任务1.5　材料的化学性质及耐久性

1.5.1　化学性质

某些材料在使用环境条件下与周围介质或与其他材料混合时会发生化学反应，根据化学反应能力的强弱，可将材料分为活性材料和非活性材料两类。活性材料容易和其他物质发生反应并生成新物质，改变材料原有的技术性质；非活性材料在周围介质中或与其他材料混合时不易发生化学反应，能较好地保持其原有的化学成分的技术性质的稳定性。

材料在使用过程中往往受到周围环境中侵蚀性介质的作用，从而使材料受到化学侵蚀。材料抵抗化学介质侵蚀作用不破坏、其性质也不发生显著改变的性质，称为化学稳定性。影响材料化学稳定性的主要因素是材料的组成成分和材料构造的密实程度。故选用材料时，要分析材料的使用环境，从材料的组成、结构和构造等方面着手，选择抗侵蚀能力较高的材料。

有些活性材料在激发剂的作用下发生化学反应，生成的新物质能满足工程所要求的性质，这是材料改性的重要途径，也是充分利用工业废料的重要方法，例如水泥中加入粒化高炉矿渣、火山灰质混合料、粉煤灰等。

1.5.2　耐久性

材料的耐久性是材料在所处环境各种自然因素作用下，经久不易破坏、也不易失去原有性能的性质。自然因素的破坏作用可归纳为物理作用、化学作用及生物作用。

物理作用包括干湿交替、温度变化及冻融循环等。干湿交替及温度变化会引起材料膨胀和收缩，时间久了会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料的破坏作用甚为严重。

化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液及气体与材料发生作用，逐渐生成新物质而使材料的强度降低或破坏。

生物作用是昆虫、菌类对材料的蛀蚀、腐蚀所引起的破坏作用。

建筑材料中钢材易受氧化而锈蚀；无机金属材料常因氧化、风化、碳化、溶蚀、冻融、热应力、干湿交替作用而破坏；有机材料因腐烂、虫蛀、老化而变质。

耐久性是材料的一种综合性质，水工建筑物中常用的材料的耐久性主要包括抗冻性、大气稳定和抗化学侵蚀性等。

如何提高材料的耐久性呢？首先应先根据工程的重要性和所处的环境合理选择材料；第二，要增强材料自身对外界作用的抵抗力；第三，采取保护措施，将主体材料与腐蚀环境隔离；第四，改善环境，减轻对材料的破坏。

1.5.2.1　材料的抗冻性

材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。

材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低及质量损失不超过规定值，材料表面无明显损伤时所能承受的最多的循环次数来表示。

抗冻等级用符号Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。抗冻等级越高，材料的抗冻能力越强。

冻结的破坏作用主要是材料孔隙中的水结冰膨胀所致。当材料孔隙中充满水时，水结成冰，产生体积膨胀，使材料孔壁产生拉应力，当拉应力超过材料抗拉强度时，孔壁形成局部开裂。随着冻融的反复作用，开裂加剧，材料表面逐渐剥落，强度随之降低。

材料的抗冻能力取决于材料的吸水饱和程度和抗拉强度。闭口孔隙不易进水，粗大开口孔隙不易被水分充满，都会使材料抗冻能力提高；材料的抗拉强度高，变形能力强，也会提高材料的抗冻能力。

材料抗冻等级的选择，是根据构筑物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。寒冷地区的水工建筑物，用于水位变化区的材料将受到水的饱和与冻融的交替作用，故需选择具有较高抗冻等级的材料。

1.5.2.2　抗化学侵蚀性

材料抵抗周围环境水及大气化学侵蚀的性能，称为抗化学侵蚀性。水工建筑物经常受到环境水的侵蚀。一般河水、海水、地下水及工业污水等均会对材料产生侵蚀作用，一方面是材料中的某些成分被水溶蚀；另一方面是材料中的某些成分与水中酸、碱、盐等起化学反应，生成有害物质，使结构发生变化。

1.5.2.3　大气稳定性

材料在热、空气、阳光等因素的长期综合作用下，性能不显著降低的性质，称为大气稳定性。一般有机胶凝材料在大气的综合作用下，均会产生性能的改变，其性能变化快的材料，大气稳定性差。大气稳定性是影响建筑物能否经久耐用的一个重要因素。在选用有机胶凝材料时，必须检验它的大气稳定性是否满足要求。

实际工程中大多数建筑材料常以抗冻性指标来反应材料的综合耐久性。材料的耐久性与环境破坏因素的关系见表1.8。