高性能混凝土耐久性问题解析与思考

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高性能混凝土耐久性问题解析与思考




高性能混凝土结构耐久性问题分析与思考
内容摘要

近些年来,混凝土的应用越来越广泛,混凝土的强度不断提高,某些工程根据自身特点需要,在提出高强度的同时,也提出高性能、耐久性和施工和易性的要求。本文通过对当前施工中混凝土结构设计中存在的高性能混凝土的耐久性问题进行分析,提出了影响混凝土结构耐久性的因素并指出了在施工中常见的提高混凝土结构耐久性的措施,并结合现阶段我国的实际情况,对现阶段我国设计施工中存在的一些缺陷进行了思考。

关键词:高性能混凝土;耐久性;应用;高活性矿物掺料


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高性能混凝土结构耐久性问题分析与思考


内容摘要...........................................................................................................................I..........................................................................................................................11高性能混凝土及耐久性概念.....................................................................................2
1.1高性能混凝土的概念.....................................................................................21.2混凝土耐久性的概念.....................................................................................22高性能混凝土设计研究与广泛应用........................................................................33混凝土工程耐久性不足的后果................................................................................44混凝土耐久性的影响因素........................................................................................5
4.1混凝土的材质.................................................................................................54.2混凝土的密实性.............................................................................................5
4.2.1渗透:..................................................................................................54.2.2碳化:..................................................................................................54.2.3冻融破坏:..........................................................................................54.3混凝土结构所处的环境条件.........................................................................54.4钢筋的锈蚀.....................................................................................................65提高混凝土结构耐久性的主要技术措施................................................................7
5.1原材料的选择.................................................................................................7
5.1.1掺入高效减水剂..................................................................................75.1.2掺入高效活性矿物掺料......................................................................75.2消除混凝土自身的结构破坏因素.................................................................85.3提高混凝土的密实性.....................................................................................85.4保证混凝土的强度.........................................................................................85.5控制施工质量.................................................................................................85.6结构的日常维护.............................................................................................96对现有混凝土结构设计施工的思考......................................................................10参考文献........................................................................................................................11

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高性能混凝土结构耐久性问题分析与思考


混凝土结构以其整体性好、耐久性好、可塑性强、维修费用少等优点广泛使用于整个20世纪,发现混凝土的耐久性问题则是在6070年代。一些发达国家的混凝土桥使用了三四十年后,纷纷进入老化期。人们始料不及的是混凝土材料在不利的环境、运用条件下,出现了一系列影响结构耐久性的物理、化学现象,如结构混凝土的碳化、保护层剥落、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏、混凝土集料的化学腐蚀等等。我国七十年代后期建造的混凝土桥梁亦发现有严重的开裂现象。因而混凝土结构的耐久性问题已成为结构工程师们不容忽视的一个问题,并且由此提出高性能混凝土的研发和使用。
混凝土结构的耐久性概括起来是指混凝土抵抗周围不利因素长期作用的性能。结构耐久性问题主要表现为:混凝土损伤;钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀;以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱等三个方面。从短期效果而言,这些问题影响结构的外观和使用功能;从长远看,则为降低结构安全度,成为发生事故的隐患,影响结构的使用寿命。下面从影响混凝土结构耐久性的主要因素和提高耐久性的技术措施两个方面来探讨高性能混凝土的耐久性问题,并对现有混凝土结构设计施工问题进行了思考。

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高性能混凝土结构耐久性问题分析与思考
1高性能混凝土及耐久性概念
1.1高性能混凝土的概念
高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺,通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土[1]。具体是:1拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析,便于浇筑,密实;2在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定,水化热低,不产生微细裂缝,徐变小;3有很高的抗渗性。其中高工作性是高性能混凝土必须具备的首要条件,即高流动性、高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性;并同时具备低成本的技术经济合理性。高性能混凝土具有很丰富的技术内容,其核心是保证耐久性
1.2混凝土耐久性的概念
混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内,在各种环境条件作用下,不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。混凝土耐久性主要指:抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化。现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010[2]明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。


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2高性能混凝土设计研究与广泛应用
高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向,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,便于浇捣、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。由于高性能混凝土具有综合的优异技术特性,引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。十多年来,世界上许多国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与开发应用,使高性能混凝土技术取得了很大的进展,在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应用技术等方面都取得了既有理论基础又有实用价值的科技成果。
高性能混凝土为一种能满足特殊性能和特殊用途的混凝土,仅采用常规材料、普通拌和、浇筑和养护等措施达不到高性能混凝土的要求,而是必须通过提高浇筑、捣实的方法来提高混凝土的长期力学性能、初期强度、刚度和体积稳定性以及延长其在恶劣环境下的使用寿命。
高性能混凝土往往被人们将其与高强度混凝土联系起来,其实质高性能混凝土不仅仅是高强度,而且具有相当高的刚度、弹性模量和耐久性,普通混凝土不能长久作用,如许多混凝土道路在不该开裂的地方开裂或者由于冰冻和融化而剥落;许多桥面遭受严重破坏;许多混凝土桥梁在地震中倒塌。因此,只有采用高性能混凝土才有可能避免这些不该发生的事故。


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3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,将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示,美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元,每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏,平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌,寿命不足20年;美国共建有混凝土水坝3,000座,平均寿命30年,其中32%的水坝年久失修。
美国对二战前后兴建的混凝土工程,在使用30-50年后进行加固维修所投入的费用,约占建设总投资的40%-50%以上。中国50-60年代所建设的混凝土工程已使用40余年,如果我国混凝土工程的平均寿命按30-50年计,在今后的10-30内,为了维修建国以来所建基础设施的费用,将是极其巨大的。
目前,我国的基础设施建设工程规模宏大,每年高达2万亿元人民币以上,30-50年后,这些工程也将进入维修期,所需的维修费或重建费将更为巨大。作为21世纪的高性能混凝土,更要从提高混凝土耐久性入手,以降低巨额的维修和重建费用。


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4混凝土耐久性的影响因素
4.1混凝土的材质
混凝土是碎石、砂、水泥和水拌合后凝硬而成。这些材料的优劣直接影响到硬化后混凝土的质量(包括密实度和强度等,好质量的材料将为工程使用期混凝土的耐久性打下良好的基础。近年来由于基本建设的迅猛发展,施工中往往忽略对材质的要求,工地上只检查混凝土试件的强度作为材质的唯一标准。岂知不合规格的材料,将导致混凝土收缩徐变量大大增加,初始裂缝大量产生,这对混凝土结构安全将是一严重隐患。
4.2混凝土的密实性
混凝土的内部缺陷(不密实),使混凝土在使用过程中易受各种不利因素的侵袭,主要有如下几种形式:4.2.1渗透:
当混凝土不密实,空气和水容易渗入,水中有害物质就易对混凝土产生化学侵蚀,影响混凝土的耐久性。4.2.2碳化:
混凝土中因水泥石含有氢氧化钙而呈碱性,在钢筋表面形成碱性薄膜而保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀,起到了“钝化”保护作用。但当混凝土密实度低,空气中水和C02渗入,形成碳酸,尽管其酸性很弱,也能中和氢氧化钙使钢筋锈蚀,这一过程成称混凝土的“碳化”。4.2.3冻融破坏:
混凝土不密实,体内渗入的水量大,低温时水结冰体积膨胀产生压力,从内部破坏混凝土的微观结构,经多次冻融循环后,损伤积累将使混凝土剥落酥裂,强度降低。
4.3混凝土结构所处的环境条件
工程结构使用时所处的环境条件是影响混凝土结构耐久性的外部因素,如海水侵蚀、大气腐蚀、极高温度、冰冻、水、风、地震灾害的袭击等。根据环境条件对混凝土耐久性的影响,《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004)根据公路桥梁的使用情况[3],使用环境条件划分为下列4类:

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Ⅰ类环境——系指温暖或寒冷地区的大气环境;与无侵蚀性的水或土接触的环境。
Ⅱ类环境——系指严寒地区的大气环境;使用除冰盐环境;滨海环境。Ⅲ类环境——系指海水环境。
Ⅳ类环境——系指受侵蚀性物质影响的环境。
在上述环境分类中,严寒地区是指累年最冷月平均温度低于-10℃地区;寒冷地区是指累年最冷月平均温度高于-10℃,低于或等于0℃的地区。除冰盐环境是指北方城市依靠喷洒盐水除冰化雪的且其主梁受到侵蚀的环境;滨海环境是指海水浪溅区以外且其前无建筑物遮挡的环境;海水环境是指潮汐区、浪溅区及海水中的环境;受侵蚀性物质影响的环境是指某些化学工业和石油化工厂的气态、液态和固态侵蚀性物质影响的环境。
如上所述,混凝土结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结构的使用环境,同时与结构设计、施工及养护密切相关。转贴于中国
4.4钢筋的锈蚀
钢筋的锈蚀表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应,逐步生成氢氧化铁等即铁锈,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道,加快结构的损坏。王建花认为[4]混凝土碳化和中性化主要是由于混凝土的密实度即抗渗性不足,酸性气体渗入混凝土内与氢氧化钙作用;其二,氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用;其三,钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂;其四,钢筋的氢脆现象,即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂,钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气,当钢筋内部存在缺陷,会产生很大压力,出现鼓泡现象,使钢筋脆化。


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5提高混凝土结构耐久性的主要技术措施
5.1原材料的选择
水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结,硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土的耐久性就被破坏,因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小,水化热低,干缩性小,耐热性,抗水性,抗腐蚀性,抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。集料的选择应考虑其碱活性,耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度;掺混合材料的混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施,即近年来发展的高性能混凝土。5.1.1掺入高效减水剂
在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,尽可能降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙,特别是毛细管孔隙率大幅度降低。
水泥在加水搅拌后,会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中,包裹着许多拌和水,从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性,就必须在拌和时相应地增加用水量,这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后,减水剂的定向排列,使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来,因而达到减水的目的。5.1.2掺入高效活性矿物掺料
普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足,是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的,在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矽灰、矿渣、粉煤灰等中含有大量活性SiO2活性Al2O3,它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应,生成强度更高,稳定性更优的低碱性水化矽酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离石灰的目的。有些超细矿物掺料,其平均粒径小于水泥粒子的平均粒径,能填充于水泥粒子之间的空隙中,使水泥石结构更为致密,并阻断可能形成的渗透路。

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5.2消除混凝土自身的结构破坏因素
除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外,混凝土本身的一些物理化学因素,也可能引起混凝土结构的严重破坏,致使混凝土失效。例如,混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂,水化热过性过高引起的温度裂缝,硫酸铝的延迟生成,以及混凝土的碱集料反应等。因此,要提高混凝土的耐久性,就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、SO3C1-等可以引起结构破坏和钢筋蚀物质的含量,加强施工控制环节,避免收缩及温度裂缝产生,提高混凝土的耐久性。
5.3提高混凝土的密实性
控制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量,改善混凝土的施工工艺,搅拌均匀、充分振捣,加强养护,严格控制施工质量。除了选择及配良好的集料和精心施工保证混凝土充分捣实和水泥充分水化外,水灰比是影响混凝土密实性的最重要的条件,故《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011[5]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[1]规定了各类环境条件下满足混凝土耐久性要求的最大水灰比和最小水泥用量值。同时适当掺用外加剂,如掺用减水剂或引气剂,可改善混凝土的孔隙结构,提高混凝土的密实性。
5.4保证混凝土的强度
尽管强度与耐久性是不同概念,但又密切相关,它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构,都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下,随着水灰比的降低,混凝土的孔隙率降低,混凝土的强度不断提高,与此同时,随着孔隙率降低,混凝土的抗渗性提高,因而各种耐久性指标也随之提高。在的高性能混凝土中,除掺入高效减水剂外,还掺入了活性矿物材料,它们不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外,在排除内部破坏因素的条件下,随着混凝土强度的提高,其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。
5.5控制施工质量
控制施工质量主要从混凝土结构保护层的厚度控制、混凝土结构各种孔隙的控制以及水灰比控制等几个方面进行。针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境,设计使用年限为100年的结构混凝土应保护层厚度应按规范的规定增加40%;混凝土结构及构件宜整体浇筑,不宜留施工缝。可以通过掺加高效减水剂,在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,降低用水量,

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减小水灰比,使混凝土的总孔隙率大幅度降低。
5.6结构的日常维护
结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。在使用中,应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质,并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查,在结构破坏超过一定的界限后,就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。


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6对现有混凝土结构设计施工的思考
我国的结构设计规范长期没有设计使用年限的要求,在近几年修订颁布的《建筑结构设计规范》中才明确规定将建筑结构的设计年限分为四类,但这对提高混凝土结构的耐久性起不到太大的作用,虽然结构的使用年限可以通过维修延长,但结构中的个别部件不一定能够达到设计使用年限,这在桥梁等结构中尤为明显。例如设计使用30年的拉索往往不到20年就要更换,这无疑会大大缩短结构的使用寿命,应该在设计时加以考虑。
另外,由于我国的国情限制,我国的混凝土结构往往达不到发达国家的设计与施工水平。随着改革开放的进行,我国的结构设计水平已经逐渐与国际接轨,但不可否认的是,我国的科技水平仍然无法与发达国家相比,在设计中也就难免有这样那样的问题。我国的劳动力素质普遍低下,建筑施工大多还是粗放型的建造方式,施工质量难以保证。同时,我国的建筑材料与国外也有不小的差距,例如我国的水泥质量一般要比欧洲差,随着龄期的发展其后期性能提高可能相对较少,因此在龄期系数的取值上宜偏低取用。而这些也就使我国的混凝土结构耐久性低于国外水平。
混凝土破坏绝非是某一孤立原因造成的,多是与其他综合不利因素有关。从混凝土技术的发展来看,高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比,选用优质原材料,除水泥、水和骨料外,必须掺加足够数量的矿物集料和高效减水剂,减少水泥用量,减少混凝土内部孔隙率,减少体积收缩,提高强度,提高了结构的耐久性,必然成为未来混凝土的发展趋势。

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高性能混凝土结构耐久性问题分析与思考
参考文献

[1]戴文跃,安美华。高性能混凝土发展前景浅析[J]中国建设信息,2006,(11[2]国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-20102010818日,住房和城乡建
设部发布公告,自201171日起实施。
[3]行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-200420046
28日,交通部发布公告,自2004101日起实施。
[4]王建花。钢筋砼结构的耐久性[J]。淮阴工学院学报,2004,(05
[5]行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-20112011422日,住房和城乡
建设部发布公告,自2011121日起实施。

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本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/e2c819619b6648d7c1c74618.html

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