高性能混凝土配方化学机理探究.pdf

第 4 3 卷第 1 l期 2 0 1 4年 1 1月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 4 3N o 11 N o v e mb e r 2 0 1 4 高性能混凝土配方化学机理探究 李 文 莉 ( 河南省水利科学研究院 河南省水利工程安全技术重点实验室， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘 要 ：当前，我国高性能混凝土配方机理研制还处于较落后状态，我国经济高速发展，各种复杂情况需 要高性能混凝土 ， 化工企业建筑由于所处环境多为酸碱性较高区域 ， 加之易燃易爆，这就需要对建筑施工中采 用的混凝土进行研制。结合相关室内实验，对裔陛能混凝土配方过程中的化学机理进行探究。 关键词 ：高性能混凝 土 ；室内实验 ；化 学机理 中图分类号 ：T u 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 4)1 卜2 4 2 3 0 3 Ch e mi c a l M e c h a n i s m o f Hi g h Pe r f o r ma n c e Co n c r e t e Fo r mu l a LWe n i i (He n a n Wa t e r Co n s e r v a n c y En g i n e e ri n g S a f e t y T e c h n o l o g y Ke y L a b o r a t o r y , He n a n P r o v i n c e Wa t e r C o n s e r v a n c y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H e n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ， C h i n a) Ab s t r a c t ： At p r e s e n t ， s tud y o n t h e me c h a n i s m o f h i g h p e r f o r manc e c o n c r e t e f o rm u l a i s s t i l l i n a r e l a t i v e l y b a c k ward s t a t e W i t h r a p i d d e v e l o p me n t o f t h e e c o n o mi c i n o u r c o u n t r y ,a l l k i n d s o f c o mp l i c a t e d c o n d i t i o n s n e e d h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ，e s p e c i a l l y c h e mi c a l e n t e r p ris e c o n s t r u c t i o n wh o s e e n v i r o n me n t i s h i g h a c i d o r h i g h a l k a l i n e a r e a ， S O s u i t a b l e c o n c r e t e f o rm u l a f o r b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n n e e d b e d e v e l o p e d I n t h i s p a p e r , c o mb i n e d wi t h the r e l a t e d i n d o o r e x p e r i me n t s ， t h e c h e mi c a l me c h a n i s m o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e f o r mu l a wa s e x p l o r e d Ke y wo r d s ： Hi g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ； I n d o o r e x p e ri m e n t ； Ch e mi c a l me c h a n i s m 由于混凝土随着气候变化 、化学侵蚀 、磨损或 其他的原 因而受到不同程度 的破坏 ，而承受各种破 坏的能力就是混凝土的耐久性。耐久的混凝土在暴 露的条件下一般会保持其形态、质量及使用功能。 我国大部分地区在冬季都处于严寒状态，因此 建筑物的冻融现象时常发生 。特别在寒冷的东北 ， 水工混凝土结构的建筑物 ，其工程局部几乎 1 0 0 或大面积都会遭受不同程度的冻融现象。 在寒冷的 东北地区会普遍遭受冻融破坏的同时气候较为温 和的华东地区也时常会遭受到冻融的破坏。 因此 ，我国的建筑发生老化病害的主要 问题就 是混凝土 的冻融破坏问题。从而影响 了建筑物 的使 用寿命和安全指数。为了使工程提高效益使其继续 发挥作用，其维修和重建的代价是很大的。因此对 混凝土耐久行方面的研究是非常有必要的。 本文选取合适配比， 进行实验得出结论与机理 分析验证 ，力求提高混凝士 陛能，作用国民经济建 设 。 1 混凝土冻融理论研究 对于混凝土冻融破坏 的研 究一直是 国内外建 筑行业的热点议题。它的理论研究有很长的历史 ， 如今的研究也很深入。其大部分的研究方法是以纯 物理模型为出发点 ，通过假设 、推到得出结论 。而 对于部分水泥净浆或砂浆的检测结果是由试验得 来的。因此 ，对于混凝土的动容破坏理论迄今为止 在 国内外 尚没有一个统一的认知和结论 。 在一般情况下 ，冻融过程 中的吸水饱和混凝土 遭到的破坏的主要因素有两种 。第一种是由于混凝 土毛细管 中的水在负温的的条件下 由水转化成冰 ， 其膨胀率为 9 ，从而形成膨胀压力，这种膨胀压 力是 由毛细孔壁的约束形成 的，进而在孔周围的微 观结构中产生拉应力 。第二种是在混凝土毛细管 中 的水转化成冰时，由于凝胶孔中的过冷水在其微观 的结构 中进行迁移和重新分布，从而形成渗管压 。 并 由于其表面张力 ，造成混凝土毛细孔孔径变小 ， 同时毛细孑 L 中的水的冰点会随着其孔径减小而降 低 。般情况下 ，凝胶孔中的水想要形成冰核的温 度一般要在零下 8 7 c I 二 以下 ，因而冰与过冷水的饱 和蒸汽压差 、过冷水之间的盐的浓度差会引起水分 迁移 ，进而形成渗透压。 当混凝土在低温的环境下，其膨胀压力和渗透 压力会对混凝土 内部微观结构造成损伤。当混凝土 经过多次反复的冻融循环之后 ，其损伤会逐步扩 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 5 1 7 作者简介 ：李文莉 ( 1 9 6 7 一 ) ，女，河南平顶 山人 ， 高级工程师，研究方 向：水利水电工程。 化 工 2 0 1 4年 1 1月 大 ，并将原有 的裂缝互相连通 ，从而降低了混凝土 强度， 直至其强度完全丧失。在实践中，当混凝土 在干燥 的条件下不会发生冻融破坏情况 ，一次混凝 土的饱水状态是其发生冻融的必要因素之一。此 外 ，环境的气温正负变化也是混凝土发生冻融的必 要条件 ，温度的正负变化会造成凝土孔隙中的水发 生反复的冻融循环。而这两个必要条件决定了混凝 土冻融破坏的现象 ，即混凝土表面发生层层剥蚀。 2 选择配合 比参数 ( 1 ) C 3 0混凝土及其低于 C 3 0的混凝土， 其 凝 胶 材 料 的使 用 总 量 不 应 高 于 4 0 0 k g m ，而 C 3 5 C 4 0 混 凝 土 的凝 胶 材料 用 量 不应 高 于 4 5 0 k g m ， C 5 0混凝土及高于 C 5 0的混凝土凝胶材料的 使用量不应高于5 0 0 k g m 。 。 ( 2 ) 混凝土中应加入适宜量的优质粉煤灰 、 矿渣粉及硅灰等矿物掺合料。当在混凝土中掺人大 于 3 0 的粉煤灰时，水胶的掺人量不应大于 0 4 5 。 有 预应力 的混凝土及处于冻融环境 的混凝 土的粉 煤灰掺人量不应大于 3 0 。 ( 3 ) 在混凝土中应加入适量的符合技术条件 的外加剂 ，而选用的外加剂应选择多功能复合外加 剂。 ( 4) 混凝土的最大水胶 比和最小胶凝材料用 量应满足设计要求，当设计无要求时，钢筋混凝土 及预应力混凝土应满足相应的要求； 而素混凝土也 应该满足相应的技术要求。 ( 5)当混凝土结构在硫 酸盐侵蚀 环境 中时 ， 下表是混凝土的凝胶材料组成要求 ，胶凝材料的抗 蚀系数应不小于0 8 0 。 ( 6)当骨 料 的碱 一硅 酸反 应砂 浆棒 膨胀 率 0 1 0 0 2 0 时 ， 混凝土的碱含量应满足下表的规 定 ；当骨料 的碱一硅酸反应 砂浆棒膨胀 率在 0 2 0 0 3 0 时 ， 除了混凝土的碱含量应满足下表 的规定外， 还应在混凝土中掺加具有明显抑制效能 的矿物掺合料和复合外加剂 ，并应通过试验证明抑 制有效。 ( 7)钢筋混凝土中氯离子总含量 ( 包括水泥、 矿物掺合料、 粗骨料、细骨料、水、外加剂等所含 氯离子含量之和 ) 不应超过胶凝材料总量的 0 1 0 ， 预应力混凝 土的氯离子 总含量不应超过胶凝材料 总 量 的 0 0 6 。 ( 8 ) 干硬性混凝土外的混凝土若无抗冻要 求， 其含气量不应小于2 0 。 当混凝土有抗冻要求 时， 应根据抗冻等级的要求经试验确定混凝土的含 气量。 3改善混凝土抗冻耐久性的主要措施 3 。 1 使用 l J n 剂 ( 1 )引气剂的掺入。很多室内研究资料及长 期的工程实践都表明，在混凝土掺合物 中掺人一定 量的引气剂可以提高混凝土抗冻耐久性。引气剂是 一 种表面活性物质 ，它具有憎水作用 ，引气剂的掺 入可以使混凝土拌合水的表面张力明显降低 ，并在 混凝土 内部产生微小稳定的封闭气泡。而由于这种 气泡具有弹性， 能缓解混凝土在结冰过程中产生的 压力 ，并可以缓冲减压 。在溶解时，这些气泡得到 恢复 ，这时即使空隙内的 自由水反复冻融也不会对 孔壁产生过大的压力。此外 ，这些气泡足可 以使混 凝土内部毛细管与外界环境的通路堵塞， 并可以阻 挡外界环境的水分进入，从而减少了混凝土的渗透 性 。与此同时 ，这些气泡还可以起到润滑的作用 ， 混凝土的和易性得到改善。在施工时新拌的混凝土 在模具 中有很强的填充性 ，在其硬化后密度得到很 大的提高。因此，引气剂的掺人，能使混凝土内部 含有一定量的气体 ，从而混凝土的抗冻耐久性得到 提高。 ( 2)减水剂的掺人。减水剂是混凝土调配过 程中不可缺少的一部分， 减水剂的使用大大降低了 混凝土的水灰 比 ( 水胶 比 ) 。在拌和混凝土时加入 一 定量的减水剂，可使水泥颗粒得到均匀的分散， 与此同时可将水泥颗粒包裹的水分得到充分的释 放 ，从而使 昆 凝土用水量得到明显减少 ，并减小了 混凝土中气泡平均尺寸及其间距。进而降低了水泥 浆中可冻水的百分比。 混凝土的强度和致密性的提 高，可以增强混凝土抵抗冻融破坏的能力 ，即提高 了混凝土的抗冻耐久性。 3 2 使用活性矿物掺合料 目前 ，我国的建设 正处在大规模 基础建设 阶 段 ，因而在建筑行业对混凝土的需求就也来越大 ， 对混凝土的品质要求就越来越高。而混凝土在各种 建筑上又是应用最广 、 用量最多的建造材料 ， 因此 ， 有效的降低其成本 ，提高其各种技术性能 ，改善其 结构提高使用其寿命是混凝土行业发展的大趋势。 与此同时减少 自然资源的消耗 、保护生态平衡也是 提高经济效益和社会效益 的大前提 。 水泥是混凝土基本材料中最昂贵的材料 ，所以 在满足混凝土质量的前提下， 单位体积越少使用水 泥就越节省资金。因此 ，掺人一些具有活性的矿物 掺和料( 硅灰、矿渣、粉煤灰) 来代替一部分水泥是 第4 3 卷第 l 1期 李文莉：高性能混凝土配方化学机理探究 2 4 2 5 具有非凡 的意义 。 4 混凝土抗冻性试验方法 试件 ：1 0 0 x 1 0 0 x4 0 0 ，三个为一组； 试验设备 ：案秤 、冻融试验机 、动弹性模量测 定仪； 冻结温度 ：( 一1 72 ) o c ； 融化温度 ：( 8 2 ) ； 循环一次 ：24h 。 试验结束标志 ： 抗冻次数已经达到设计要求； 相对动弹性模量降至 6 0 ； 试件重量损失达 5 。 5 结束语 虽然所有的工程研究人员都认可在混凝土中 加入一定量的引气剂可以提高混凝土的耐冻性， 但 在实 际的工程建设 中引气剂是要根据实际情况来 配 比的，而且对于不同种类的引气剂是需要经过试 验研究才能正式的投入与工程之中，这样才能保证 工程的安全性。 此外 ，对于解决混凝土抗冻耐久性的问题 ，掺 入活性矿物掺和料也是一项重要而有效的措施。2 1 世纪 ，随着科技的发展混凝土技术也沿着替代水泥 化发展， 因此添加活性矿物掺和料意义重大。 目前， 对于单矿掺和料的配置及对高生能混凝土的研究 有很多，取得一定成果的也不占少数。然而， 对于 多种掺合料复掺来提高混凝土抗冻性的研究甚少 ， 还希望在以后的研究中能在些方面取得一定进展。 参考文献： 1 李金玉， 曹建国水工混凝土耐久性的研究和应用 M】 北京： 中国电力 出版社 ，2 0 0 4 ： 1 1 - 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