高性能混凝土耐久性

《现代混凝土新理论与新技术》课程论文结构工程张庆武2014202100034高性能混凝土耐久性摘要：本文首先从高性能混凝土的抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀性以及碱-骨料等方面等进行探讨，分析了引起混凝土破坏的原因以及影响耐久性的因素。然后从高性能混凝土的组成材料入手，分析了原材料的选择对高性能混凝土耐久性能的影响。最后从设计和施工养护等方面，进一步探讨了高性能混凝土作为新型的优质材料提高其耐久性的必要性和有效措施。关键词：高性能混凝土，耐久性，掺加料1论文研究背景混凝土从问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程，似乎人们总是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年以来，混凝土结构因材质劣化造成过早失效以至破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。混凝土工程的过早破坏，其原因除了强度不足外，还因为混凝土耐久性不良。例如，在日本海沿岸，许多港湾建筑、桥梁等，建成后不到10年的时间，混凝土表面即出现开裂、剥落，钢筋锈蚀外露。美国：美国国家材料顾问委员会1987年提交的报告报道，约有25.3万座混凝土桥面板出现不同程度的破坏（其中部分使用不到20年），而且每年还以3.5万座的速度递增[1]；同年Litvan和Bickley发表了对加拿大停车场的检测报告，发现大量停车场的服务寿命远比预期的短很多。美国1991年在提交国会报告《国家公路和桥梁现状》中指出，美国当时的全部混凝土工程价值约6万亿美元，而每年用于维修的费用高达300亿美元；南非1981年用于拆换桥梁、挡土墙、墩柱、路面、路缘、蓄水坝、系桩柱、防波堤、电杆基础等的经费就超过2700万英镑，这些结构物多是在建成后3-10年内就发现开裂破坏。我国基本建设比发达国家迟三十多年，但已建的一些工程也有类似令人堪忧的状况，有不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求。据统计，在我国现有的近70亿平方米的城镇建筑物中，有50%进入老化阶段，其中约有10-12亿平方米需经加固改造才能安全使用。1989年，建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查，其结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求，一般使用25-30年就需大修加固。我国混凝土工程的过早破坏,有的是结构设计不合理引起,有的是荷载的不利变化造成,但更重要的原因是由于混凝土耐久性不良,造成使用不久结构承载力就达到极限状态,某一偶然的荷载造成结构物的必然破坏。如果对混凝土耐久性理念认识不足,缺乏必备的材料组成设计、施工方法、技术措施和质量控制方案,就会使很多工程在建成时就埋下了耐久性不足的隐患,将会在其运营期和后期维护中付出巨大的经济代价。因此,重视并开展混凝土的耐久性研究,使混凝土朝着以耐久性为核心的高性能化方向发展,对确保混凝土工程使用寿命,推进我国建筑科技发展和经济建设步伐具有极其重要的意义。2高性能混凝土的概述2.1高性能混凝土的定义高性能混凝土是在20世纪80年代未90年代初才出现的,其定义没有明确规定,不同国家及领域的学者根据各自的认识、研究、实践、应用范围和目的要求的差异,对高性能混凝土有不同的定义和解释，例如：（1）美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国混凝土协会(ACI)于1990年5月召开的讨论会上提出:高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，便于浇筑振捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。（2）1990年美国MehtaPK认为:高性能混凝土不仅要求高强度，还应具有高耐久性(抵抗化学腐蚀)等其他重要性能，例如高体积稳定性(高弹性模量、低干缩率、低徐变和低的温度应变)、高抗渗性和高工作性。（3）1992年法国MalierYA认为:高性能混凝土的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土结构物。（4）1992年日本小泽一雅和冈村甫认为:高性能混凝土应具有高工作性(高流动性、黏聚性与可浇筑性)、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。（5）1992年日本SarkarSL提出:高性能混凝土具有较高的力学性能(如抗压、抗折、抗拉强度)、高耐久性(如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀)、高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土家族。以上几种观点是针对于高性能混凝土比较有代表性的几种，现在普遍得到认同的是:高性能混凝土(HighPerformanceConcrete,简称HPC)是由美国国家标准与技术研究院、美国混凝土学会(ACI)于1990年5月提出的，是以耐久性指标为基本要求，在采用常规材料和工艺制造的水泥混凝土中掺入一定量的矿物掺合料和专用复合外加剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在施工时采取严格质量控制措施制备满足力学性能要求，具有较高耐久性和良好工作性的混凝土。综合以上论点，结合我国国情和具体行业情况，吴中伟对高性能混凝土提出以下定义：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求,高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。2.2高性能混凝土的特点（1）工作性能好。高性能混凝土拌和物具有良好的和易性，不泌水，不离析，坍落度、扩展度、坍落度损失等指标均好于普通混凝土。从而保证在施工过程中新拌混凝土的工作性能,提高硬化后混凝土的耐久性。（2）硬化过程中体积稳定，水化热低,温度峰值及时间可形成梯度，冷却时收缩小，硬化后体积致密，不会因为膨胀或收缩产生微观裂缝。（3）高性能混凝土可对同标号的普通混凝土力学性能加以改善。如提高不同时期的强度，提高弹性模量，减小徐变系数等。（4）大量使用粉煤灰、硅粉、矿渣等矿物掺合料是配制高性能混凝土不可或缺的环节，同时使用高效减水剂[2]。这些都是使混凝土高性能化的重要环节，并能减少工业废料的污染。（5）耐久性大大提高。高性能混凝土不一定是高强的，但其工作性能、耐久性等必须是好的。这也是其与普通混凝土的最重要区别。因此,高强混凝土不一定是高性能混凝土，高性能混凝土也不一定是高强的。这个“高”指的是性能好,耐久性好。2.3高性能混凝土的性能2.3.1耐久性混凝土的耐久性破坏主要有：混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、碱-骨料反应、冻融破坏等。混凝土碳化是指由大气环境中的二氧化碳引起的混凝土pH值下降的过程，碳化的主要负面影响是引起钢筋的锈蚀问题。氯离子侵蚀是指在混凝土生产或结构使用过程中侵入氯离子，当混凝土中的氯离子含量达到一定限值时，会促成混凝土中钢筋的锈蚀。钢筋锈蚀是钢筋表面钝化膜破坏后在水和氧气充足的情况下发生的电化学锈蚀，钢筋锈蚀会减小钢筋的有效面积，导致混凝土保护层膨胀脱落，破坏钢筋与混凝土之间的粘结，影响结构物的安全性。碱-集料反应是指混凝土中的碱与具有活碱性的骨料之间发生膨胀性反应，反应后混凝土体积膨胀、力学性能下降。冻融破坏是指混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用，其破坏作用主要是使混凝土发生冻胀开裂和表面剥蚀，危害结构物的安全。绝大多数结构的破坏是由于氯离子侵入混凝土钢筋表面，引起钢筋锈蚀，破坏钢筋与混凝土间粘结力，同时产生膨胀破坏混凝土保护层，导致结构破坏。目前，对于HPC耐久性的评定没有统一的指标和方法，对其进行试验和评价基本仍沿用普通混凝土的方法和指标[3]。对于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC可以保证重要建筑在不利环境中使用100年，在正常环境使用200年，在特殊环境使用300年，而混凝土建筑的使用寿命可以预期达到500年。冯乃谦通过测量掺加矿物超细粉的HPC的导电量评判其抗氯离子渗透性明显提高；东南大学通过掺加粉煤灰等活性掺料配制不同配合比的C55的HPC，并对其进行长期耐久性、收缩、抗渗、碳化、钢筋锈蚀等试验，表明掺加粉煤灰可以提高混凝土的长期耐久性。2.3.2工作性坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，反应混凝土拌和物在重力作用下的流动和变形能力。HPC的坍落度控制功能好，但由于其在配制过程中加入了减水剂和矿物质超细粉，在与普通混凝土在坍落度相同的情况下，粘度较大，仅采用坍落度尚不足以完全反应HPC的施工性能，但目前尚未有专门针对HPC的检测标准。在振捣的过程中，HPC粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于HPC的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。而自密实混凝土不需机械振捣，在施工现场无振动噪声，可进行夜间施工，混凝土质量均匀，钢筋布置较密或者构件体型复杂时也可进行浇筑，施工速度快，现场劳动小。2.3.3力学性能混凝土的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、疲劳强度、粘结强度等。由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，但各种强度之间有一定的关系，一般可以用抗压强度的关系表现。水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土,随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，但对于HPC，由于低水灰比下存在搅拌困难、振捣不充分等问题，其强度提高不是无限制的，最高达到水泥的强度界限。高效减水剂是HPC必需成分，其对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量[4]。在HPC中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度，不同种类的矿物超细粉的最优置换率和对强度的影响不同。HPC对力学性能的要求不仅体现在高强度上，还体现在高强度质量上，即要求强度的分散性小，后期的强度增长稳定。2.3.4体积稳定性混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理、化学作用下产生变形的能力。混凝土的体积变形包括收缩变形、弹性变形、徐变变形和温度变形。收缩变形是混凝土的固有特性，不均匀的收缩变形会引起混凝土的内应力产生裂缝，影响强度和耐久性；弹性变形是所有材料共有的变形，弹性模量越大，变形越小；徐变变形是混凝土在荷载作用下随时间增加而产生的不利变形，会影响结构的使用安全；温度变形是指混凝土在约束条件下热胀冷缩或者因内外温差而产生的变形。体积稳定性不良的混凝土会产生收缩开裂，使混凝土的抗渗性及其物理、化学、力学性能降低，耐久性下降。影响混凝土体积稳定性的因素很多，包括水泥颗粒的细度、用水量、骨料情况等。HPC的干缩随着水灰比的增大而略有增大，骨料情况是影响干缩的最主要因素，骨料的体积含量越大、粒径越大，混凝土的干缩越小，不同种类高效减水剂对干缩的影响也不同，硅粉、粉煤灰等会降低干缩，沸石、页岩灰等会增大干缩。混凝土在使用过程中会发生徐变，HPC的徐变较普通混凝土明显减低，并随强度的提高，最终单位徐变减小。2.3.5经济性HPC较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。HPC良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；HPC的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间，有研究表明采用C30～C60可减少1/3的自重，采用C60～C80可减少1/4的自重；HPC良好的工作性可以减少工人强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究发现用C110～C137的HPC替代C40～C60的混凝土，可以节约15%～25%的钢材和30%～70%的水泥。虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。2.4高性能混凝土的发展前景高性能混凝土(HPC)具有优良的耐久性、工作性和强度，在最近十多年中已经被工程界所接受，并认为是新型高技术混凝土，是今后混凝土的发展方向。HPC在工程应用的推广中，首先面临的是HPC较普通混凝土要高的造价，由于材料成本以及质量控制严格，HPC的价格必然会高于普通