941-948.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9629.2019.06.016.
[62] Wang X, Dong S, Li Z, et al. Nanomechanical Characteristics of Interfacial Transition Zone in Nano-Engineered Concrete[J]. Engineering, 2022, 17(10): 99-109.
https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.08.025
[63] 杨燕, 谭康豪, 覃英宏. 混凝土内氯离子扩散影响因素的研究综述[J]. 材料导报, 2021, 35(13): 13109-13118.
https://doi.org/10.11896/cldb.19120128.
[64] 王盛年, 高新群, 吴志坚, 等. 水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透特性试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(11): 3003-3014.
https://doi.org/10.16285/j.rsm.2021.2165.
[65] 闫菲, 王瑞骏, 车明杰, 等. 基于渗透性能的混凝土耐久性预测模型[J]. 南水北调与水利科技, 2017, 15(4): 161-167.
https://doi.org/10.13476/j.cnki.nsbdqk.2017.04.026.
[66] 谢超, 王起才, 于本田, 等. 负温下混凝土孔结构及抗氯离子渗透性发展规律[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2020, 41(11): 1703-1709.
https://doi.org/10.11990/jheu.201904016.
[67] 陈东华. 水泥用量对混凝土抗冻性能影响的试验研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2009.
[68] 谭克锋. 水灰比和掺合料对混凝土抗冻性能的影响[J]. 武汉理工大学学报, 2006, 3: 58-60.
[69] 韩家伟, 严辰成, 胡五龙, 等. 盐冻条件下不同水灰比硬化水泥砂浆的孔隙演化及表征[J]. 硅酸盐学报, 2020, 48(11): 1842-1851.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20200151.
[70] 林久卿, 牛昊, 刘致延, 等. 水泥基矽土注浆材料抗海水侵蚀性能研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2024, 44(3): 551-559.
https://doi.org/10.13409/j.cnki.jdpme.20230331001.
[71] 王少伟, 肖焰钰, 朱平华, 等. 钙溶蚀对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响[J]. 材料导报, 2024, 38(16): 130-136.
https://doi.org/10.11896/cldb.23020121.
[72] 万书金, 李峰, 郭振东, 等. 水灰比和骨料级配对透水混凝土性能影响的试验研究[J]. 混凝土, 2023, 7: 188-192.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-3550.2023.07.040.
[73] 段运, 王起才, 张戎令, 等. 低温(3℃)养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 4: 648-653.
https://doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.2016.04.009.
[74] 杜羡羡, 王亚男, 刘树康. 混凝土材料的耐久性提升及其在建筑工程中的应用[J]. 居舍, 2025, 8: 51-53.
[75] 郭娇. 混凝土骨料级配的抗冻性的分形研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2011.
[76] 刘艳霞, 陈改新, 鲁一晖. 大坝全级配混凝土抗冻性的试验研究[J]. 水力发电学报, 2011, 1: 139-143.
[77] Smrithy S, Lukesh P, Sumedha M. Study on the Impact of Aggregate Size Gradation on Concrete: Mechanical, Durability and Microstructure Study[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials, 2025, 19(1): 1-19.
https://doi.org/10.1186/s40069-025-00863-4.
[78] 汪伟, 李嘉民, 范志宏, 等. 骨料粒形与级配对混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响[J]. 材料导报, 2025, 39(202): 169-174.
[79] 李嘉豪. 全级配混凝土组成结构设计与抗侵蚀性能研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2023.
[80] 于冬雪, 于化杰, 黎红兵, 等. FRP建筑材料的结构性能及应用综述[J]. 材料导报, 2021, 35(202): 660-668.
[81] 白佳佳, 林楠, 王建民, 等. 粉煤灰掺量对碳化水泥浆体微结构的影响[J]. 水资源与水工程学报, 2022, 33(5): 154-159, 168.
https://doi.org/10.11705/j.issn.1672-643X.2022.05.19.
[82] 朱昀喆. 纳米改性混凝土的抗盐冻性能及其改性机理研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.
[83] 卢艺菲, 王捷, 梁华明, 等. 矿物掺合料对水泥砂浆毛细吸收性能的影响[J]. 硅酸盐学报, 2025, 53(5): 1110-1120.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20240573.
[84] 周立霞, 王起才, 张粉芹. 矿物掺合料和孔结构对混凝土抗渗性的影响[J]. 水力发电学报, 2010, 3: 196-201.
[85] 李越, 姚占全, 李昊, 等. 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响及模型预测[J]. 排灌机械工程学报, 2025, 43(4): 395-403.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0179.
[86] 李华, 孙伟, 左晓宝. 矿物掺合料改善水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能的微观分析[J]. 硅酸盐学报, 2012, 8.
[87] Zhang L, Pan Y, Xu K, et al. Corrosion behavior of concrete fabricated with lithium slag as corrosion inhibitor under simulated acid rain corrosion action.[J]. Journal of Cleaner Production, 2022, 377: 134300.
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134300.
[88] 吴凯, 徐玲琳, 施惠生, 等. 集料含量对掺矿物掺合料水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2016, 46(2): 419-426.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.030.
[89] 张路, 牛荻涛, 文波, 等. 改性珊瑚骨料混凝土的电阻率模型[J]. 材料导报, 2022, 36(1): 78-83.
https://doi.org/10.11896/cldb.20100189.
[90] 郭海贞, 张戎令, 王起才, 等. 负温条件和矿物掺合料耦合作用对混凝土强度和抗渗性影响[J]. 铁道科学与工程学报, 2019, 16(10): 2475-2482.
https://doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.2019.10.013.
[91] Malvar L J, Lenke L R. Efficiency of fly ash in mitigating alkali-silica reaction based on chemical composition(Article)[J]. ACI Materials Journal, 2007, 103(5): 319-326.
https://doi.org/10.14359/18153.
[92] 李福海, 张桂斌, 周鸿屹, 等. 高活性偏高岭土及粉煤灰对碱骨料反应的抑制作用[J]. 建筑材料学报, 2017, 20(6): 876-880.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9629.2017.06.008.
[93] 于洋. 硅灰及锂盐对碱集料反应抑制效果的研究[J]. 建筑材料学报, 2008, 4: 475-480.
[94] 封孝信. 混凝土骨料碱活性的检测及抑制碱骨料反应膨胀的研究[D]. 北京: 北京大学, 2002.
[95] 牛全林, 冯乃谦, 张新国. 改性沸石对可溶性碱的吸附性能及其对碱硅酸反应的抑制效果[J]. 硅酸盐学报, 2004, 32(4): 515-519.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.2004.04.024
[96] 王俊洁, 薛善彬, 张鹏, 等. 引气剂对冻融循环前后砂浆毛细吸水规律的影响[J]. 建筑材料学报, 2022, 25(10): 1007-1014.
[97] 张凯, 王起才, 杨子江, 等. 多年冻土区引气混凝土抗压强度及抗冻性研究[J]. 铁道学报, 2019, 41(5): 156-161.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-8360.2019.05.019.
[98] 张思佳, 纪国晋. -10℃即时受冻条件下外加剂和掺和料对负温混凝土性能影响[J]. 建筑材料学报, 2018, 21(4): 649-655.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9629.2018.04.020
[99] 杨英姿, 巴恒静. 负温防冻剂混凝土的界面显微结构与性能[J]. 硅酸盐学报, 2007, 8: 1125-1130.
[100] 许闯, 张祖华, 陈慕翀, 等. 层状双金属氢氧化物在水泥混凝土中的形成、作用机制及应用[J]. 材料导报, 2022, 36(11): 99-105.
https://doi.org/10.11896/cldb.21020078.
[101] 李崇智, 王梦宇, 牛振山. 渗透结晶型表面防护剂对混凝土耐久性的影响[J]. 材料导报, 2021, 35(201): 247-250.
[102] 刘雪敏, 肖东, 黄锐, 等. 聚乙烯醇对氯离子侵蚀下钢筋混凝土的阻锈作用和机理[J]. 水电能源科学, 2025, 43(2): 109-112.
https://doi.org/10.20040/j.cnki.1000-7709.2025.20241758.
[103] 董健苗, 何其, 周铭, 等. 石墨烯水泥砂浆抗碳化试验及预测模型分析[J]. 材料导报, 2024, 38(5): 203-208.
[104] 杨长辉, 班克成, 刘本万. 外加剂对混凝土TSA腐蚀的抑制作用[J]. 土木与环境工程学报(中英文), 2011, 33(2): 126-131.
[105] 鲍玖文, 张心钰, 张鹏, 等. 干湿交替作用下碱激发混凝土氯盐侵蚀性能[J]. 硅酸盐学报, 2022, 50(6): 1607-1615.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20210839.
[106] 王贺. 碳纤维混凝土力学性能与耐久性研究[D]. 合肥: 合肥大学, 2025.
[107] 邱泽辉. 纳米二氧化硅对混凝土耐久性影响研究[J]. 广东建材, 2025, 41(10): 29-31.
[108] 师杰, 沈子杨. 纳米TiO2改性水泥基混凝土复合材料的制备及性能研究[J]. 功能材料, 2022, 53(6): 6100-6105.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.06.014.
[109] 张立卿, 丁思齐, 王欣悦, 等. 纳米工程化水泥基复合材料的内在机制———纳米中心效应[J]. 复合材料学报, 2026, 43.
https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20260119.003
[110] Wang X, Zheng Q, Dong S, et al. Interfacial characteristics of nano-engineered concrete composites.[J]. Construction & Building Materials, 2020, 259: 119803.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119803.
[111] Wang X, Dong S, Han B, et al. Effect and mechanisms of nanomaterials on interface between aggregates and cement mortars.[J]. Construction & Building Materials, 2020, 240: 117942.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117942.
[112] 应敬伟, 苏飞鸣, 席晓莹, 等. 石墨烯纳米片增强水泥砂浆的抗氯离子扩散和抗硫酸盐侵蚀性能[J]. 材料导报, 2024, 38(9): 105-113.
https://doi.org/10.11896/cldb.22090282.
[113] 冯甘霖, 罗盛禹, 罗启灵, 等. 氧化石墨烯涂覆砂增强水泥基材料抗氯离子侵蚀性能[J]. 硅酸盐学报, 2025, 53(3): 505-518.
https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20240579.
[114] 延永东, 高生宇, 姚嘉诚, 等. 复掺渗透结晶材料和纳米二氧化硅混凝土抗氯离子侵蚀性能研究[J]. 混凝土, 2022, 7: 48-52, 66.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-3550.2022.07.010.
[115] 赵燕茹, 李传华, 贾宗明, 等. 纳米TiO2混凝土抗碳化性能的试验研究[J]. 混凝土, 2024, 6: 116-120.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-3550.2024.06.021.
Research Progress on Optimization Methods for Concrete Durability
(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. Tianjin Urban Road Facility Inspection Center, Tianjin 300190, China
3. School of Water Resources and Hydropower Engineering, Xinjiang University of Technology, Hotan 848023, China)
Abstract: During long-term service, concrete is subjected to freeze-thaw cycles, chloride ingress, carbonation, sulfate attack, and wet-dry alternation, which readily induce internal damage, such as pore structure deterioration, microcrack propagation, and reinforcement corrosion. This subsequently leads to macroscopic defects including cracking, spalling, and strength reduction, ultimately resulting in the decline of the loadbearing capacity and service life of concrete structures, significantly increasing maintenance costs and carbon emissions. Therefore, improving the concrete durability is of great significance for ensuring the safety and sustainability of engineering structures. The key to improving concrete durability fundamentally lies in regulating the intrinsic properties of the material. By optimizing raw material composition and mix proportion, and by rationally using mineral admixtures, chemical admixtures, modified fibers, and nano-fillers, it is possible to effectively refine hydration products and pore structure characteristics, promote matrix densification, reduce transport properties, and enhance resistance to environmentally induced deterioration. This paper systematically reviews the recent research progress on improving concrete durability, with a focus on material composition optimization, microstructural regulation mechanisms, and their intrinsic relationship with durability performance. It analyzes the mechanisms by which different modification strategies delay erosion and suppress degradation, providing a reference for improving the theoretical system of concrete durability enhancement and its engineering applications.
Keywords: Concrete, durability, composition optimization, microstructural regulation
Citation: DONG Shuo, XING Mofei, WANG Xinyue. Research progress on optimization methods for concrete durability[J]. Engineering Materials and Structures 2026, 5(1): 33-51.