混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與高性能混凝土配制技術(shù)

1、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與高性能混凝土配制技術(shù)美國的公路橋梁 主要是60年代后的鹽腐蝕 由于改進(jìn)了橋梁耐久性設(shè)計方法并采用了許多新的防腐技術(shù)，美國新建橋梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，預(yù)期已能滿足75年以上設(shè)計壽命 但是過去建成的橋梁已無法改變，仍將繼續(xù)為其付出昂貴的維修費用直至最后拆除重建 美國每年用于基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)的費用約為這些基礎(chǔ)設(shè)施總資產(chǎn)的10% 研究認(rèn)為，對于橋梁等生命線工程，因修復(fù)、更換造成交通延誤等間接損失更大，間接經(jīng)濟(jì)損失是直接用于橋梁修復(fù)費用的10倍。 在加拿大，為修復(fù)其劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計需耗費5000億美元 在英國，據(jù)說有1/3的橋梁需要修復(fù) 發(fā)達(dá)國家土建設(shè)施腐蝕造

2、成的年損失約占GDP的1.52%，其中主要是混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕高性能混凝土的特點： 較低的水泥用量、較多的礦物摻和料用量，較少的拌和水用量 混凝土有較高的密實性、抗裂性、抗化學(xué)腐蝕性和工作性 能提高混凝土耐久性，又充分利用工業(yè)廢料和減少水泥生產(chǎn)的能源消耗與污染 這種混凝土有可能為基礎(chǔ)設(shè)施工程提供100年以上的使用壽命北美（加拿大安大略?。┕窐蛎姘迥途眯栽O(shè)計要求中國美術(shù)館全景美術(shù)館梁鋼筋銹蝕情況 美術(shù)館地下室頂板鋼筋銹蝕情況我國現(xiàn)行規(guī)范（80年代頒布）與國外比較 配筋混凝土 我國 美國 英國最低強(qiáng)度 等級 C15 C25 C30（C25） 碳化銹蝕 露天雨淋環(huán)境下保護(hù)層厚度板2cm 梁3cm3.8

3、cm （d16）C35, 3.5cm干濕交替下C40，4cm 嚴(yán)重凍融僅水工規(guī)范 要求引氣要求引氣 要求引氣日本規(guī)范規(guī)定的更高（最低相當(dāng)于C35，100年壽命為C45 ）混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化鋼筋銹蝕 氯離子引起 水 氧 近海環(huán)境、除冰鹽環(huán)境，氯離子從外表侵入 海砂、防凍鹽用于混凝土，氯離子拌入 碳化引起 二氧化碳 水 氧凍融破壞 水飽和程度 凍融循環(huán)次數(shù) 混凝土損傷剝落硫酸鹽、酸、軟水侵蝕堿骨料反應(yīng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)骨料，水泥漿體，漿體與骨料界面層水泥漿體組成：水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）,水化鋁硫酸鈣（少量）氫氧化鈣（強(qiáng)度差，易析出和遭鹽、酸侵蝕，堿性），未水化水泥顆粒C-S-H 凝膠孔隙（納米

4、級，與有害物質(zhì)滲透關(guān)系不大）毛細(xì)孔隙（原為拌合水占據(jù)空間，0.015微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期體積可占漿體40）氣泡（裹入氣泡和引氣氣泡） 低水膠比能改善混凝土漿體及其與骨料間的界面微結(jié)構(gòu)，降低毛細(xì)孔隙率 摻加粉煤灰等礦物摻合料能降低水化熱和減少拌和水，改善水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)；通過火山灰反應(yīng)，進(jìn)一步改善漿體及骨料界面結(jié)構(gòu)并增加混凝土后期強(qiáng)度與密實性，消耗薄弱的水化產(chǎn)物氫氧化鈣；大摻量粉煤灰混凝土對氯離子有吸附作用，并能抑制堿骨料反應(yīng)鋼筋銹蝕速率度 微米/年溫度每增加10度，銹蝕速率約可提高一倍相對濕度RH碳化引起銹蝕氯離子銹蝕50097003680161901298955012299

5、233 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計 與施工指南中國土木工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn) CCES 012004 耐久性設(shè)計的極限狀態(tài)鋼筋銹蝕 預(yù)應(yīng)力鋼筋 開始銹蝕 普通鋼筋 順筋開裂；或裂寬到 0.1mm 碳化銹蝕與氯鹽銹蝕可取不同狀態(tài)混凝土腐蝕 輕微，不影響混凝土對鋼筋的保護(hù)1980年西柏林議會大廳預(yù)應(yīng)力混凝土殼體屋頂 部分塌 毀1985年英國威爾士一座節(jié)段拼裝式預(yù)應(yīng)力混凝 土橋倒塌1992年比利時一座后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋倒塌1992年英國運輸部發(fā)布暫時停止設(shè)計后張預(yù)應(yīng) 力混凝土橋的禁令；過了4年以后才恢復(fù)我國近年因拉索銹蝕造成工程事故接連發(fā)生廣東海印大橋（斜拉橋）的拉索銹斷四川宜賓小南門拱橋 二座橋的使用年限不到10

6、年環(huán)境類別1 一般環(huán)境 （無凍融，鹽、酸等作用） 室內(nèi)干燥環(huán)境 A 非干濕交替的室內(nèi)潮濕環(huán)境或 露天環(huán)境，長期濕潤環(huán)境 B 干濕交替環(huán)境 C2 一般凍融環(huán)境 (無鹽、酸等作用) 微凍地區(qū)，混凝土中度飽水 B 微凍地區(qū)，混凝土高度飽水 C 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，混凝土中度飽水 C 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，混凝土高度飽水 D環(huán)境類別3 近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境 水下區(qū) D 大氣區(qū) 輕度鹽霧區(qū) D 離平均水位15m以上的海上大氣區(qū)， 離漲潮岸線50m外至200m內(nèi)的陸上室外環(huán)境 重度鹽霧區(qū) E 離平均水位上方15m以內(nèi)的海上大氣區(qū)， 離漲潮岸線50m內(nèi)的陸上室外環(huán)境 水位變化區(qū)和浪濺區(qū)，非炎熱地區(qū) E 水位變化區(qū)和浪濺區(qū)，

7、南方炎熱地區(qū) F環(huán)境類別4 除冰鹽凍融環(huán)境 混凝土中度飽水 E 混凝土高度飽水 F5 鹽堿結(jié)晶環(huán)境 輕度鹽堿結(jié)晶 E 重度鹽類結(jié)晶 F6 大氣污染環(huán)境 汽車或機(jī)車廢氣 C 酸雨 D （pH小于4時按E級） 鹽堿地區(qū)含鹽大氣和雨水 D ，E， C耐久性設(shè)計內(nèi)容按 環(huán)境類別，環(huán)境作用等級，設(shè)計年限確定： 1 混凝土材料 2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造和裂縫控制 3 施工要求 4 使用階段檢測和維修 5 防腐蝕附加措施氯離子環(huán)境下的重要工程，按劣化模型計算復(fù)核1 混凝土材料選擇1) 選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量水泥2) 選用堅固耐久的潔凈骨料，重視粗骨料級配及 粒形3) 礦物摻和料作為一般情況下的必需組份4

8、) 將適量引氣作為常規(guī)手段5) 采用偏低的用水量6) 限制單方混凝土中膠凝材料最低和最高用量 7) 盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量強(qiáng)度與耐久性的矛盾 粉煤灰 引氣劑低水膠比與抗裂性的矛盾 2 構(gòu)造措施和裂縫寬度限制1)隔絕或減輕環(huán)境對混凝土的作用 結(jié)構(gòu)形狀，防、排水，表面涂層或防腐層 2)為鋼筋提供足夠的混凝土保護(hù)層厚度 3)混凝土裂縫控制 混凝土表面裂縫寬度限制與保護(hù)層厚度的矛盾 增加保護(hù)層厚度，表面裂寬將增大，但對防止鋼筋銹蝕仍然非常有利。 CCES01-2004標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 3 施工要求與施工質(zhì)量驗收必須將施工質(zhì)量保證作為耐久性設(shè)計中特殊重要的內(nèi)容 表層混凝土質(zhì)量混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量 保護(hù)

9、層厚度的施工允許誤差 質(zhì)量檢驗 保護(hù)層厚度，含氣量，表層混凝土滲透性 （現(xiàn)場回彈、抗拔、抗?jié)B） 混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量要在合同中規(guī)定獎懲辦法 抽樣檢測鋼筋保護(hù)層厚度 對表層混凝土滲透性作現(xiàn)場實測或鉆芯測試鋼筋位置的誤差，5mm的施工誤差，可使20mm保護(hù)層厚度的墻、板鋼筋開始銹蝕的年限縮短近一半 養(yǎng)護(hù)不良影響更大 DuraCrete指南中，7天的養(yǎng)護(hù)系數(shù)為1天的2倍（氯離子作用）和4倍（碳化作用）可使工作壽命 從50年分別降到約25年和12.5年 施工質(zhì)量對結(jié)構(gòu)耐久性的重要性 4 使用期內(nèi)的維修和定期檢測 使用年限與使用階段維修緊密聯(lián)系 環(huán)境嚴(yán)重作用下的結(jié)構(gòu)物必須定期檢測 設(shè)計文件中必須向業(yè)主與運營單

10、位提出使用過程中的定期檢測和維修要求 5 防腐蝕附加措施環(huán)氧涂層鋼筋混凝土表面防腐涂層、面層鋼筋阻銹劑滲透模板陰極保護(hù)二、以耐久性為主的高性能混凝土設(shè)計與配制技術(shù) HPC與傳統(tǒng)混凝土在配合比設(shè)計上的區(qū)別傳統(tǒng)混凝土 傳統(tǒng)混凝土配合比設(shè)計僅考慮安全性、工作性和經(jīng)濟(jì)性，以強(qiáng)度指標(biāo)為核心。 對耐久性要求僅限制最大水灰比與最小水泥用量，混凝土 組成材料要求不高，對混凝土配合比設(shè)計參數(shù)考慮不全面 。高性能混凝土 配制HPC的關(guān)鍵技術(shù)以耐久性作為主要設(shè)計指標(biāo)，針對不同用途要求，對下列性能有重點地予以保證，耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。其中高耐久性和高抵抗變形能力則是重中之重。為此，配制H

11、PC需采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水、骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物摻合料和高效減水劑。以耐久性為主的HPC配合比設(shè)計法則低用水量法則低水泥用量法則最大堆積密度法則水灰比適當(dāng)法則活性摻合料與高效減水劑雙摻法則低用水量法則 指在滿足混凝土工作性條件下盡可能減少用水量。混凝土拌和水量高的后果是:抗壓和抗折強(qiáng)度降低、吸水率和滲透性增大、水密性降低、干縮裂縫出現(xiàn)的幾率加大、骨料與水泥石界面粘結(jié)力及鋼筋與砼之間的握裹力減小、混凝土干濕體積變化率加大、抗風(fēng)化能力降低。為此，HPC要求用水量一般要求不大于160kg/m3。 低水泥用量法則 在滿足混凝土工作性和強(qiáng)度前提下盡量減小水泥用量，這是提高砼

12、體積穩(wěn)定性和抗裂性的一條重要措施。水泥的水化過程表明，水泥和水的正效應(yīng)是作為砼的活性組分，是粘結(jié)砂石骨料并產(chǎn)生整體強(qiáng)度的膠凝材料，但同時也是砼耐久性的主要劣化因子。過高的水泥漿量會產(chǎn)生高水化熱、高的坍落度損失，增大塑性收縮裂縫出現(xiàn)的幾率，導(dǎo)致砼彈性模量降低，干縮率和徐變值增大。因此，對中、高強(qiáng)砼提高水泥用量并不能改善砼性能。最大堆積密度法則 系指優(yōu)化混凝土中骨料的級配，獲取最大堆積密度和最小空隙率，以便盡可能減少水泥漿的用量，來達(dá)到降低含砂率，減少用水量和水泥用量，提高混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性之目的 。水灰比適當(dāng)法則 在一定范圍內(nèi)，混凝土抗壓強(qiáng)度與其拌合物的灰水比成正比，減小W/C，砼抗壓強(qiáng)度和體積

13、穩(wěn)定性提高。但為保證混凝土的抗裂性能，水灰比應(yīng)適當(dāng)，不宜過小，過小的W/C易增大混凝土自生收縮率，對混凝土抗裂性不利。活性摻合料與高效減水劑雙摻法則 活性摻合料與高效減水劑的超疊迭加效應(yīng)是制備HPC的必要條件，該雙摻技術(shù)可減少水泥用量和用水量、密實砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使混凝土中Ca(OH)2含量降低、晶粒減小、晶體取向性減弱，機(jī)體與集料的界面粘接強(qiáng)度提高，具有高電阻和低電滲，后期強(qiáng)度可持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展，耐久性得到有效的改善。HPC配合比設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)HPC原材料技術(shù)要求HPC配合比設(shè)計指標(biāo)HPC配合比設(shè)計參數(shù)HPC配合比試配與優(yōu)選 HPC原材料技術(shù)要求水泥礦物摻合料混凝土用骨料化學(xué)外加劑混凝土拌和用水

14、HPC對水泥的要求 選用品質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，前二者宜與礦物摻合料一起使用； 強(qiáng)度等級宜為42.5級，且不低于32.5級 ； C3A含量一般不宜超過8%、水泥比表面積不超過350m2/kg，游離氧化鈣不超過1.5%； 大體積混凝土宜采用C2S含量相對較高的水泥； 水泥的含堿量不宜超過水泥質(zhì)量的0.6%；如摻礦物摻合料，則混凝土總含堿量不宜超過3.5kg/m3； 配筋混凝土的使用環(huán)境有氯鹽作用時，應(yīng)選用氯離子含量盡可能低的水泥；如使用環(huán)境無氯鹽作用，配筋混凝土所用水泥的氯離子含量也不宜超過水泥重的0.2%（對鋼筋混凝土）和0.1%（對預(yù)應(yīng)力混凝土）。水泥的性能與應(yīng)

15、用中的有關(guān)問題HPC對礦物摻合料的要求 粉煤灰：在混凝土中摻量應(yīng)不少于膠凝材料總量的20%，當(dāng)摻量達(dá)30%以上時，水膠比不宜大于0.5，并應(yīng)隨粉煤灰摻量的增加而減小。粉煤灰作為摻和料用于凍融和除冰鹽環(huán)境下的引氣混凝土?xí)r應(yīng)嚴(yán)格限制其燒失量； 磨細(xì)礦渣：比表面積宜在400 m2/kg左右。對于硫酸鹽腐蝕環(huán)境宜將大摻量礦渣作為膠凝材料的必需組分，礦渣的最大摻量在低水膠比的混凝土中可達(dá)膠凝材料總量的90%； 硅灰：摻量一般不超過8%。硅灰中的二氧化硅含量宜大于90%，比表面積不小于15m2/g。硅灰宜用于配制有特殊高強(qiáng)或高耐磨的混凝土，或與其它礦物摻合料復(fù)合使用； 復(fù)合摻合料：由二種或二種以上的摻和料

16、復(fù)合而成,其效果通常要明顯優(yōu)于單一礦物摻和料。 HPC對混凝土用骨料的要求 質(zhì)地均勻堅固，粒形和級配良好、吸水率低、空隙率??； 混凝土處于凍融循環(huán)環(huán)境下時需對骨料的堅固性進(jìn)行試驗； 處于干濕循環(huán)、凍融循環(huán)下的混凝土，粗、細(xì)骨料中的含泥量應(yīng)分別低于0.7%和1%；粗、細(xì)骨料中的水溶性氯離子含量均應(yīng)不超過骨料質(zhì)量的0.02%； 氯鹽環(huán)境嚴(yán)重作用（D、E、F級）下的混凝土，不宜采用抗?jié)B透性較差的巖質(zhì)如花崗巖、砂巖等作為粗、細(xì)骨料； 重要的配筋混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)嚴(yán)禁使用海砂； 使用骨料前應(yīng)驗明有無潛在活性 。 HPC對外加劑的要求 應(yīng)了解外加劑的主要成分、氯離子含量、堿含量、推薦摻量與相應(yīng)減水率等性能、

17、摻加方法以及施工中的注意事項等； 混合使用不同種類外加劑時，應(yīng)事先測定其相容性； 氯離子含量不得大于砼中膠凝材料總重的0.02%，高效減水劑中的硫酸鈉含量不大于減水劑干重的15%； 氯化鈣不能作為外加劑用于硫酸鹽環(huán)境嚴(yán)重作用下的混凝土，也不能用作冬季施工的抗凍劑。阻銹劑的長期有效性需經(jīng)檢驗，一般不能使用亞硝酸鈉類阻銹劑。混凝土拌合用水 混凝土拌和用水應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，不得采用海水。當(dāng)混凝土可能處于氯鹽腐蝕性環(huán)境時，混凝土拌和用水中的氯離子含量宜不大于200mg/l。HPC配合比設(shè)計指標(biāo) HPC工作性 HPC強(qiáng)度 HPC耐久性HPC工作性 流動性：流動性用坍落度表示，泵送混凝土的入泵坍落

18、度與泵送高度有關(guān)，見表1；根據(jù)混凝土的入泵坍落度T1與坍落度損失T，即可算出混凝土初始坍落度T0（ T0= T1+T）； 可泵性：可泵性好的混凝土,不但流動性大,而且粘聚性、保水性好、常壓泌水率小、壓力泌水值一般控制在40130ml，便于泵送施工。泵送高度100入泵坍落度100140140160160180180200表1 混凝土入泵坍落度選用表HPC強(qiáng)度 根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度要求，高性能混凝土強(qiáng)度等級為C30以上的中、高強(qiáng)混凝土。 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d或自然養(yǎng)護(hù)600d的抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)率不低于95%。對HPC，其計算配制強(qiáng)度用的標(biāo)準(zhǔn)差不小于3.0MPa，一般宜取56MPa。 JTJ041-2

19、000規(guī)定，配制強(qiáng)度不得小于設(shè)計強(qiáng)度的1.15倍。但混凝土抗壓強(qiáng)度也不宜過高，如超標(biāo)太多，不僅增加了材料成本，而且還會使混凝土中的膠凝材料用量過高，從而對混凝土的長期耐久性不利。 關(guān)鍵是穩(wěn)定原材料的質(zhì)量和提高管理水平來控制標(biāo)準(zhǔn)差。HPC耐久性 CCES01-2004標(biāo)準(zhǔn)將混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限分為100年、50年、和30年三級，將不同的環(huán)境類別的作用等級分為A（可忽略）、B（輕度）、C（中度）、D（嚴(yán)重）、E（非常嚴(yán)重）、F（極端嚴(yán)重） 6級,并提出混凝土抗氯離子侵入性指標(biāo)。表2 混凝土抗氯離子侵入性指標(biāo)使用年限級別一(100年)二(50年)作用等級DEFDEF氯離子擴(kuò)散系數(shù)(10-12m2

20、/s)8541075電量指標(biāo) 56d,(庫侖)12008008001500100025時）90 min （ 25時） 泵送 嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行安全使用和操作砼泵 泵送前應(yīng)檢測砼拌合物的坍落度 泵送時先經(jīng)泵水檢查，潤滑用泵送砂漿除粗骨料外 應(yīng)具有相同的配合比 泵送應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，有計劃中斷時，中斷時間1h 根據(jù)實際情況預(yù)先劃分好澆筑區(qū)域，澆筑應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) 澆筑順序，由遠(yuǎn)而近，先豎向結(jié)構(gòu)再水平結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間，上下層之間的砼澆筑間隙時間砼初凝時間，否則按施工縫處理 振動時間10-20秒，砼開始泛漿和不冒氣泡，摻FA砼不得漏振和過振 對由于砼沉降及干縮產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)性的表面裂縫，應(yīng)在砼終凝前予以修整 水平

21、結(jié)構(gòu)的砼表面，應(yīng)適時用木抹子磨平搓毛兩遍以上，必要時還應(yīng)先用鐵滾筒壓一遍以上，以防止產(chǎn)生收縮裂縫澆筑 摻FA高性能砼應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，應(yīng)保持有利于硬化及強(qiáng) 度增長的溫濕度環(huán)境 制定具體養(yǎng)護(hù)方案，并嚴(yán)格執(zhí)行養(yǎng)護(hù)制度 在初凝以后加薄膜等覆蓋和灑水養(yǎng)護(hù)，灑水次數(shù)以 保持表面濕潤 保溫養(yǎng)護(hù)時間一般14d，干燥或炎熱條件21d 低溫條件下施工應(yīng)加強(qiáng)表面保溫（ 5），保溫養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度得到設(shè)計強(qiáng)度的40%（受凍前 5MPa） 養(yǎng)護(hù)三、高性能混凝土研究 及在工程中的應(yīng)用表1 C50高性能混凝土配合比（kg/m3）圖1 不同粉煤灰摻量的高性能混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律圖2 粉煤灰混凝土自生收縮率圖3 C50粉煤灰混凝土干燥收縮率圖5 混凝土徐變系數(shù)與持荷時間的關(guān)系高性能混凝土新進(jìn)展:高強(qiáng)高性能混凝土自密實混凝土高強(qiáng)鋼纖維混凝土RPCECC地聚合物混凝土幾個重要工程中的HPC配合比(kg/m3)工程名稱CFA+SLSG外加劑WW/BSp(%)南京長江二橋C5041212463811361.4%1600.3036阜蒙新河特大橋C504259065611181.5%1650.3237潤揚長江大橋C5045