高性能混凝土的耐久性及其提高措施.pdf

第 3 8卷 第 1期 2 0 1 1年 1月 VO 1 3 8。 No 1 J a n 2 0l 1 高性 能 混 凝 土 的 耐久 性及 其提 高措施 李 云 洲 ( 滁 州市 沙河 集水库 管理 处 ， 安 徽 滁 州 2 3 9 0 6 0 ) 摘 要 从高性能混凝土耐久性 的涉及 面、 影响因素及提高措施等方面进行 了简单介绍 ， 总结 了高性 能混凝土耐久 性 的主要涉及面 、 探 讨了高性 能混凝 土耐久性的影响 因素 、 分 析 了高 性能混凝 土耐久 性的提 高措施 ， 最后指 出 必须改善混凝土耐久性能 、 延长混凝 土构 筑物使用寿命 、 研制并 应用高耐 久混凝 土。 关键词 高性能混凝土 ； 耐久性 ； 影响 因素 ； 提高措施 中图分类号T U 5 2 8 3 1 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 1 5 0 2 高性 能混 凝土是 出现于 2 0世 纪 8 0年代 的一 种新 型混 凝土 ， 中国土木工程学 会高强与高性能混凝 土委员会定 义其 为以耐久性和可持续 发展为 基本 要求并 适合 工业 化生产 与 施 工 的 混 凝 土 ； 而 欧洲 混 凝 土学 会 和 国 际 预 应 力 混 凝 土 协 会 定义 H P C为水灰 比低于 0 4的混凝土 ， 注重耐久性 ； 在 日本 ， HP C被 定 义 为 高 流 态 自密 实 混 凝 土 ， 看 重 工 作 性 ； 美 国注 重 高强度和尺寸稳定性。尽管各国定义不 同 ， 但 耐久性是各 国 研究的重点 。 1 高 性 能混 凝 土 耐久 性 的涉 及 面 1 1 抗渗性 混 凝土 的抗渗性 是指混 凝土在水 压力下 抵抗 渗透 的能 力 。 混 凝 土 是 由 水 泥 石 、 骨 料 与 界 面 三 相 组 成 的 ， 水 泥 石 与 骨料本身都含有空隙。但 从整体来说 ， 混凝土 的空隙是 由于 施 工 浇 筑 的 不 密 实 和 泌 水 造 成 的 。 如 果 水 泥 石 的 水 化 程 度 相 同 ， 水灰 比越低 ， 渗透 性越 低。高性 能混凝 土 的水灰 比一 般在 0 3 8以下 ， 其水 泥石抗 渗性 比普通 混凝 土 中水 泥石抗 渗性 高 。高 性 能混 凝 土 中 掺人 火 山 灰 材 料 如 硅 粉 、 粉 煤 灰 等 以后 ， 可用来增强薄弱的基体 骨料界面 区。 1 2 碳 化 早期 的混凝 土由于 c a ( O H) ， 溶 液的存在 而呈 碱性 。随 着空气 中 C O 向混凝 土内部 的扩 散 ， c a ( O H) 被 消耗 ， 生成 了碳酸盐或其他物质 ， 从 而使混凝土原 有 的碱性 降低 ， p H值 下 降到 8 5左右 ， 此种现象被称 为混凝土 的碳化 。混凝 土碳 化本身对混凝土并 没有危 害 ， 而且 可能 是有利 的 ， 因为 形成 致 密 的 表 面 方 解 石 微 结 晶层 ， 填 充 了 碳 化 区 部 分 毛 细 孔 ， 提 高 了抗压强度 。但是 由于碳化 降低了孔 隙溶液 的 p H值 ， 破 坏 了钢 筋 的钝 化 膜。当 p H 值下 降到 1 1 5时 ， 钢筋 开始 锈 蚀 。随着锈蚀程度 的增加 ， 混凝 土表 面 出现裂缝 ， 与钢筋 的 粘结力降低。钢筋的断面发生缺损 ， 使 钢筋混 凝土造成 重大 收 稿 日期 ： 2 0 1 01 01 5 作者简介 ： 李 云洲 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 安 徽省来安 县人 ， 毕业 于安 徽建工 学 院， 本科 ， 工程师 ， 从事水利工程管理工作 。 损伤 ， 耐久性大大降低。 1 3 抗 猿 性 混凝土 中的冻害 ， 是 由于混凝 土毛细孑 L 中的水 分受到冻 结 ， 体 积膨胀 ， 产生 膨胀压 力造 成的 。而此 时没 有冻结 的水 分处于过冷状态 ， 在膨胀 压力 下 ， 过冷水 在流 到附近孔 隙 和 毛细管的运动过程 中， 又产生 了液体压力 。处 于水 饱和状态 的混凝土受冻时 ， 其毛 细孔壁 可能 同时受 两种压 力的作 用。 当压力超过混凝土的抗拉强度时 ， 混凝土就会 开裂。经过反 复冻融循环后 ， 混凝 土 中的裂缝 会互 相贯通 ， 其 强度也 会逐 渐降低 。最后甚 至会 完全丧失 ， 使混凝 土遭受 由表及 里的破 坏。当前 ， 关于高性能混凝土 中掺硅粉 是否能改善混凝 土的 抗 冻融 性 能 仍 是 一 个 有 争 议 的 问 题 。 1 4碱 一 集 料 反 应 碱 一集 料反应是 指混凝 土 中的碱 与集料 中的活性 组分 之 间发 生 的 破 坏 性膨 胀 反 应 ， 是 影 响混 凝 土 耐 久 性 最 主 要 的 因素之一。碱 一集料 反应 的两个主要原 因有 ： 水泥及 其他原 材 料 中 含碱 量 过 高 ， 这 主 要 来 自于 水 泥 ； 混 凝 土 原 材 料 中 碱 活性成分太 多 ， 主要是骨料 中的活性 5 i 0 ： 。依据参与碱 一集 料 反应 的岩石种类 与反应 机理 ， 碱 一集料 反应可分 为碱 一硅 酸反 应 、 碱 一硅 酸 盐 反 应 和 碱 一碳 酸 盐 反 应 。 2高 性 能 混 凝 土 耐 久 性 的 影 响 因 素 影 响 混 凝 土 耐 久 性 的 主 要 因 素 大 致 可 以 分 为 以 下 2点 ： 首先 ， 在混凝 土工 程 中为 了满 足混 凝 土施 工 和 易性 要 求 ， 即用水 量大 、 水灰 比高 ， 因而导致 混凝土 的孔隙率 很高 ， 约 占水泥石总体积的 2 5 4 0 ， 特别是其 中毛细孔 占相 当 大部分 ， 毛 细孔是水 分 、 各种侵蚀 介质 、 氧气 、 二 氧化碳及其 它 有 害 物 质 进 入 混 凝 土 内 部 的 通 道 ， 引 起 混 凝 土 耐 久 性 的 不 足 。 其 次 ， 水 泥 石 中 的水 化 物 稳 定 性 不 足 也 会 对 耐 久 性 产 生 影响 。此外 ， 在水 化物 中还有 数量很 大 的游离石 灰 ， 它的强 度极低 、 稳定 性 极差 ， 在 侵蚀 条 件下 ， 是 首先 遭 到侵 蚀 的部 分 。 要 大 幅 度 提 高 混 凝 土 的 耐 久 性 ， 就 必 须 减 少 或 消 除 这 些 1 5 发 开 术 技_耋 e 筑 建_主 第 1期 李 云 洲 ： 高性 能混 凝 土 的 耐 久性 及 其 提 高措 施 第 3 8卷 稳 定 性 低 的组 分 ， 特 别是 游 离石 灰 ： 3 高性 能 混 凝 土 耐 久性 的 提 高 措 施 3 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 ， 减少水灰比， 使混凝土 的总孑 L 隙 、 特别 是毛细管孔隙率 大 幅 度 降低 。加 入 减 水剂 后 ， 使憎 水 基 团 定 向 吸 附 于 水 泥 颗 粒表面 ， 亲水基团指向水分子 ， 使 水泥颗粒表 面带有 同种电 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 ， 阻 止 了 水泥颗粒 间的直接接触 ， 并在 颗粒间起 了润滑 的作用 ， 同时 使水泥絮凝体 内 的游离水 释放 出来 ， 增加 了混凝土 的 流动 性 ， 改善了拌合 物的和易性 ， 从 而达到减水 的 目的。与此 同 时， 由于水泥 颗粒被 有效 分散 并且颗 粒表 面被 水充分 地湿 润 ， 增大 了水 泥 颗 粒 的 水 化 面 积 ， 使 水 化 反 应 进 行 地 比 较 充 分 ， 从而也提高混凝土 强度 。许 多研 究表 明 ， 水 灰 比降 低到 0 3 8以下时 ， 消除毛细管孔隙的 目标便可 以实现 ， 而掺 人高效减水剂 ， 完全可 以将水灰 比降低到 O 3 8以下。 3 2掺 入矿 物掺 合 料 普通混凝土 中掺人矿物掺合料如粉煤灰 、 矿粉 、 硅 粉等 ， 可以改善混凝土 中水 泥石 的胶 凝物质 的组成。三元 系统被 越来越多地使用 ， 利用 一些矿 物成分 的协同优势 ， 以改善 新 拌和硬化混凝 土的性 能 ， 并使 高性 能混凝 土更 经济 和更 生 态。活性矿物掺合料 中含有大量活性 S 1 0 、 A 1 O ， 与水 泥水 化过程 中产生的游离石灰 、 水化 硅酸钙发 生二次反应 ， 生成 强度更高 、 稳定性更优 的低 碱性水 化硅酸钙 ， 从 而达到改善 水化胶凝物质的组 成 ， 使 水泥石结 构更致密 ， 并 阻断可能形 成的渗透通 道。此外 ， 还能改善集 料与水泥石的界面结构和 界 面 区 性 能 。 3 3使 用优 质骨 料 高性能混凝土 的发展必须要 有高质量 的砂石 骨料 。我 国 的一 些 混 凝 土 专 家 把 砂 石 骨 料 的 质 量 视 为 制 约 我 国 混 凝 土 发展 的瓶 颈 ， 认 为 中 国混 凝 土 质量 不 如西 方 的 主 要 原 因 是 砂 石 的质 量 差 ， 因 此 要 不 断 提 高 骨 料 的 质 量 。实 践 证 明 ， 配 制 高耐 久 性 的 混 凝土 的骨 料 应 满 足 下列 要 求 ： 1 )质地均 匀 坚 固， 粒 形 和级 配 良好、 吸 水率 低 、 空 隙 率小 ； 2 )处 于冻 融 循 环 下 的 工 程 混 凝 土 ， 宜 进 行 骨 料 的 坚 固 性 试 验 ， 坚 固性 试 验 的 失重 率 要 低 于 5 ( 细 骨 料 ) 和 8 ( 粗 骨 料 )； 3)对 于 可 能 处 于 干 湿 交 替 或 者 冻 融 循 环 下 的 混 凝 土 ， 粗 、 细 骨 料 中 的 含泥 量 应 该 分 别低 于 0 7 和 l ， 粗 、 细骨 料 中 的 水 溶 性 氯 化 物 折 合 氯 离 子 含 量 不 应 超 过 骨 料 质 量 的 0 0 2 ： 4 )在氯盐环境 作用下 的混凝土 ， 不宜 采用抗 渗性较 差 的岩 质 如 某 些花 岗岩 、 砂 岩等 作 为 骨 料 ； 5 )对 于重要的钢筋混凝 土1程应严禁使 用海砂 ； 6 )使用骨料前应 了解 所使用 的骨料有 无潜在 活性 ， 对 于 潮湿 环 境 下 或 可 能会 与水 接 触 的 混 凝 土 工 程 ， 使用 的 骨 料 l 6 需要 经 过 专 门 的验 证 。 混凝 土拌 和物 中水泥浆 的数量的计算是按 照骨料之间 所有的空隙均 被填满后 ， 并使 水泥有一 定的余量 。因此 ， 采 用级 配较好 的碎石配制 混凝 土时 ， 骨料空 隙率减小 ， 为填充 所有 空 隙 所 需 的 水 泥浆 体 的数 量 也 会 相 应 的减 少 ； 而 骨 料 颗 粒 问 的接 触 的几 率 则相 应 地 增 加 ， 这 样 在 水 灰 比相 同的 条 件 下 ， 混 凝 土 的强 度 及 耐 久 性 将 有 所提 高 j 。 3 4严 格 施 工 及 加 强 养 护 d 1 干高性能混凝土用水量较少， 水胶 比低， 拌合时稠度 高 ， 因此 有 必 要 采 用 拌 合性 能好 的搅 拌设 备 。 高性 能混 凝 土 运输与浇筑适 宜采 用罐 车和泵 送 ， 如果 用手 推车运 输及 浇 筑 ， 不仅操作 比较 困难 ， 而 且也 无法 进行外 加剂 的后 添加 。 由于高性 能混凝土 的水灰 比小 ， 通 常泌水性 较少或不 泌水。 因此 ， 需 在 浇 筑 后 就 立 即 进 行 湿 养 护 ， 以 防 止 塑 性 收 缩 裂 缝 的产生 ， 由于其胶 凝材料用 量较大 ， 为 防止内外温 度过大而 出现 温度裂缝 ， 必须采取适宜的保温措施 。 在施 工 的过 程 中 ， 应 根 据 混 凝 土 特 定 的 性 能 制 定 施 工 技 术规程 ， 对模板工程 、 混凝 土的运输 、 浇筑以及养护等方面作 具体规定 ， 以保证混凝土的旌工 质量 。要严格 按照施工方案 和技术要求进行振捣 ， 不使因振捣 而出现混凝土分层 、 离析、 表面浮浆 、 麻 面等质量 问题 ， 从而尽量 降低混凝 土成型 硬化 后出现的裂缝 ， 保证混凝 土的耐久性 。对 于高性 能混凝 土 的养护 ， 由于高性能混凝土早期强度增长较快 ， 一般 3 d左右 就达到设计强 度的 6 0 ， 7 d就 达到设计强度 的 8 0 ， 因此 混凝土早期养护显得特别 重要。通 常在混凝土 浇筑完 毕后 采取以带模 养护 为主 ， 浇水养护 为辅 ， 使 混凝 土表面保持 湿 润 ， 保证其强度正常发展 。一般养护时间不少于 1 4 d 7 j 。 4结 语 采用高性能混 凝土替代传 统混凝土结 构物和建筑在严 酷 环境 中 的特 殊 材 料 结 构 ， 改 善 混 凝 土 耐 久 性 能 ， 延 长 混 凝 土构筑 物使用寿命 ， 研制并应 用高 耐久混凝 土， 不仅 能够大 大提高项 目的投资效 益， 而且功在当代 ， 利在 千秋 ， 具有深远 的经 济 效 益 和 社 会效 益 。 参 考 文 献 1 刘 皓楠 ，郭理学高性能混凝土的性能和应用分析 J 河南科 技 ， 2 0 0 9 ，( 5 ) ： 4 1 2 陈学明 茅 哲烽高 性能 混凝 土技 术特 点及 应用 J 百科 论 坛 2 6 5 3 杜巍林 浅谈高速铁路高性能混凝 土梁原材料质量控制 J 山 西 建筑 ，2 0 1 0 ，( 1 2 ) ： 2 2 3 2 2 4 4 王淮峰，陈希 ，翟永梅高性能混 凝土耐 久性 J 科 技信息 ， 2 0 0 9，( 3 0 )：3 9 73 9 8 5 徐文广高性能混凝土在道桥工程 中的应用 J 中国新技术新 产 品 ， 2 0 1 0 ，( 9 ) ： 8 8 6 张福锋高强、 高性能 混凝 土的生产及其施 工质量管理 J 学 术 论 坛 ， 2 0 0 9，( 1 ) ： 2 4 5 7 王雪 ， 邓彪星浅谈高性能混凝土质量控制与评定 J 科 技资 讯 ，2 O1 0，( 6)：1 0 01 01