高性能混凝土耐久性分析

高 飛

1 高性能混凝土概念

水泥基材料——混凝土,經歷了普通、高強、高性能三個階段。混凝土的歷史可追溯至石器時代的晚期,但19世紀波特蘭水泥的誕生和鋼筋混凝土的出現,才真正使混凝土成為土木工程中最重要的結構材料。在短短的百余年間,混凝土的社會需求不斷擴大,道路橋梁、隧道涵洞、各種工業、民用建筑,水上和海上構筑物,給水排水溝渠管道、采油平臺、壓力容器,現代混凝土結構的建筑無處不在。從20世紀50年代全球混凝土年平均用量不到20億t,到現在即將突破100億t,混凝土的推廣速度是其他任何建筑材料所不能比擬的。1990年,美國國家準予技術研究院NIST及美國混凝土協會ACI聯合提出“高性能混凝土”的概念,定義高性能混凝土為同時具有高力學性能、高工作性和高耐久性的勻質混凝土,應采用優質的原材料,嚴格的施工工藝,配制成易澆筑、搗實而不離析,具有長期保持優越的強度等力學性能,韌性高,體積穩定,在惡劣條件下耐久性好的混凝土。“高性能混凝土”的提出,既是對近年混凝土技術成就的總結,又是對未來混凝土發展的展望。

2 高性能混凝土的耐久性

2.1 混凝土的耐久性問題

混凝土的耐久性是當前國際上與之相關學科最為重要的前沿研究領域之一。混凝土的耐久性,是指結構在要求的目標使用期限內不需要花費大量資金加固處理而能保證其安全性和適用性的能力。通俗來講,也就是建(構)筑物的使用年限。近幾十年來由于混凝土耐久性不足,在建筑物或構筑物的計基準期內,容易出現質量問題,導致結構可靠度降低。為維持結構必要的安全性和適用性,需要大筆維修費用。如果不能繼續使用,則往往予以拆除,成為不可再利用的大宗垃圾,占用大片土地,造成巨大的經濟損失,這是各國普遍存在的現象。工程實例教訓所花費的經濟、環境代價是昂貴和慘痛的。

2.2 高性能混凝土耐久性及其影響因素

高性能混凝土耐久性指混凝土在使用過程中抗大氣、環境作用的能力。其內容主要包括:混凝土抗化學侵蝕,堿—骨料反應,凍融循環性能,抗氯離子侵透性或鋼筋銹蝕等,目前高性能混凝土一般采用“雙摻”技術制備,即在混凝土中加入礦物料及高效外加劑,混凝土的工作性、強度等得到了很大改善,但混凝土還是出現了裂縫,在環境因素的侵蝕作用下其耐久性下降,甚至出現混凝土建筑物崩塌事故。

3 高性能混凝土耐久性不良的原因

3.1 產生孔隙、裂縫

1)化學收縮裂縫:水泥水化反應,其生成物的體積總和小于反應物體積總和,使混凝土體積收縮;2)干濕裂縫:混凝土進入硬化階段后,毛細孔水分蒸發,毛細孔表面張力使混凝土產生收縮應變,混凝土體積收縮,產生裂縫;3)溫度裂縫:水泥水化過程中放出大量熱量,使混凝土在凝結過程中經歷了一個熱脹冷縮的過程,內部混凝土由于溫度較高體積產生較大的膨脹,而外部混凝土卻隨氣溫低而體積收縮,致使混凝土產生溫度裂縫。

3.2 侵蝕破壞

1)硫酸鹽侵蝕:混凝土硬化后,外界硫酸鹽與水泥水化產物水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石,產生體積膨脹,使混凝土脹裂破壞;2)氯離子侵蝕:氯離子破壞了鋼筋表面的鐵化合物保護層,使鋼筋逐漸被腐蝕,生成的鐵化合物由于體積增大而使混凝土產生開裂。

4 混凝土工程耐久性不足的后果

混凝土工程因其工程量浩大,將會因耐久性不足對未來社會造成極為沉重的負擔。中國20世紀50年代～60年代所建設的混凝土工程已使用40余年,如果我國混凝土工程的平均壽命按30年～50年計,在今后的10年～30年內,為了維修建國以來所建基礎設施的費用,將是極其巨大的。目前,我國的基礎設施建設工程規模宏大,每年高達 2萬億元以上,約 30年～50年后,這些工程也將進入維修期,所需的維修費或重建費將更為巨大。作為21世紀的高性能混凝土,更要從提高混凝土耐久性入手,以降低巨額的維修和重建費用。

5 提高混凝土耐久性的技術途徑

5.1 摻入高效減水劑

在保證混凝土拌合物所需流動性的同時,盡可能降低用水量,減小水灰比,使混凝土的總孔隙,特別是毛細管孔隙率大幅度降低。水泥在加水攪拌后,會產生一種絮凝狀結構。在這些絮凝狀結構中,包裹著許多拌合水,從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌合物所需的工作性,就必須在拌和時相應地增加用水量,這樣就會促使水泥石結構中形成過多的孔隙。當加入減水劑后,減水劑的定向排列,使水泥質點表面均帶有相同電荷。在電性相斥的作用下,不但使水泥體系處于相對穩定的懸浮狀態,還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜使水泥絮凝狀的絮凝體內的游離水釋放出來,因而達到減水的目的。

5.2 摻入高效活性礦物摻料

在普通混凝土中摻入活性礦物的目的,在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質的組成。活性礦物料(矽灰、礦渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO及活性AlO,它們能和水泥水化過程中產生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產生二次反應,生成強度更高,穩定性更優的低堿性水化矽酸鈣,從而達到改善水化膠凝物質的組成,消除游離石灰的目的。有些超細礦物摻料,其平均粒徑小于水泥粒子的平均粒徑,能填充于水泥粒子之間的空隙中,使水泥石結構更為致密,并阻斷可能形成的滲透路。

5.3 消除混凝土自身的結構破壞因素

除了環境因素引起的混凝土結構破壞以外,混凝土本身的一些物理化學因素,也可能引起混凝土結構的嚴重破壞,致使混凝土失效。因此,要提高混凝土的耐久性,就必須減小或消除這些結構破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿,SO,C等可以引起結構破壞和鋼筋腐蝕物質的含量,加強施工控制環節,避免收縮及溫度裂縫產生,提高混凝土的耐久性。

5.4 保證混凝土的強度

在混凝土能充分密實條件下,隨著水灰比的降低,混凝土的孔隙率降低,混凝土的強度不斷提高,與此同時,隨著孔隙率降低,混凝土的抗滲性提高因而各種耐久性指標也隨之提高。在現代的高性能混凝土中,除摻入高效減水劑外,還摻入了活性礦物材料,它們不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強度的同時,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外,在排除內部破壞因素的條件下,隨著混凝土強度的提高,其抵抗環境侵蝕破壞的能力也越強。

6 增強高性能混凝土耐久性的設計要點

6.1 設計混凝土目標性能

應根據工程使用功能與混凝土結構周圍環境的具體情況設計混凝土的目標性能,中國的傳統混凝土工程面臨“四害”即鹽害(鋼筋混凝土的氯離子腐蝕)、凍害、堿害、環境水質和大氣腐蝕。因此,高性能混凝土的設計要根據工程環境提出的耐久性要求并結合工程的使用功能,用“整體理論”的方法設計混凝土的目標性能。

6.2 摻加合適的礦物超細粉

在高性能混凝土中用合適的礦物超細粉替代等量水泥,可使混凝土性能優化,具體體現在:1)使膠凝材料密實度提高,膠凝材料水化后密實度、強度提高,抗侵蝕能力提高。2)可改善混凝土中水泥石與粗骨料間的界面結構,使混凝土的強度、耐久性都得到提高。3)可減少化學收縮、干縮,降低水化熱,減少開裂,使混凝土強度、耐久性提高。改善混凝土的孔隙結構,對其抗滲性、耐久性十分有利。

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