海工水工铁路公路工程桥梁隧道混凝土耐久性.pptx

内内 容：容：1、水泥及混凝土先天缺陷2、建筑混凝土的病害3、影响混凝土耐久性的若干问题4、混凝土建筑史上重大革命HPC出现5、现阶段HPC混凝土100年耐久性基本质量指标6、HPC发展及存在的问题7、高性能混凝土表面保护100年以上耐久性的新概念8、以往国际上建筑物各种保护方式9、有机硅烷对混凝土的保护10、旧建筑物维修保护、延长使用寿命一、现行高性能混凝土一、现行高性能混凝土(HPC)工程及其发展工程及其发展1、普通混凝土（、普通混凝土（PC）缺陷及环境）缺陷及环境病害病害前前 言言 1997年美国报道其以往建筑物基建投资6万亿元，但由于耐久性差，将为此再投入1万7千亿去进行重建和维修。在一万亿投资公路建设中，25万座大小桥梁、隧道已受到破坏，估计耗费4500万去进行重建和维修。在欧洲的英国，单公路系统维修费每年将超过8亿元。1998年日本冈田清公布其从1988年开始用了10年时间调查了具有代表性的159座各类建筑物，将日本 混凝土建筑实际平均寿命划分为：一般建筑20年，隧道桥梁工程50年，水库大坝80100年，海工建筑4060年。但从统计资料中，设计低于建筑师预期要求建筑物的寿命：综合桥梁100150年，隧道80100年，大坝100年，机场跑道3050年，船坞码头80年，海工大型建筑100年，纪念性建筑500年，大型办公商业建筑80年，沿海住宅40年，内地住宅60年。现行建筑物的实际寿命与建筑要求反差很大。如经过努力，将现有耐久性水平提高，达到设计建筑要求，每年将为整个社会节约1520万亿元，并同时对环境污染处理直接或间接减轻2025%的负荷。混凝土质量劣化动态追踪混凝土质量劣化动态追踪 通过长期暴露试样测试其性能与暴露时间关系 相关项目的模拟和强化对试样测试各种因素及其性能衰变与时间的关系动态弹性模量 内部 钢筋腐蚀变化 抗渗性经时变化强度 水化后组成物凝胶结构中Ca/Si比变化 炭化深度 孔隙中的碱度变化 孔隙及孔径分布变化 裂缝生成的发展 相关主要劣化因素叠加综合影响混凝土劣化相关图：其他破坏因素 负荷因素 环境因素 钢筋锈蚀碱骨料反应 微观裂缝有害孔径 盐类腐蚀性侵蚀 裂缝加剧有害孔径增加 冻融循环 炭化及加速炭化 水泥凝胶材料的缺陷及建筑混凝水泥凝胶材料的缺陷及建筑混凝土存在的不足土存在的不足 水泥类材料的缺陷：1、塑材收缩2、抗折、抗拉强度低3、韧性差 建筑混凝土存在的不足：1、塑性、温度收缩开裂2、不均质各向异性应力开裂3、多孔性和易受水及水溶性有害酸碱及盐类侵蚀而锈蚀钢筋4、混凝土碱性、易受酸雨及酸性物质侵蚀和中性化反应造成劣化5、碱骨料反应造成膨胀龟崩6、冻融、干湿循环造成开裂及崩溃建筑混凝土后天病害建筑混凝土后天病害1、环境因素（冻融循环、干湿交替；表面炭化；氯盐、硝酸盐及硫酸盐类侵蚀；碱集料反应）2、负载影响、非破坏性的应力松弛3、细菌及微生物的及其递降分解物的侵害4、自然灾害，各种事故及机械原因2、HPC特征及改性特征及改性 提高混凝土性能提高混凝土性能 延长使用寿命延长使用寿命 目的：提高混凝土抗病害能力，延长使用寿命，提高混凝土耐压强度，减少建筑混凝土浇注尺寸及钢筋用量，提高土地使用率，降低制造成本。1、水泥替代掺和料的开发（矿渣3060%，粉煤灰2540%，硅灰15%以下）。2、使用高性能减水剂及其他外加剂（早强剂、缓凝剂），提高施工性能，减少和清除混凝土存在的不足。3、添加增塑纤维（钢、PP、PC、PAN、PAr、PNA）以及减缩剂，提高混凝土柔塑性、抗折、抗拉强度，延长服役期。4、开展无机材料的表面改性，无机材料有机化。聚合物混凝土（丁苯乳胶、聚丙烯酸系列乳液、环氧树脂聚氨脂以及各类改性聚合物），聚合物沙浆等，提高混凝土质量。获得高性能混凝土（获得高性能混凝土（HPC）现行途径）现行途径1、使用磨细矿物掺和料，降低水化热，延缓水化以提高混凝土高密实度、高强、抗渗，防止干燥、温度、塑性开裂。2、粗骨料细化、减少介面应力差、消除内部裂隙、提高实际强度。3、控制混凝土总含碱量（活性碱）Na2 O（当量计）3kg/m3，控制混凝土碱骨料反应。4、使用相容性好和高性能外加剂降低水胶化。5、配筋方面采用细而密配筋方法以减少应力收缩。HPC特征特征物理力学特性：高强度、高致密度、良好的柔弹性（抗拉抗折）以及良好的施工性（不离析、塌落度损失小）易泵送等。非力学特性：良好的耐候、抗冻融、抗腐蚀、抗渗性体积稳定性和低的服役期徐放性。其他特性：早强性、缓凝性。耐久性提高，维修费用减少施工尺寸缩小，减轻自重，节省水泥及钢筋等材料的投资良好的经济性和节能性耐久性混凝土示范工程耐久性混凝土示范工程香港青马大桥香港青马大桥HPC28天强度50Mpa凝胶材料：po52.5水泥（350-550kg）/m3级粉煤灰25-35%（或65-75磨细矿渣）（5-7%）微硅粉羧酸盐减水剂w/C0.35-0.4最大含碱量：3kg/m3氯离子含量粘胶料0.06%28天电通量720-880库仑48hr吸水率0.05mm/min0.5抗冻融（快速）200次设计寿命 100120年上海东海大桥上海东海大桥HPC28天强度60Mpa凝胶材料：总量460-480kg/m3 po52.5水泥（40%）H型掺合料（粉煤灰、矿渣、硅粉）羧酸盐减水剂w/c0.32氯离子含量0.05%28天电通量637库仑抗炭化28天014mm抗冻融循环快速法100次，质量损失0.4%，相对动弹性模量-0.64%（相当200次）抗渗性S25渗水高度5.4mm48hr吸水率0.05mm/min0.5设计寿命 100年上海磁悬浮列车轨道梁上海磁悬浮列车轨道梁HPC凝胶材料：420-450kg/m3 水泥po52.5（70-75%）级粉煤灰（10-13%）磨细矿渣（10-15%）硅粉（3-5%）羧酸盐减水剂 w/c0.32 28天强度60Mpa 56天强度80Mpa 电通量1000库仑 总碱量3kg/m3 氯离子含量0.05%48hr吸水率0.06mm/min0.5 28天无炭化 冻融（快法）200次 设计寿命 100年一般一般HPC耐久性施工控制指标耐久性施工控制指标高强度28天强度50Mpa；W/B0.40.45电通量28天1000库仑90天氯离子扩散系数110-12m2/s（普通51510-12m2/s）总Cl离子含量0.08裂缝控制0.10.2mm48小时吸水量0.07mm/min0.5总碱量3kg/m3（Na2O计）快速冻融循环200250次28天无炭化 56天炭化3mm水泥用量200300kg/m3总凝胶材料500kg/m2 3、HPC基本规律的研究基本规律的研究 A掺合料掺合料作用掺合料掺合料作用1 掺合料提高混凝土密实度（粉煤灰、矿钢砂、硅粉）除本身颗粒小具致密性外，还可激发加大火山灰反应，使溶解的SiO2与疏松的CaOH反应生成CSiH凝胶，大量的凝胶将堵塞水泥水化产物的孔径结构和骨料间的间隙，并改变孔径结构状态，使大孔（0.1u）减少，小孔（0.050.06u）增加，结构细化。填充水泥粒间和骨料间的间隙并增强粘结性，使混凝土致密，提高混凝土密实度度及抗渗等级。掺合料微球润滑现象以提高混凝土浇注时滚动效应，提高流动度，减少塌落度损失抑制碱集料反应但过量掺加将会降低混凝土碱度，对抗炭化不利掺合料作用掺合料作用2降低水化热，延迟和降低热峰值。掺合料替代大量水泥份额，使水泥的水合热下降和延滞，水化物表面吸附并起缓凝作用，使热峰延迟和降低，并使混凝土浇注过程内外热差缩小，减少混凝土温度裂缝生成。掺和料替代水泥，节约成本，减少环境污染。HPC抗渗性能抗渗性能1混凝土混凝土W/B比与其抗渗、抗压的关系比与其抗渗、抗压的关系HPC抗渗性能是HPC耐久性的一个重要指标，它表示混凝土抗御外环境侵蚀的基本特征，如自防水性能，抗压、抗折强度，耐盐（包括Cl-渗透侵蚀性，抗炭化性等）。HPC抗渗性能与W/B比，掺加料，砂率及粗骨料级配等密切关联，特别在混凝土服役期（负载时）抗渗经时劣化，较直观地反映其耐久性。下图表示W/B比与混凝土抗压、抗折间的关系：降低W/B比不但提高抗压强度，同时也提高了抗渗性能。不同掺合料对抗渗性及耐久性的影响不同掺合料对抗渗性及耐久性的影响2微粉掺合料作用1、微粉填充性。2、改善界面和增加界面间粘结性。3、火山灰效应，转化多孔疏松Ca（OH）2为CSH凝胶，阻塞孔隙和减少孔隙孔径。4、提高混凝土内部湿度，微粉粒子小，表面积大，滞留水 量多，使水从内部向表面转移困难，提高内部湿度，减少混凝土内部自收缩。5、掺合料加入，水泥用量减少，但掺合料的火山灰反应大大降低了混凝土碱度，使混凝土抗炭化能力降低。但降低W/B比，可提高混凝土致密和抗渗性，可缓和炭化过程，抵消炭化速度。下表为三种不同细粉掺合料配合比HPC，其最终混凝土性能 项目 编号A（矿硅粉）B（粉煤灰）C（硅粉）7天抗压强度Mpa44.336.651.328天抗压强度Mpa57.154.364.3渗透系数10-9cm/s0.2710.2630.233Cl-扩散系数10-12m2/s2.121.060.54抗渗等级S12S16S30 炭化深度 mm3天0007天017.514天06.19.121天07.411.228天08.313.6单掺硅粉对混凝土自防水高抗渗性的单掺硅粉对混凝土自防水高抗渗性的影响影响3砂率48.3%,抗渗压3.0MPa,保持时间72hr.编号项目0掺量1.5%掺量3%掺量6%掺量混凝土配合比W/B0.50.50.50.5水泥360360360360减水剂0.90.90.90.9硅粉0kg5.410.821.6塌落度18cm181818 编号项目0掺量1.5%掺量3%掺量6%掺量28天抗压强度Mpa35.636.739.342.5渗透系数10-9cm/s1.520.410.040.03抗渗等级S10S16S30S30Cl-渗透系数10-8cm2/s2.671.140.610.50 从表中看出,只需掺入3%硅粉,混凝土很容易达到S30高抗渗水平和低的水渗透性以及低的Cl-扩散系数。结 果素混凝土和钢筋（加钢扦）混凝土负载期素混凝土和钢筋（加钢扦）混凝土负载期（服役期）抗渗劣化倾向（服役期）抗渗劣化倾向通常测定系静态非负载（未服役）时的抗渗指标。但对反映服役下混凝土抗渗耐久性可靠性不足。西方国家往往均采用两套标准，即静态和动态下服役抗渗，特别对钢筋（或加钢仟）混凝土更具现实性。有实验证明在C40素混凝土和钢筋（掺钢仟）混凝土用气渗法检查负荷前后抗渗性能，发现衰减很明显，特别钢筋混凝土下降率更严重。如下表及图所示：测定值 品种 负载前（静态）10-16m/s负载后（动态）10-16m/s28天抗压强度Mpa素混凝土0.7384.6838.8钢筋（加仟）混凝土0.9716.3238.9同时发现在负载状态下钢筋混凝土与素混凝土在服役状况下抗渗性能都趋向劣化，但钢筋混凝土有一个明显的特征，存在一个阀值，如下图所示：f为轴向施于横截面所产生的应力,fcu为横截面能承受的应力看出对钢筋(加仟)混凝土在服役状况下存在一个阀值,即当负荷时只要沿轴向施于横截面的力在混凝土横 截面能承受力的4050%时，钢筋混凝土可长期服役不会出现危险，超过此负载服役，出现根本变化，从原来的细裂纹很快变形增大，形成贯通粗大裂缝和龟裂。所以在设计时应根据其阀值，对服役负载有长期的规定。B高效减水剂高效减水剂高效减水剂的特征高效减水剂的特征使用高效减水剂，降低w/c值，使混凝土含水量大大降低，提高混凝土致密性和强度，由于孔隙率少，孔径小，可供蒸发水减少，干燥引起的收缩下降。更重要的是w/c降低，混凝土致密大大增强（其致密性与W/C具有很好的对应关系），混凝土密实性提高，是确保它具有耐久性的前提。高效减水剂在低w/c下还具备很好的水泥工作性能（流动性及保塌性），提高了混凝土的泵送性和浇注工作性。聚羧酸超塑化剂聚羧酸超塑化剂新一代聚羧酸减水剂的特性新一代聚羧酸减水剂的特性 新一代聚羧酸减水剂的特性，与过去高效萘系磺酸型减水剂（SNF）对比，在同等条件（即扩展度为180mm时，w/c=0.47）对不同掺合料水泥如普通硅酸盐水泥（42.5）粉煤灰水泥（粉煤灰掺量33%）矿渣水泥（矿渣掺量33%）硅灰水泥（矿灰掺量10%）。测量水泥砂浆体系的粘度和转子的屈服应力随时间（每一个时间段为30分钟）的变化对减水剂对减水剂SNF浓度为浓度为40%，PA浓度为浓度为20%。在同样掺量下，。在同样掺量下，PA掺量为掺量为SNF一半一半下表 各种外加剂对不同水泥砂浆扩展度及其扩展度经时保持性能与抗压强度关系上述结果表面，无论对任何水泥，新一代聚羧酸减水剂比过去高效减水剂如萘系、三聚氰胺磺酸盐，无论从水泥浆料的工作性和减水剂能以及凝结固化后强度等方面都优异。新一代超塑化剂表现出初始粘度低，而且随时间增长很慢（保坍性）呈现缓凝性，但经历一段时间后，因活性分布均匀故水化加速凝结时间缩短，又呈现出其早强性，同样掺量下表现出1天、7天、28天，具更高的抗压强度。聚羧酸塑化剂在水泥凝胶体中作用聚羧酸塑化剂在水泥凝胶体中作用从上面结构式看出，在聚羧酸分子含羧基（或磺酸基）的可水溶性阴离子表面活性剂，属高分子电介质，由于支链长度和曲挠性不同，所以在水液中展开或无规则线图状形态如 水液中具短支链共聚体扩展和吸附 水液中具长支链共聚体扩展和吸附 在短支链中，其曲卷性伸展缓慢，被水泥粒子吸附，也会因此而迟缓，水泥水化表现出：较好的保坍性，而长支链扩展快，呈梳状排列，具空间住阻，将水泥及水化物隔断，故即在添加量少也能达到高的流动性能，但其链伸长、收缩不稳定，故而其流动性能保持性不好，所以具良好的流动性及流动保持性，一定是长短链适当的比例组合的聚体。其二、长链、短链都具相当对水泥颗粒吸附延缓性，但一旦在水泥悬浮体中分散，吸附即会均匀加速，使整体水泥水化加快，强度上升也快，表现出早期缓凝，后期早强。水化曲线如下图所示：在5-6hr前，几乎很少水化，在此之后，水化迅速加快。在20hr以后趋向平稳，表明24hr后已有很好水化率（强度）图）掺入聚羧酸后，水泥水化热经时变化支链长度对减水剂性能影响支链长度对减水剂性能影响 对三种不同支链长度（a=21-25 b=43-47 c=65-71以及支链长度a及b等量混合）分别表示 聚合物1、聚合物2、聚合物3、聚合物4，聚合分子量在4-5万左右（比萘系、三聚氰胺系 都高）的聚羧酸减水剂在水泥砂浆（普通硅酸盐水泥）性能的影响。对水泥砂浆流动度影响试验结果看出：超长链的聚合物3起始流动度最高，但保持率最差，流动度保持率顺序在长支链段流动度保持性反而随链长反而减少。两种不同支链长度共聚物（聚合物4）其流动度保持性均超过各自原来长短支链聚合物即聚合物4聚合物1聚合物2 聚合物对水泥颗粒的吸附性及砂浆Zata电位影响 所有聚羧酸减水剂对水泥颗粒吸附都比过去的萘系、三聚氰胺磺酸盐高效减水剂小得多。但不同支链长度的聚羧酸，对水泥颗粒吸附性正与其流动的保持性能结果相反，但仍以长、短链混合聚羧酸最低。对在低热硅酸盐水泥吸附性比对普通硅酸盐水泥吸附性要小，这主要低热水泥具有低的C3A含量有关。Zeta电位测量中，发现聚羧酸吸附后，水泥表面Zata值都比萘系、三聚氰胺磺酸盐系比多，对不同长度支链的羧酸系列，Zeta值仍以长、短链混合支链聚羧酸最低。这些性能表现出按支链聚羧酸在小掺量下就可以使水泥砂浆产生大的流动性能，同样较小的吸附，和Zeta电位，使得空间住阻斥力远大于静电斥力，故而对水泥有较好的分散性。减少混凝土徐变性（提高耐久性）减少混凝土徐变性（提高耐久性）超塑化剂缓和矿物掺合料的膨胀，降低干收缩和质量损失。图、在粉煤灰混凝土掺塑化剂后收缩 图、在矿粉混凝土中掺塑化剂后收缩 上图在粉煤灰和矿粉混凝土上不同减水剂的膨胀、收缩变化。从图看出添加PA塑化 剂后，固化（硬化）混凝土膨胀和塑性收缩变化都很小，这是由于缓和生成钙矾石有关。同样对不同塑化剂混凝土90天干收缩和质量损失。PA超塑化剂都具很好性能，干收缩小、徐变性低、混凝土耐久性提高。超塑化剂缓和矿物掺合料的膨胀，降低干收缩和质量损失。新一代超塑化剂支链长度对水泥水新一代超塑化剂支链长度对水泥水化过程的影响化过程的影响图、不同超塑化剂对水泥沙浆流动度的影响20下，掺不同超塑剂掺量水泥净浆初始流动度至关系，表明对聚羧酸超塑剂低掺量，即可获大流动度，而随支链长度增加而明显提高。不同超塑化剂，在不同掺加量下，不同水化温度下，流动度损失率（mm/hr）变化 图、不同超塑化剂流动度损失率与温度的关系 上列图结果SMF、SNF流动度损失率很大，特别在高温时更明显。其损失率可随掺量增加而降低，但对聚羧酸得到另一种好的结果，除在30高温下，在低掺量时损失率比较稍大一点外，对n=9、45、68时，几乎很少流动度损失，在1hr内，几乎在所有不同掺量下，流动度反有增加的趋势。超塑化剂（超塑化剂（PA）大幅度提高粉煤灰掺量以）大幅度提高粉煤灰掺量以制造出高强高性能混凝土。制造出高强高性能混凝土。众所周知，掺加粉煤灰（FA），会增大耗水量，为达到高强、高耐久性（高性能）混凝土必须实现高减水率，以满足低水胶比（低w/c比）时，具良好的流动度要求（工作性能），以下对两种混合水泥A（掺50%未磨FA）和B（掺50%磨细FA）在不同塑化剂下的工作性能，掺不同塑化剂的混凝土配合料的减水率和坍落度关系。塑化剂总凝胶材料细骨料4-16mm粗骨料10-25mm砂0-4mm水塑化剂掺量%W/B坍落度mmPC水泥A4634537296411480.40.32200水泥B4654557336431450.420.32190SNF水泥A4644557316421330.30.29230水泥B4704607406501340.270.29230 表明使用聚羧酸（PC）超塑化剂在掺量减少28%以其减水率和坍落度均优于以往超塑化剂（SNF）水平。同样在保坍性也呈现出其明显的优势如下图所示：图）两类超塑化剂在不同水泥品种下坍落度损失 在同样对超塑化剂掺量（0.4%）在25下在不同两个水泥品种聚羧酸（PC）超塑化剂从起始坍落度和在75分钟内坍落度损失都远高于过去超塑化剂SNF等。高掺粉煤灰制造高强度、高性能、高掺粉煤灰制造高强度、高性能、耐久性混凝土耐久性混凝土虽然聚羧酸塑化剂前期有缓凝作用，但很好满足早强度的要求如在不同温度下50%掺粉煤灰（A、B两种混合水泥）在各龄期段混凝土抗压强度关系在A水泥（5%未磨粉煤灰）混凝土抗压强度与温度关系在B水泥（50%未磨细粉煤灰）混凝土抗压强度与温度关系不同塑化剂混凝土暴露时间的炭化深度 不同塑化剂混凝土其氯离子渗透深度关系从这些结果，表明掺聚羧酸超塑剂在高掺粉煤灰状况下，可制造出高强度高耐久性（HVFA）混凝土，它具低的氯离子渗透性，高的抗碳化性能，其早期缓凝性，使得具有高的流动度和低的坍落度损失。即使在低的温度下（5）也不下降硬化混凝土的早期强度的发展。提高减水剂的保坍性，改善传统超塑化剂性能提高减水剂的保坍性，改善传统超塑化剂性能 众所周知，传统超塑化剂如SNF、SMF等虽具较高的减水性能，而且对水泥品种适应性强，但其保坍性差，使在混凝土工程中应用受到很大的限制。同样对聚羧酸超塑化剂虽然解决了上述问题，而且掺量也很低，但它使用效果会因水泥胶结材料不同而有较大的差异。此外有引气泌水等不良效果。故此对提高原有的超型化剂保坍性仍不失一个可行的途径。在这方面，国内外也进行了很多研究，如在SNF、SMF、MLS（改性本质素磺酸盐）基础上，添加一定量聚羧酸组成复合超塑化剂。或在原有SNF、SMF、MLS上添加保坍剂（如羟基羧酸等），其结果如下表，不同塑化剂在添加保坍剂后坍落度经时变化。超塑化剂（掺量）不同时间坍落度（mm）0153045607596105120SNF(1%)11398807465585241SMF(1%)114927562555043PC(0.3%)132125120115108102989287SNF(1%)+-羧酸0.075175165160156150148145130110SNF（1%）1401321018875655243表、对应的力学性能超塑化剂（掺量）初始坍落度（mm）抗压强度（天）1天3天7天28天SNF(1%)11320.9532.8942.4050.20SMF(1%)11421.6533.1047.8553.15PC(0.3%)13220.8032.1846.1053.40SNF(1%)+-羧酸0.07517520.532.2448.7555.18SNF（1%）14018.628.740.249.8可以看出少量（超塑剂的7.5%）添加保坍剂（-羧酸）使传统的SMF、SNF超型化剂具很好的保坍效果，而且混凝土早强性好，工程强度也有很好的提高。化学外加剂发展趋势化学外加剂发展趋势 在建筑物混凝土高强高性能耐久性已成为总的发展趋势，那么它的发展离不开化学外加剂如高效超塑化剂（减水剂）引气剂、胶质剂，而其中高效塑化剂则对任何条件下所必须的，尤其对目前高掺粉煤灰、硅灰、矿渣，这些矿物料往往会提高用水量，因此要求塑化剂的减水效率更高，引气剂是相对寒冷地区抗冻融要求所必须的，而胶质剂则是在自密实混凝土制备作为防止新拌混凝土的离析的化学外加剂。而对超塑化剂，虽然经历了几代革新、更代，都有各自的优缺点，但“万能”产品是不可能，因此展望今后塑化剂开发应从最大化的减水性能其它性能负作用最小易于生产和原料实用化具对各种类型混凝土的广泛适用性和与各种外加剂配伍性所有组成和工艺对环境影响少。应具节能省电、减污的社会效益。按这些标准去评价，反映出今后的趋势。仍属萘系高效塑化剂从其原材料本身，是工业发展的副产品，来源广泛。合成工艺成熟，不再为专利产品，生产已控制。有长期应用的经验，它具广泛的水泥适应性和与其它外加剂的良好配伍性萘是炼焦油及石油蒸馏的副产品，硫就是硫铁矿燃烧的废料，无付加值，符合节约资源。且这些副产品本身需环保处理，如加利用，可减少环境污染。所有这一切，今后的发展应属优先选择，当然未来的萘磺酸缩合物应是经过其它共聚的方法很好改进和发展的形式，以最大的提高减水性和坍落度保持性。C孔径结构及分布对耐久性的影响孔径结构及分布对耐久性的影响混凝土孔径及其分布与混凝土孔径及其分布与w/c的关系的关系混凝土内孔径大小及其分布对混凝土使用寿命性密切关联，各学派提出一些基本定量关系。Methe界定：10um为无害孔；10100um为有害孔 w/c孔径分布率普通混凝土高性能混凝土（HPC）0.60.50.450.40.40.350.30.2510um的无害孔14.216.816.318.720.430.128.731.248546367.274.279.481.787.210100un的有害孔29.231.326.231.224.632.124.130.7273124.127.414.719.611.2171001000um的粗孔43563950.82736.718.926.418.22416.121.49.414.8611.2吴中伟界定：20um为无害孔；20100um为少害孔；100200um为有害孔；200un为多害孔。孔径大小分布与耐久性的关系孔径大小分布与耐久性的关系1与混凝土强度、炭化速度的关系与混凝土强度、炭化速度的关系强度与孔径的关系（见右图）表面随孔径大小递增混凝土强度下降炭化孔径分布（W/B）关系YR（-3.759W/B)t1/2其中Y为中性化深度（炭化深度）R为环境系数（干燥1；潮湿1.6）W/B为孔径分布有关的参比值t为时间 上述反应炭化速率反比W/C值，表明混凝土炭化速率随其孔径分布中细孔占有率增加而减少。孔径分布与耐久性关系孔径分布与耐久性关系2混凝土孔径分布与抗冻融病害的关系W/B平均孔径mm孔隙率%孔容ml/g孔径分布um%2001002002010020混凝土10.427.817.680.076128.65.031.734.7混凝土20.414.215.810.074222.52.415.859.3 2#试样掺加了2%硅粉、6.3%粉煤灰配化水泥，并加入外加剂 孔径分布与冻融的关系 冻融次数项目0100125150175200225250275300质量损失%1#0-0.12-0.24-0.36-0.39-0.41/2#00.050.020-0.07-0.14-0.15-0.20-0.20-0.24相对动弹模量损失%1#087.082.572.860.646.7/2#091.591.889.5288.285.179.973.8470.8666.52孔径分布与耐久性关系孔径分布与耐久性关系3 3孔径分布与混凝土抗渗性能 W/B水 泥粉煤 灰 硅灰砂石砂率%0.4038012006501108360.36380104166501108360.313808832650110836 从右表看出,随W/B下降和硅灰加入,混凝土强度及抗渗等级提高,渗透系数下降,Cl-扩散系数也随之下降,耐久性提高.W/B项目0.400.360.31 孔 径 分 布2068.476.584.65017.511.47.81008.47.64.93004.13.62.43001.600.90.328天强度MPa42.952.461.7渗透系数10-9cm/s1.210.580.226抗渗等级S12S16S30Cl-扩散系数10-8cm2/s2.401.080.58掺入微细粉后对混凝土孔径分布影响掺入微细粉后对混凝土孔径分布影响随W/C下降无害孔比例上升随微粉加入量提高，无害孔率提高当W/C很小时，微粉掺入量影响孔径较小当W/C很大时（0.45），微粉掺入量影响大无害孔%w/c微粉掺入量0.30.350.450.5不 加91.479.851.633.410%94.383.972.142.620%97.587.480.349.730%98.689.684.253.1结论：提高混凝土耐久性应加强结论：提高混凝土耐久性应加强对有害孔隙的控制对有害孔隙的控制1、采用高效减水剂，降低W/C值。2、添加一定比例细微掺合料和膨胀剂，改变孔径分布，提高无害孔占有量。3、适当添加微硅粉（5%左右），除有上述效应外，还可改善孔径形状及固体结构元的粘结强度，减少孔径周边应力集中，提高抗冻融能力。HPCHPC在耐久性方面需待解决的问题在耐久性方面需待解决的问题掺合料的加入减少泌水,增加了裂缝收缩,特别对自收缩增加更明显(自收缩与裂缝产生有密切关系)对早期微裂缝及裂缝的动态发展抑制存在更多有害毛细孔径(20nm)对混凝土危害对酸雨及炭化抗御力薄弱对抗潮湿及腐蚀介质中的冻融及干湿交替等承受力仍不足长期服役仍存在抗水渗透及氯离子、硫酸盐侵蚀性抵御有机酸及微生物的侵害性差D D早期裂缝及其控制早期裂缝及其控制HPCHPC耐久性面临的几个挑战：耐久性面临的几个挑战：HPCHPC早期裂缝早期裂缝产生产生在高性能混凝土中国掺加多种矿物料，提高化学收缩，脆性增大，增大了产生裂缝的可能性高效减水剂W/C小，内部混凝土随水化相对湿度引起干缩开裂（这种与外部环境无关，因致密度高在湿养护时期外部水无法渗入到内部）。使用高标号水泥，水化快。消耗水大，毛细管液收缩增加，造成HPC比普通混凝土塑性收缩加大。早期裂缝对耐久性的影响早期裂缝对耐久性的影响混凝土早期收缩裂缝占裂缝发展的80%。早期裂缝的数量和宽度对钢筋混凝土、钢筋的锈蚀及耐久性影响很大。如北欧暴露试验表明：裂缝宽度钢筋锈蚀年限海洋大气浪溅区0.2mm以下6070年40年0.20.4mm50年20年0.4mm20年10年 早期徐变影响耐久性如下图列出:混凝土收缩的经时变化与混凝土体积稳定性的关系直接影响混凝土的耐久性，同时也表明混凝土早期干燥塑性收缩是第一位的影响。而自收缩相对总收缩占次要地位，多出现在W/C比小的情况下，与养护关系不大，特别HPC时显得更重要。而随W/C愈小，自缩增大。一般来讲，在服役期对动态裂缝发展会更快，所以早期裂缝应控制在0.1mm以下，而且控制裂缝发展速度要求慢，但难度较大。W/C比值小,掺矿物料后内部自收缩大,微缝增加早期收缩开裂与早期收缩开裂与W/BW/B及养护关系及养护关系大水胶比通常指W/B0.45以上的混凝土，其早期开裂以干燥型塑性收缩为主，自收缩很小。开裂在初凝前出现（一天内已稳定），裂缝多而细，无规则。W/B大时表现为表层易泌水，表面易起皮、粉化，降低耐久性。对砂率很敏感。当砂率40%以上时，抗开裂性愈低。所以要采取适当减少砂率，保水湿养护等手段去避免。小水胶比通常指W/B0.4以下。混凝土早期开裂以自收缩为主，发生在混凝土初凝前后。随W/B变小表现更严重，而且会提前发生。参见图272所示。裂缝特征是由内向外整体均匀开裂，宽大，并出现一条主裂缝由于W/B小时，相对凝胶材料用量大，保水性好，结构致密，毛细孔小，连通性差，失水漫而少，所以塑性收缩压低。毛细管失水，相对湿度变小。由于内部致密，外部湿养护水无法去补充，从而加大毛细管收缩压。（内部湿度从100%下降到80%时，毛细管失水收缩压从0上升到30MPa而导致开裂）因此，应适当提早湿养护，保证初凝时降低表面失水，阻止内部水向表面转移，防止内部湿度的降低。HPCHPC中外掺料与收缩开裂中外掺料与收缩开裂1 1对在不负载条件下抗裂影响对在不负载条件下抗裂影响 掺合料对混凝土抗裂性能影响很大，其抗 压性分静态抗裂性（非负载时）和动态抗 裂性（负荷条件），下图表示在静态不负 荷条件下不同掺合料对开裂时间影响：从图看出不同掺合料的收缩性能经时变化与开裂是关系表明：粉煤灰随掺量提高，初裂明显推迟。但掺量达到50%时，360hr未出现开裂。矿渣趋势也同样，少掺效果不明显，在掺量20%时效果才明显。硅灰具相反效果，而且随掺量上升，开裂时间大大提前。不同外掺量对混凝土总收缩率具不同目标倾向。粉煤灰具减缩作用，随掺量上升减缩增大；矿渣掺入对混凝土减缩影响不大；硅灰掺入收缩增大，而且随掺量上升明显增大。不同掺合料在不同掺入量下收缩率经时变化HPCHPC中外掺料与收缩开裂中外掺料与收缩开裂2 2对在负载条件下抗裂影响对在负载条件下抗裂影响 混凝土负载下抗裂决定于它的极限拉伸值（28天）和抗折强度的劣化。如图所示：对不同掺合料从上述两个参数变化值可以看出：1、对粉煤灰都有一个极大值，落在20%掺入量左右，过大和过小掺量都不适宜。2、矿渣对负载条件下抗裂影响不大。3、硅灰随掺入量增加，可大幅度提高负载下的抗裂性能，同时也大大提高混凝土其他性 能，但由于硅灰加入早期裂缝生成几率大，因此掺入量可控制在15%以下，最好在10%以下。混凝土掺入料在负载及不负载条混凝土掺入料在负载及不负载条件下综合分析件下综合分析从上述单掺结果看出：1、任何单掺都不能很好解决负载和不负载（服役期）的抗裂问题。2、只有硅灰与粉煤灰和硅灰与矿渣双掺或三掺，这样适当配合，可以很好解决混凝土不负载和负载（服役期）的抗裂问题。从下面负载和不负载的参数变化关系看出，复掺后，不同性能有叠加性，而且有协同性。采用复掺技术，减少单掺时收缩的风险，同时大大提高了服役期的抗裂效应。掺加膨胀剂提高抗渗性能降低钢筋腐蚀危险掺加膨胀剂提高抗渗性能降低钢筋腐蚀危险1、抗水渗透性，添加补偿收缩膨胀剂（在日本建设部列为特种掺加剂）。其作用之一就是其水化生成钙矾结晶石，填塞毛细孔径，降低混凝土孔隙率，并封闭小的细孔，使结构紧密，提高混凝土体积稳定性（徐变小），提高混凝土强度和对Cl-的抗渗能力。42.5PO水泥制备混凝土,凝胶用量500kg/m3水泥%矿渣PNC（膨胀剂）%28天抗压28天抗折渗透系数抗渗标号1000069.2982.5910-9S8920874.311.41.08 10-9S125735879.511.20.76 10-9S162、抗Cl-渗透性。（42.5PO混凝土，凝胶总用量为400kg/m3）上表也同时指出提高抗压和抗渗等级,双掺具协同效应,大幅度提高抗压强度水泥PNC矿粉6hr导电量（库仑）Cl-渗透系数（10-9cm/s）4000014869.83683204734.9248321203174.1 掺合膨胀剂后细微矿粉、硅灰都提高了混凝土的致密性及化学结合性，从而降低混凝土渗透性，使Cl-渗透困难度提高，抗渗系数大幅度下降，从而也降低了钢筋混凝土的危险性。膨胀剂与补偿收缩膨胀剂与补偿收缩混凝土产生各种收缩，并带来开裂。而在混凝土中掺入具有反应膨胀性物质，以其新生成产物的体积膨胀来抵消混凝土的收缩已成为建筑混凝土惯用方法。从普通混凝土到高性能混凝土，添加不同型号规格的膨胀剂，作为混凝土补偿收缩，提高致密性，提高抗渗性，特别在一些地下建筑，双掺和多掺混凝土工程起到了很好的效果。但这种补偿收缩仍缺乏完整和量化的规范数据，仍沿用试验、经验模式，否则会带来很大发负面影响。目前，膨胀剂主要多以硫铝酸、铝酸钙或硅酸盐、石膏等复合型。往往其质量多受原型矿物组成和生产方式以及水泥品牌（组成、含量）、外掺合料、减水剂等制约。目前的膨胀剂存在如：掺量、适应性问题；根据混凝土龄期，同步补偿以及冷缩补偿问题；耗水量和水泥使用量、混凝土配制和施工环境等矛盾问题；防止后收缩碱集料反应（故严格规定碱当量0.75%，Cl-含量0.05%）；膨胀是受限制的，应满足吴中伟提出的2（StSd0）p公式。其中0为混凝土受拉徐变，p为混凝土极限拉伸，2为混凝土限制膨胀值。St为混凝土冷缩，Sd为混凝土干缩。一般应控制（自由膨胀率限制膨胀率）比值在210之间为宜。因此当前应开发品质优良而且具低碱度、低掺量和延滞膨胀（避免早期膨胀过快，后期失去膨胀性）的膨胀剂；应开展补偿收缩应用技术规律性，数量化的研究。正确评估自防水混凝土的膨胀剂作用正确评估自防水混凝土的膨胀剂作用考虑膨胀剂的补偿收缩在单掺和多掺情况下以提高混凝土致密性和抗渗性以及防止混凝土早期收缩开裂，提高混凝土自防水性等方面具有很多优点，在工程中也普遍采用。因此在设计自防水混凝土时多数设计人员将膨胀剂当成万用灵药不加限制的使用，而实际上膨胀剂的膨胀自密防水是有条件的，对使用通用钙矾石膨胀剂生成钙矾石晶体（3CaOAl2O33CaSO432H2O），需要温度和湿度的长期养护（温度15，保持相对湿度80%14天以上），而且在饱和Ca(OH)2弱碱性情况下具稳定性，如上述条件不满足，会造成混凝土后期膨胀而破坏混凝土结构，同时在碱性不足情况下，生成的钙矾石会二次反应产生结构稳定的3CaOAl2O3CaSO412H2O而造成体积收缩，使混凝土孔隙率上升，影响强度和耐久性（抗渗抗冻性）。膨胀剂一般含碱高，使混凝土总碱度上升，容易造成碱骨料反应，生成钙矾石的膨胀对混凝土结构耐久性有致命的影响。暴露在大气中、干湿交替、冻融循环频繁的混凝土，应慎重选择钙矾石类膨胀剂，特别对地下水丰富地域，水的掺入，混凝土内饱和状的Ca(OH)2受到稀释，碱性下降，影响钙矾石稳定性。因此正确评估膨胀剂膨胀致密防水和根据现场条件，慎重选择膨胀剂是至关重要的。应效法永久性防水或复合防水，即添加各类水介质能生成各类永久性密致性凝胶体的无机材料和有机聚合物防水材料，或它们与膨胀剂复合的材料混凝土自防水工艺是近年来自密实混凝土抗渗防水的可靠方法。诸如无机类的铁盐、铝盐及锆、钛盐类，水化生成不溶于水而具结构稳定氢氧化微小凝胶，而与Ca(OH)2再反应生成具微膨胀性稳定的水合酸盐，填塞毛细孔隙或通道，或高分子聚合物微粒，不但填塞毛细孔径并形成密封性膜，或将水泥凝胶无机微粒结成一个整体，大大提高混凝土密实度和整体抗渗防水功能，阻塞毛细通道，防止混凝土早期毛细孔水分蒸发引起的早期干缩开裂。实践证明，这类致密防水可将抗渗压提高到2.54.5MPa以上，混凝土吸水率可降到0.05mm/min2以下。E冻害及治理提高耐久性冻害及治理提高耐久性混凝土的冻害及对耐久性评估混凝土的冻害及对耐久性评估混凝土冻害是混凝土耐久性主要指标之一，根据混凝土所处环境的 潮湿、腐蚀介质、湿度等状况划分不同等级。各国在制定防冻害要求对不同环境等级制定其相应指标规定，主