高性能混凝土耐久性分析

高 飞

1 高性能混凝土概念

水泥基材料——混凝土,经历了普通、高强、高性能三个阶段。混凝土的历史可追溯至石器时代的晚期,但19世纪波特兰水泥的诞生和钢筋混凝土的出现,才真正使混凝土成为土木工程中最重要的结构材料。在短短的百余年间,混凝土的社会需求不断扩大,道路桥梁、隧道涵洞、各种工业、民用建筑,水上和海上构筑物,给水排水沟渠管道、采油平台、压力容器,现代混凝土结构的建筑无处不在。从20世纪50年代全球混凝土年平均用量不到20亿t,到现在即将突破100亿t,混凝土的推广速度是其他任何建筑材料所不能比拟的。1990年,美国国家准予技术研究院NIST及美国混凝土协会ACI联合提出“高性能混凝土”的概念,定义高性能混凝土为同时具有高力学性能、高工作性和高耐久性的匀质混凝土,应采用优质的原材料,严格的施工工艺,配制成易浇筑、捣实而不离析,具有长期保持优越的强度等力学性能,韧性高,体积稳定,在恶劣条件下耐久性好的混凝土。“高性能混凝土”的提出,既是对近年混凝土技术成就的总结,又是对未来混凝土发展的展望。

2 高性能混凝土的耐久性

2.1 混凝土的耐久性问题

混凝土的耐久性是当前国际上与之相关学科最为重要的前沿研究领域之一。混凝土的耐久性,是指结构在要求的目标使用期限内不需要花费大量资金加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。通俗来讲,也就是建(构)筑物的使用年限。近几十年来由于混凝土耐久性不足,在建筑物或构筑物的计基准期内,容易出现质量问题,导致结构可靠度降低。为维持结构必要的安全性和适用性,需要大笔维修费用。如果不能继续使用,则往往予以拆除,成为不可再利用的大宗垃圾,占用大片土地,造成巨大的经济损失,这是各国普遍存在的现象。工程实例教训所花费的经济、环境代价是昂贵和惨痛的。

2.2 高性能混凝土耐久性及其影响因素

高性能混凝土耐久性指混凝土在使用过程中抗大气、环境作用的能力。其内容主要包括:混凝土抗化学侵蚀,碱—骨料反应,冻融循环性能,抗氯离子侵透性或钢筋锈蚀等,目前高性能混凝土一般采用“双掺”技术制备,即在混凝土中加入矿物料及高效外加剂,混凝土的工作性、强度等得到了很大改善,但混凝土还是出现了裂缝,在环境因素的侵蚀作用下其耐久性下降,甚至出现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 产生孔隙、裂缝

1)化学收缩裂缝:水泥水化反应,其生成物的体积总和小于反应物体积总和,使混凝土体积收缩;2)干湿裂缝:混凝土进入硬化阶段后,毛细孔水分蒸发,毛细孔表面张力使混凝土产生收缩应变,混凝土体积收缩,产生裂缝;3)温度裂缝:水泥水化过程中放出大量热量,使混凝土在凝结过程中经历了一个热胀冷缩的过程,内部混凝土由于温度较高体积产生较大的膨胀,而外部混凝土却随气温低而体积收缩,致使混凝土产生温度裂缝。

3.2 侵蚀破坏

1)硫酸盐侵蚀:混凝土硬化后,外界硫酸盐与水泥水化产物水化铝酸钙反应生成钙矾石,产生体积膨胀,使混凝土胀裂破坏;2)氯离子侵蚀:氯离子破坏了钢筋表面的铁化合物保护层,使钢筋逐渐被腐蚀,生成的铁化合物由于体积增大而使混凝土产生开裂。

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,将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。中国20世纪50年代～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年～50年计,在今后的10年～30年内,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 2万亿元以上,约 30年～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。

5 提高混凝土耐久性的技术途径

5.1 掺入高效减水剂

在保证混凝土拌合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,包裹着许多拌合水,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合物所需的工作性,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。在电性相斥的作用下,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。

5.2 掺入高效活性矿物掺料

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。活性矿物料(矽灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO及活性AlO,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。

5.3 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。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,SO,C等可以引起结构破坏和钢筋腐蚀物质的含量,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。

5.4 保证混凝土的强度

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。在现代的高性能混凝土中,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。

6 增强高性能混凝土耐久性的设计要点

6.1 设计混凝土目标性能

应根据工程使用功能与混凝土结构周围环境的具体情况设计混凝土的目标性能,中国的传统混凝土工程面临“四害”即盐害(钢筋混凝土的氯离子腐蚀)、冻害、碱害、环境水质和大气腐蚀。因此,高性能混凝土的设计要根据工程环境提出的耐久性要求并结合工程的使用功能,用“整体理论”的方法设计混凝土的目标性能。

6.2 掺加合适的矿物超细粉

在高性能混凝土中用合适的矿物超细粉替代等量水泥,可使混凝土性能优化,具体体现在:1)使胶凝材料密实度提高,胶凝材料水化后密实度、强度提高,抗侵蚀能力提高。2)可改善混凝土中水泥石与粗骨料间的界面结构,使混凝土的强度、耐久性都得到提高。3)可减少化学收缩、干缩,降低水化热,减少开裂,使混凝土强度、耐久性提高。改善混凝土的孔隙结构,对其抗渗性、耐久性十分有利。

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