道路混凝土耐久性的研究 毕业论文

道路混凝土耐久性的研究 毕业论文 道路混凝土耐久性的研究 Study on durability and application of road high performance concrete 摘要 从耐磨性、干缩、抗裂性等方面，研究了粉煤灰、矿渣两种矿物掺合料对道 路高性能混凝土性能的影响，并初步探讨了其影响机理。研究结果表明:掺人质 量分数为20,一40,粉煤灰和矿渣的道路高性能混凝土具有工作性好、后期强 度高、耐磨、低收缩以及抗裂性好等特点。工地应用表明，用粉煤灰与矿渣复合 双掺配制的道路高。 关键词: 粉煤灰;矿渣;道路混凝土;耐久性;应用 Abstract:The efects of two minerals admixtures of fly ash and slag on road high performance concrete is studiod through the aspects of abmsion resistance，drying shrinkage，cracking resistance and so on(At the same time，the mechanism of action was analyzed and discussed(The research results showed that road high performance concrete added 20,--40, by mass of fly ash and slag have good workability，higher later strength，beaer characters of abrasion resistance，lower drying shrink age， anti-cracking and so on(The results of application indicated that high performance concrete mixed with fly ash and slag can significantly improve the pavement performance( Key Wrrds: fly ash;slag;road concrete;durability;application I 摘要 ................................................................ I 第一章 绪论..................................................... - 1 - 1.1 混凝土的应用与发展概述 .................................... - 1 - 1.1.1 高性能混凝土的技术特点及要求 .......................... - 1 - 1.1.2 高性能混凝土在国内外工程中实际的应用 .................. - 1 - 1.1.3 高性能混凝土存在的问题以及今后的发展趋势 .............. - 2 - 1.2 现代混凝土的特点 ......................................... - 2 - 1.2.1 现代混凝土配合比设计方法 .............................. - 3 - 1.2.2 化学外加剂与胶凝材料的相容性 .......................... - 4 - 1.2.3 矿物掺合料的合理使用 .................................. - 4 - 1.3 其他特种材料的应用 ....................................... - 5 - 1.4 混凝土强度浅析 ........................................... - 6 - 第二章 道路混凝土耐久性的实验性研究 ........................... - 10 - 2.1 原材料与试验方法 ......................................... - 10 - 2.1.1 原材料 ............................................... - 10 - 2.1.2 试验方法 ............................................. - 11 - 2.2 试验结果及分析 ........................................... - 11 - 2.2.1 力学性能 ............................................. - 11 - 2.2.2 耐磨性能 ............................................. - 11 - 2.2.3 干缩性能 ............................................. - 12 - 2.2.4 抗裂性能 ............................................. - 13 - 2(3 工程应用 ................................................ - 14 - 2.4 结论 .................................................... - 15 - 第三章 当今混凝土耐久性的研究现状和研究方向 ................... - 17 - 3.1 混凝土耐久性研究的背景 .................................. - 17 - 3.2 混凝土耐久性研究的意义 .................................. - 18 - 3.3 混凝土耐久性的研究动态 .................................. - 18 - 3.4 混凝土耐久性研究的现状和评述 ............................ - 19 - 3.4.1 材料耐久性研究 ...................................... - 19 - 3.4.1.1 混凝土碳化研究 .................................... - 19 - 3.4. 1. 2钢筋锈蚀研究 ...................................... - 19 - 3.4. 1. 3 冻融破坏研究 ..................................... - 20 - 3.4.2 结构耐久性研究 ...................................... - 20 - 3.4. 2. 1 结构的耐久性评定 ................................. - 20 - 3.4. 2. 2 结构构件寿命预测 ................................. - 21 - 3.4. 2. 3 结构寿命预测 ..................................... - 21 - 3.5 今后混凝土耐久性研究的方向 .............................. - 22 - 第四章 提高混凝土耐久性若干措施 .............................. - 23 - 4.1 科学严谨地进行原材料的质量检验 ........................... - 23 - 4.2 降低混凝土的渗透性 ...................................... - 24 - 4.3 改善混凝土的体积稳定性 .................................. - 25 - II 4.4 混凝土养护的重要性 ...................................... - 25 - 结语 ........................................................... - 27 - 参考文献....................................................... - 28 - 致 谢..................................... 错误～未定义书签。- 30 - III 第一章 绪论 1.1 混凝土的应用与发展概述 随着大量的高层建筑以及大跨度的桥梁工程的建设，普通的混凝土材料已不能满足工程需要，在20世纪的90年代初，国际土木工程界提出了高性能混凝土(HighPerformance Concrete,简称HPC)的概念。但对高性能混凝土的定义还没统一，美国NIST和ACI认为，HPC是具有以下性能的混凝土:易于浇筑、捣实而不离析，力学性能稳定，早期强度高、韧性和体积稳定性好。日本的学者则认为HPC就是高流态、免振自密实的混凝土。国内的学者对HPC的定义是:具有高强、施工性能好、可泵送、易成型密实、耐久性好的混凝土。最近清华大学的冯乃谦教授对高性能混凝土的定义进行了补充，即HCP还包括高性能化后的普通混凝土。HPC因其具有很多普通混凝土不具有的性能，在工程建设中有非常广阔的应用前景。 1.1.1 高性能混凝土的技术特点及要求 为了使配制出来的混凝土能够达到高性能的指标，对原材料的选取有一定的要求，选用水泥时，要求其强度等级较高，流变性能好;通常选用质地坚硬、表面粗糙、级配良好、最大粒径大于20mm的碎石(密实坚硬的石灰岩最佳)作为粗骨料，细骨料宜选用级配良好、细度模数为2.6,3.1的洁净中粗砂;选取超细矿物掺合料时通常选用细磨水淬矿渣、优质粉煤灰以及石英粉、稻谷灰等，这些掺合料不仅起到活性的作用，而且还有改善颗粒的粒径分布、提高密实度的作用;目前常将萘磺酸盐类和三聚氰胺类以及新型多羟酸类高效减水剂用于配置高性能混凝土，根据工程需要也可再加入缓凝剂、引气剂、膨胀剂等以改善高性能混凝土的其他各项性能。合理的配合比和施工技术对HPC的各项性能也有很重要影响，一般要求水胶比低于0.4，粗骨料的体积含量占混凝土体积的40%左右，砂率在36%左右，在满足性能要求的前提下，应尽可能减少水泥用量。在拌制时必须采用强制式拌和机进行拌和，而且拌制时宜采用“二次投料法”的拌和施工工艺并通过高频振动成型;高性能混凝土浇注过程中，混凝土表面失水较快，在其表面形成一道硬壳，即“假凝”现象，如养护不及时，则有可能在混凝土表面形成微小网状干缩裂缝。为了达到混凝土保湿养护的目的，应在混凝土浇注完毕后立即用润湿的麻布进行覆盖，并不断地向麻布上洒水，使其充分润湿。 1.1.2 高性能混凝土在国内外工程中实际的应用 由于HCP具有高强，良好的抗渗性、抗冻融性、耐久性及耐腐蚀性，在工程实际中得到了较为广泛的应用。沿海和近海地区由于受到海水对混凝土的侵蚀作用，混凝土的侵蚀现象非常普遍，而高性能混凝土则能有效的解决这一问题，如鄂东长江公路大桥南塔承台就是使用聚丙烯高性能混凝土。近年来，大量的高层和超高层等大型建筑不断涌现，高性能混凝土在这一领域发挥了充分的作用，如 - 1 - 上海的88层金茂大厦、环球中心以及正在修建的上海中心，均采用的是高性能混凝土。用于建设上海东方明珠电视塔的混凝土，是水泥用量只占胶凝材料总量的46%，配制的混凝土工作性、粘聚性和抗离析性能都十分优异，强度达到C60级掺有粉煤灰的高性能混凝土，并且超高泵送到350 m。在广州西塔主楼的建设过程中使用了C100超高性能混凝土，且泵送高度达到了411m,刷新了C100混凝土的世界泵送记录。 国外对HCP的研究要早于我国，也将其较早的应用于工程实际中。如1975年在芝加哥建造的74层、高262 m的水塔广场大厦。它代表1975年美国混凝土的工艺尖端。加拿大多伦多Scotia大厦(1987,1988)，68层, 高275 m,混凝土设计抗压强度为70MPa，它是世界第一幢用含高炉矿渣的高性能混凝土建造的高层建筑。还有美国1988,1989年建造的西雅图双联合广场大厦(Two Union Square 226 m，是世界第一座用平均强度为120MPa的高性能混凝土并采用钢Building)高 管混凝土建造的结构。 目前已出现了超高性能混凝土(UHPC)。例如加拿大和法国学者创造的活性细粒混凝土(RPC)，其强度已达200MPa和800MPa，且RPC - 200已开始应用于工程实际中。 1.1.3 高性能混凝土存在的问题以及今后的发展趋势 虽然现在H C P 已广泛的应用于工程中，但高性能混凝土还是有些问题仍需进一步研究，如高性能混凝土的收缩、爆裂性以及高温、疲劳、地震作用下的抗力性等。由于高性能混凝土具有诸多优越的性能，很多国家已投入了大量的财力、人力来加速对HCP的研究。目前HCP的发展的主要动向有:超高性能混凝(RPC);绿色高性能混凝土(Green HPC);机敏型高性能混凝土(Smart HPC) 。 1.2 现代混凝土的特点 现代混凝土是以工业化生产的预拌混凝土为代表，以高效减水剂和矿物掺合料的大规模使用为特征。现代混凝土减小了混凝土强度对水泥强度的依赖，拌合物的流变性能更加突出，保证混凝土结构耐久性的要求日益增强，在生产和使用过程中需满足可持续发展的原则。现代混凝土最重要的特征是高的均质性，至于是否一定包含某特定组分，要求某个特定的性能，则完全由工程实际需要而定。现在一些行业部门规定高性能混凝土必须使用聚羧酸减水剂，是没有道理的。虽然在配制高强度大流动性混凝土时，使用高减水率的聚羧酸减水剂有很大优势;但对于低强度等级的混凝土，由于胶凝材料用量小，水胶比大，使用聚羧酸减水剂反而难于保证拌合物的均质性。 传统混凝土一般由水泥、砂、石、水四种原料拌和而成;而现代混凝土除了上述四种原料外，还需要掺加矿物掺合料和多种化学外加剂，其组分可以达到十种以上，某些组分的掺量只有胶凝材料用量的万分之几。如此多的组分、如此少 - 2 - 的掺量，如不采用高精度的计量装置和强力的机械搅拌设备，很难做到快速均匀搅拌。现代混凝土对于均质性的要求很高，除了要求原材料的品质稳定外，严格的生产过程控制是重要措施。这些只能在自动化程度高的混凝土搅拌站才能实现。 1.2.1 现代混凝土配合比设计方法 混凝土的强度范围很宽，目前我国的建筑结构 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 涵盖的钢筋混凝 现代 土强度等级从C20到C80，在实际工程中，已有使用C115强度等级混凝土的案例。虽然使用水泥的强度等级都是32.5、42.5 或52.5，但是混凝土的强度等级却可以大幅度变化，混凝土强度和水泥强度之间不再有线性关系。虽然Abrams水灰比定则仍然有效，但是现代混凝土配合比设计时，已不再用其来计算混凝土的配制强度。 减水剂的普遍使用，可以在保持混凝土拌合物工作性不变的前提下，大幅度改变其水胶比，获得不同强度等级的混凝土。现在使用的胶凝材料，除硅酸盐水泥外，还有各种矿物掺合料。有的矿物掺合料可以提高混凝土的早期和后期强度，如硅灰;有的则会降低其强度，如粉煤灰。近年来一些基本是惰性的矿物细粉，如石灰石粉，也作为矿物掺合料加入到混凝土中，以改善混凝土的某些性能。不同组成的胶凝材料，其强度发展性能各不相同。在实际生产时，不可能事先测定所用复合胶凝材料的强度发展规律，然后开始混凝土配合比设计。在传统混凝土中，用水量和水泥用量通过水灰比确定则保持线性关系;而在使用减水剂和矿物掺合料的现代混凝土中，用水量和复合胶凝材料用量是作为两个独立的变量加以考虑。在现代混凝土配合比设计时，需要同时考虑用水量和复合胶凝材料用量的变化对于强度的影响。所以现代混凝土的配合比设计远比传统混凝土复杂，需要考虑的因素多。惰性粉料，如石灰石粉，是应将其归入胶凝材料，还是计入砂，目前也是一个悬而未决的问题。由于现代混凝土的复杂多变，其配合比设计的技术水平就相差很大。目前预拌混凝土搅拌站多是根据经验设计混凝土的配合比，尚没有一个被广泛接受的实用化现代混凝土配合比设计方法。近年来许多人致力于发展基于人工智能原理的计算机化的混凝土配合比设计方法，如利用“神经元”和“灰色系统”等，开发出全计算设计程序。但是大量配合比设计人工智能方法的研究都在低水平上重复进行，所开发的计算方法存在这样那样的缺陷，需要大量的原始参数，计算过程不能灵活调整，难于适应复杂多变的原材料和施工现场情况，不能得到实际应用。研究与应用脱节的现象在这里表现得很突出。 现代混凝土配合比设计时需要同时考虑力学性能、工作性和耐久性。这些性能的一个重要影响因素是混凝土的“浆骨比”。一般认为高性能混凝土的最佳浆骨比大约为35?65。对于传统混凝土，人们认为浆骨比不会明显影响其强度性能和耐久性，因此主要根据工作性高低来决定浆骨比的大小，可根据经验选择用水量来实现。现在许多地方的骨料的孔隙率超过40%，而混凝土的各种性能要求又 - 3 - 很高，优化混凝土的浆骨比就非常重要了。在复合胶凝材料中，各种组分的密度差别较大，如硅酸盐水泥的密度为3.2，粉煤灰的密度小于3，石灰石粉的密度只有2.65。在同样的浆体量的情况下，不同组成的胶凝材料的浆体体积可有较大变化，导致混凝土的浆骨比发生变化，最终影响混凝土的性能。对于组成复杂的现代混凝土，应该使用体积法计算配合比，而不是用重量法。 1.2.2 化学外加剂与胶凝材料的相容性 化学外加剂与胶凝材料的相容性好坏是现代混凝土需要重点考察的问题。现代混凝土组成复杂，在加水拌和后，各种组分都开始化学反应和物理变化，相互间有可能产生不协调的变化，导致不相容。目前最严重的不相容现象发生在聚羧酸减水剂与萘系减水剂同时使用时，这导致拌合物板结，流动性迅速降低，无法浇筑。减水剂与硅酸盐水泥之间偶尔也发生不相容现象，现象为减水剂掺量饱和点大、流动性损失加大、泌水、离析等。混凝土组分间不相容现象发生的原因尚不十分清楚，因为对于减水剂在水泥水化过程中随时间变化的作用机理尚没有完全明了，多种组分间的相互作用机理就更难于了解了。对于聚羧酸减水剂与萘系减水剂不相容的问题，最简单的解决办法是将两者彻底分开，不使其接触。在从一种减水剂换用到另一种减水剂时，需要将搅拌机、输送系统、混凝土罐车和泵清洗干净，不能马虎。曾有搅拌站在换用聚羧酸减水剂时，仅因为混凝土罐车没有清洗干净，而发生新拌混凝土板结，丢掉了一个大工程的任务。对于减水剂与胶凝材料不相容的问题，一般都认为是减水剂的问题，通过调整减水剂配方，大多能够改善。但是胶凝材料也是关键的一方。某些水泥与大多数减水剂的相容性 不好，就主要是水泥的问题了。影响水泥与减水剂的相容性的因素有水泥中可溶碱含量、SO含量、可溶碱与SO比值、熟料中CA含量、混合材的种类与掺量等。333 一些因素涉及水泥生产的原料和烧成工艺，难于调整。水泥中混合材的偶然变化是混凝土搅拌站难于知晓的因素，例如由于原料供应的原因，临时将矿渣换成煤矸石，虽然水泥强度基本不受影响，但与减水剂的相容性却改变了。如果减水剂不作相应调整，就容易发生相容性不良的问题。因此混凝土搅拌站在购买水泥时，要求水泥厂提供包含混合材种类和掺量的产品检验报告是很必要的。国 家标准GB175—2007《通用硅酸盐水泥》明文规定水泥厂必须提供产品检验报告，但是许多搅拌站却忽视了自己的权利。 1.2.3 矿物掺合料的合理使用 矿物掺合料已是现代混凝土中不可缺少的组分。但是如何合理正确地使用矿物掺合料却仍然是混凝土材料供应商、结构工程师、工程监理和标准制订者共同面对的问题。首先是胶凝材料的定义尚不明确。在20世纪50年代我国的标准体系开始建立时，混凝土所使用的胶凝材料只有硅酸盐水泥，其混合材掺量范围很小。所以当时制订的标准中均写明最低水泥用量，但不规定所使用的硅酸盐水泥品种。沿袭到现在，许多标准中仍然规定有最低水泥用量，但观念已经发生了变化， - 4 - 水泥实际上是指广义的胶凝材料，包括工厂内生产的成品水泥和现场掺加的矿物掺合料。狭义地理解标准中的最低水泥用量必须是工厂内生产的成品水泥已没有意义。PS 矿渣硅酸盐水泥中矿渣的含量可达70%，而PI 硅酸盐水泥中不含混合材。即使同样的用量，这两种水泥提供的硅酸盐水泥熟料量是完全不同的，对于混凝土性能的影响也有很大差异。所以在混凝土配制时，重要的不是控制最低水泥用量，而是最低硅酸盐水泥熟料用量。虽然许多标准在涉及水泥用量时，都在注解或条文说明中讲明，水泥用量包括硅酸盐水泥和各种矿物掺合料。但是监理工程师和行政管理部门却常常忽略了这些说明，僵硬地执行标准的条文定，不利于混凝土配合比的科学设计。 矿物掺合料的合理使用必须考虑具体的应用对象。由于目前硅酸盐水泥的强度较高，调控混凝土强度的手段也多，所以对于一般强度等级的混凝土，如果仅考虑满足其设计强度要求，矿物掺合料的掺加比例可以很大。但是如果同时考虑耐久性，则某些部位的混凝土，其矿物掺合料的掺加比例就要有所限制。底板混凝土长期处于较为潮湿、不接触CO的环境，没有发生碳化的危险，只要能满足2 强度要求，其矿物掺合料的比例可以不用控制。由于矿物掺合料比例高，其水胶比相应较低，其抗渗性较好，其抵抗水溶性侵蚀介质作用的能力高，耐久性好。所以大掺量矿物掺合料混凝土特别适用于大体积底板。在大体积混凝土结构内部，胶凝材料水化放出的热量不易散失，长期维持较高温度，可促进矿物掺合料的水化反应，激发其潜在活性，使混凝土的强度发展加速。所以大体积结构内部的大掺量矿物掺合料混凝土的强度高于标准条件下养护的试件强度，这与纯硅酸盐水泥的特性不同。 大掺量矿物掺合料混凝土如果养护不充分，则会大大阻碍其微结构发展，增加孔隙率，影响其各种性能发展。对于处于大气环境中的结构，如果所用混凝土中掺加的矿物掺合料比例过大，则其抗碳化的性能可能变差。因此对于上部结构，所用混凝土中的矿物掺合料比例要加以限制。目前一些涉及耐久性的标准对于矿物掺合料的掺加比例是有所限制的。但是许多人常常忽略了这种限制是以硅酸盐水泥熟料量为计算基准的。目前最常用的普通硅酸盐水泥至少含有20%的混合材。如果以水泥为基准计算矿物掺合料的掺加量，则硅酸盐水泥熟料的量就大大 减少了，可能达不到耐久性的要求。 1.3 其他特种材料的应用 现代混凝土中，除了常规的胶凝材料、砂、石、减水剂和水外，还可能使用一些特种材料，如膨胀剂、纤维材料、引气剂、稠度调节材料、密度调节材料、耐久性增强材料等。由于这些材料只在一些特殊场合使用，产品变化也快，所以混凝土生产商对其原理和用法了解不多，需要在材料供应商和专家的指导下使用。材料供应商为了促进销售，常会夸大材料的作用，诱导业主使用一些并不必 - 5 - 要的材料。最常见的例子是普通合成纤维在混凝土中的应用。这种低弹性模量的合成纤维对于刚浇筑的混凝土抵抗塑性开裂，或增加砂浆的抗裂性是有作用的;但是利用它改善硬化混凝土的抗裂性能是不切实际的。纤维生产商常有意忽略这种差异，仅宣传掺加合成纤维能增加混凝土的抗裂性。曾有一个纤维生产商宣称，掺加其生产的聚丙烯纤维的混现代混凝土，其28d韧性系数能达到3。但 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 发现按其推荐掺量制备的混凝土的韧性根本没有增加。另外一种常常夸大其词的材料是混凝土防腐剂。一种每吨售价达数千元的防腐剂，我们检测的结果显示，其主要成分是粉煤灰和石膏。对于种类繁多的特种材料，混凝土制造商需要多学习、多了解，亲自试验验证其作用，然后再决定是否使用。 1.4 混凝土强度浅析 自从19世纪20年代水泥问世以来，水泥与混凝土的生产技术有了迅速发展，混凝土的用量急剧增加，使用范围日益扩大。现在，它已成为世界上用量最多的人造材料。近几十年来，混凝土技术不断进步，如高强混凝土、纤维混凝土、轻骨料混凝土、浸渍混凝土等特种混凝土不断出现，而且世界各国使用的混凝土平 均强度等级迅速提高。目前，在工业发达国家，C60的混凝土已经普遍采用，C80的混凝土用量也有不断增加。未来工程对混凝土强度的要求会越来越高。人们对混凝土强度机理的研究也日益深入。简单地说，普通混凝土是由水泥、粗细骨料(碎石或卵石及硅质砂)加水拌和，经水化硬化而成的一种人造石。因此可以把混凝土看作是水泥石与粗细骨料组成的二相复合材料，它的粒子相是粗细骨料，对应的基体相则为水泥石。但严格来讲，混凝土是一种颗粒型多相复合材料，包含着至少七个相，即粗骨料(碎石或卵石)、细骨料(硅质砂)、未水化的水泥颗粒、水泥凝胶、凝胶孔、毛细管孔和引进的气孔。另外混凝土内部具有毛细管孔隙结构，是由混凝土成型时残留下来的气泡、水泥石中的毛细管孔腔和凝胶孔、水泥石和骨料接触处的裂缝等构成。认清混凝土的内部结构对混凝土强度机理的研究是至关重要的。 混凝土的强度来源有以下三方面: 1)水泥石; 2)水泥石与骨料之间的粘结; 3)骨料。 1 水泥石 在普通混凝土中，水泥石的含量约占总体积的四分之一，水泥石的强度在很大程度上决定着混凝土强度。根据水灰比的不同，水泥石可以由水泥凝胶、毛细管孔胶和未水化的水泥核心三者组成，也可以完全由水泥凝胶组成，或者是水泥凝胶与其余两者之一并存。一般来说，在实际的工程应用中，不可能也没有必要使水泥达到完全水化的程度。所以在大多数情况下，水泥石是由以上三者共同组 - 6 - 成的。水泥凝胶是水泥石中起胶结作用的物质，随着水泥水化反应的进行，水泥石中水泥凝胶的体积增加，而毛细管孔胶的体积则减小，水泥石的强度也随之增长。可见，水泥凝胶在水泥石体积中的填充程度在一定程度上决定了水泥石的强度。T?C鲍威尔斯根据大量试验的结果，建立了水泥石强度与胶空比(水泥凝胶 的体积对水泥凝胶和毛细管孔腔两者体积之和的比值)之间的关系式: n R,AXc 式中:R—水泥石的强度; c X—胶空比; n—常数;取决于水泥的特性，再2.5-3.0之间; A—水泥凝胶的固有强度。 这个水泥石强度方程是有前提条件的，就是假定水泥完全水化，即胶空比X在0,1之间变动时，水泥石的强度不能超过A，但随着x的增大而快速增长。 水泥石的强度不可以用孔隙率来表示。H?惠斯切根据试验结果，提出了水泥石的强度与孔隙率的关系式: 2.7 R,(1,P)，3100c 式中:R—水泥石的强度; c P—孔隙率。 根据上式，孔隙率P越小，则水泥石强度越高。但是计算水泥石强度时，除了考虑孔隙率或胶空比以外，还必须考虑到孔隙及微裂缝的大小和分布情况等其他因素的影响。 2 骨料与水泥石的粘结 骨料与水泥石的粘结强度，往往是普通混凝土中最为薄弱的环节。粘结的强度受到多种因素的影响:骨料的形状、表面状态、亲水性、水灰比、捣实程度、温度、水泥质量等等。由于影响因素众多，粘结强度的离散性也相当大，目前还不能定量地对其进行计算，只能进行定性的分析。水泥石和骨料的界面粘结，有物理结合和化学结合之分。物理结合是由于界面间的粘着和机械啮合作用而引起的。化学结合是由于骨料和水泥石之间发生一定程度的化学反应，在两者之间形成接触层而引起的。 水泥石与骨料表面的物理粘结力，决定于水泥石在骨料表面凹处的渗入，从而增加了界面上骨料与水泥石之间的剪切强度。骨料表面越粗糙，与水泥砂浆的结合就越好，粘结强度就越高。衡量骨料表面粗糙程度指标一般采用比表面积A,V(总表面积与体积之比)，其值越大，则骨料的粗糙度越高。粘结强度包含着两种机械粘着力:填充骨料表面凹陷处水泥石部分的剪切力和水泥石中骨料凸出部分的剪切力。这两种分力在总粘结力中所占的比例取决于水泥石骨料的性质。对于高强度骨料低强度水泥石的混凝土来说，一般只存在水泥石的剪切，对于低 - 7 - 强度骨料高强度水泥石的混凝土来说，一般只存在骨料的剪切，只有在高强度骨料高强度水泥石的混凝土当中，这两种剪切才同时存在。所以，骨料的表面形状，对于界面粘结强度来说，是一个绝对的影响因素。但对于混凝土的整体强度来说，它并不是一个绝对的影响因素。因此不能够简单地认为采用表面粗糙度高的骨料就一定会提高或降低混凝土的强度。 骨料活性对水泥石和骨料的界面粘结强度有着很大的影响。惰性骨料，在混凝土硬化过程中不与水泥浆发生化学反应，但是在骨料颗粒表面会形成一层较为致密的水泥石外壳，可称之为接触层。接触层的形成开始于混凝土混合物的加水拌和阶段。其拥有与水泥浆本体相同的氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙等结晶体。在水泥石的凝结阶段，惰性骨料的表面比水泥浆内部有利于这些晶体的形成，即接触层晶体比水泥浆内部晶体的产生速度快(两者相差二个数量级)，且接触层晶体的致密度较大。但是，由于接触层中大部分为粗结晶体，所以形成的骨架结构的内部孔隙较多，它们相互之间以及与骨料表面之间的粘结力都较低。接触层是一层特殊的水泥石，其性质不完全相同于水泥石本体。由于接触层内晶体致密度大，具有较高的抗压强度(按显微硬度来判断)，而晶体分子间彼此的粘结力小，抗拉强度值较低。从这一点来看，就可以解释为什么混凝土在拉伸时呈现脆性，而在压缩时则显得比较坚韧。 3 粗细骨料 骨料在混凝土中占体积的70,,80,，它不仅是填充材料，而且构成混凝土的刚性骨架，起受力和传力作用，是混凝土强度的来源之一。显然，骨料的强度越高，混凝土的强度也越高。在实际中，除了轻质混凝土外，骨料的强度往往不是混凝土强度的决定因素。 这是因为，一般的骨料都具有较高的强度，比水泥石的强度和接触层的强度要高好几倍，所以混凝土的破坏，一般不会由骨料的破坏引起，而是决定于其他两者。但有一点要注意，如果采用存在节理(或层理)等构造缺陷的骨料，当剪切方向与构造裂隙平行或拉力与构造裂隙垂直时，混凝土的强度会大大降低。 如吸水性和亲水性)，对混凝土的强度除了骨料本身的强度外，骨料的性能( 也有较大的影响。骨料的吸水性主要表现在两方面，一方面是表面干燥的粗、细骨料要吸取一部分水量湿润表面;另一方面的是多孔骨料内部的孔洞也要吸收一定的水量，因此骨料吸水量不但与骨料的含水率有关，还与骨料的空隙率有关。它将影响到混凝土的实际水灰比，造成混凝土强度的波动，表现在混凝土强度的离散性上。骨料的亲水性是指骨料表面吸附水的能力，亲水的骨料其表面湿润后，水泥石与骨料的接触层结构致密，粘结强度较高。所以骨料对混凝土强度的影响，不仅仅是由于骨料的力学强度，而在相当程度上是由于它的吸水性和亲水性。另外，混凝土的强度与水灰比有着明显的关系，用水灰比来估计混凝土的总体强度变化规律是可行的。很多资料上都将水灰比作为决定混凝土强度的本质因素，并 - 8 - 引用了艾布拉姆斯的混凝土强度计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 : W/C R,K/K12 n R,AXc 式中:R—混凝土的强度; W/C—水灰比; K，K—经验常数。 12 但实际上，水灰比对混凝土强度的影响并不是本质的。水灰比与混凝土强度的关系同孔隙率或胶空比与水泥石强度的关系类似，只是一个从宏观上控制混凝土强度的参数，并非混凝土强度的本质来源。即使在相同的水灰比条件下，混凝土强度仍有较大的变异。 综上所述，混凝土的强度是由水泥石的强度、水泥石一骨料的界面强度、骨料的强度这三者构成的。它的影响因素虽然是多方面的，如水灰比、材料本身的性质、养护条件、初始裂缝的大小和分布、施工质量等。但本质上，这些影响因素都是通过改变水泥石的强度、水泥石一骨料的界面强度或骨料的强度，从而使混凝土的整体强度发生变化。 - 9 - 第二章 道路混凝土耐久性的实验性研究 耐久性问题是国内外工程界非常关注的问题，全世界因混凝土丧失耐久性造成的经济和社会损失十分巨大，每年的修复和重建费用高达百亿甚至上千亿美元。我国正处于高速发展时期，大规模的建设使每年的混凝土用量达十多亿立方米，许多重点工程正在兴建和筹建中，如跨海跨江的特大型桥梁、高等级公路等，都是国家投入巨资的项目，均要求高寿命。如能重视工程的质量和耐久性，将大大延长工程的使用寿命，从而取得较好的技术经济效益。几十年来，中外各国科学家一直致力于混凝土耐久性研究，取得了许多研究成果。但由于混凝土材料自身结构的复杂性及耐久性破坏因素的复杂性和交互作用，使得混凝土耐久性破坏的原因、现象、规律、作用机理和检测 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 方法更具复杂性。因而，混凝土耐久性破坏至今还是一个困扰着人们的严肃课题。本文主要研究粉煤灰、矿渣对道路混凝土耐磨、干缩及抗裂性的影响，为实现道路混凝土高性能、高耐久性提供技术保障。 2.1 原材料与试验方法 2.1.1 原材料 水泥:粤秀牌42.5级普通硅酸盐水泥，化学成分及物理力学性能见表1,2;粉煤 2灰:湖南湘潭电厂电收尘分选的超细粉煤灰，密度2.26g/cm，比表面积650m/kg，需水量比为93,，化学成分分析见表1;矿渣:三峡磨细矿渣，由葛洲坝股份有 2限公司提供，密度2.87g/cm，比表面积560m/kg，需水量比为98,;粗骨料:碎石，符合5-20mm连续级配，压碎指标8.6,,9.5,，含泥量0.5,，表观密度 33276g/cm，松散表观密度1610kg/m，空隙率41.7,;细骨料:河砂，II区级配合格，细度模数2.76，含泥量0.8,，表观密度2.68g/cm,松散表观密度1570kg/m，空隙率41.4,;外加剂:湛江91~HN厂生产的FDN牌和株洲桥梁厂生产的TQN牌高效减水剂，减水率均约为20,-25,。 表1 水泥粉煤灰及矿渣的化学组成 SiO AlO CaO MgO SO FeO 材料 烧失量 223323 22.5 4.34 62.68 4.58 2.21 2.06 2.63 越秀牌水 泥 50.15 30.51 7.50 0.10 0.65 6.78 1.69 湘潭FA 21.48 7.21 49.83 0.35 3.25 1.49 1.99 三峡SG - 10 - 表2 普通硅酸盐水泥的性能指标 强度 细度 凝结时间/min 3d强度/MPa 28d强度/MPa 体积 抗折强抗压强抗折强抗压强稳定性 % 等级 初凝 终凝 度 度 度 度 42.5 5.1 175 345 33.8 5.6 59.4 8.6 合格 2.1.2 试验方法 混凝土工作性试验根据GB,T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行;力学性能试验按照GB,T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，立方体抗压强度和劈拉强度所用试件尺寸均为100mm x 100mm x100mm，抗折强度所用试件尺寸为100mm x l00mm x 400mm，试验结果已乘相应的换算系数;耐磨性按照JTG E30—2005~公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》试验;干缩性能按照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中有关试验步骤进行;抗裂性试验采用平板法。 2.2 试验结果及分析 2.2.1 力学性能 掺粉煤灰、矿渣及粉煤灰和矿渣的复合(CUFA，FA:SG=1:2)的道路高性能混凝土的配制试验结果见表3。表3的试验结果表明:与基准混凝土相比，掺矿物掺合料的道路高性能混凝土的和易性明显改善，坍落度增大，早期强度(2d)随 3之降低;随着龄期的增长，抗压强度、抗折强度均随之增长，采用240,320kg/m的粤秀牌42.5级普通硅酸盐水泥，并以20,,40,矿物掺合料等量取代水泥而配制的道路高性能混凝土28d抗压强度达47.7,58.2MPa，28d抗折强度达6.54,7.16MPa，均能满足重交通和特重交通开放交通的要求。特别是掺矿物掺合料的道路高性能混凝土的28d抗折强度与基准混凝土相比均有所提高，为道路普通混凝土实现高性能提供了技术保障。 2.2.2 耐磨性能 对路面混凝土而言，混凝土的耐磨性能就显得特别重要，道路高性能混凝土耐磨性试验的配合比见表4，试验结果如图1，结果表明: (1)采用较低水胶比配制的道路高性能混凝土都具有良好的耐磨性能，除3d磨耗稍有超标外，其它龄期的道路高性能混凝土的单位面积的磨耗量均 23.6kg/m，符合国家相关标准(JTGE-2005 )o (2)粉煤灰和矿渣等矿物掺合料的掺入，降低了混凝土的早期耐磨性能，如掺30,矿渣的混凝土比纯水泥混凝土磨耗值增大了10.8,，这主要是由于粉煤灰和矿渣的掺入，降低了混凝土的早期强度所致。随着龄期的增长，粉煤灰混凝土 - 11 - 和粉煤灰矿渣混凝土的耐磨性越来越好，超过或接近基准混凝土。 (3)无论早期还是后期，矿渣混凝土的耐磨性能不如纯水泥混凝土的耐磨性，这可能是由于采用的磨细矿渣本身耐磨性不高的缘故。 (4)除早期(3d)耐磨性外，粉煤灰混凝土的耐磨性能都较好，且都优于纯水泥混凝土。其主要原因有以下两点:一方面在低水胶比条件下，粉煤灰的减水增强效应非常明显，有利于胶凝物质对骨料粘结性能的提高;随着龄期的增长，粉煤灰与水泥水化产物Ca(OH)的二次水化反应速度加剧，生成了更多的晶体和凝胶，2 改善了水泥石内部的孔结构，大大提高了混凝土的密实度，后期强度大幅度提高，因而耐磨性能也进一步得到改善。另一方面，粉煤灰的微颗粒材质本身的耐磨性并不低于细骨料砂子，有资料表明粉煤灰玻璃微珠的抗压强度在700MPa以上，并且玻璃微珠外层玻璃质表面非常致密，微集料本身的耐磨性很高。上述综合作用的结果大大提高了掺粉煤灰的道路高性能混凝土的后期耐磨性能。综上所述，道路高性能混凝土的耐磨性能优异，完全符合国家关于公路水泥混凝土的耐磨性要求，在公路路面工程中推广应用是可行的。 表3 道路高性能混凝土的实验结果 /MPa f/MPa f/MPa f水泥 水 矿物掺合物 坍落cutsf编号 备注 度 2d 28d 28d 28d /(kg/m/(kg/m/% /mm 3)3) 1 400 128 0 10 32.8 58.7 4.42 6.37 高效减 水剂为2 320 128 30 30.9 58.2 4.25 6.94 20(FA) TQN，3 280 128 45 28.1 55.8 4.34 7.05 30(FA) 掺量为4 280 128 55 32.3 56.4 4.55 7.16 30(SG) 0.7% 5 240 120 30 27.6 49.4 4.12 6.54 40(SG) 6 240 120 25 24.1 47.7 4.20 6.78 40(CUFA) 2.2.3 干缩性能 道路高性能混凝土的干缩性能试验配合比见表4所示，试验结果如图2。由图2的试验结果表明: (1)不同混凝土的早期收缩基本相同，28d龄期以后，各组混凝土收缩趋势开始增大，掺矿物掺合料的混凝土后期收缩值明显降低，尤其是掺超细粉煤灰混凝土的干缩值。这可能与粉煤灰在混凝土中的火山灰反应有关，粉煤灰的火山灰反应消耗孔隙水分，生成物的填充或膨胀作用抵消了部分收缩应力，使混凝土的后期收缩得到补偿。另一方面，由于掺入优质粉煤灰，其中微珠粉煤灰颗粒均匀牢固地镶嵌在水泥石中，而且微珠自身具有很高的强度，也同样可以消除或削弱早期应力，当微裂纹出现时，微珠颗粒能阻碍裂纹的延伸和扩展，减小收缩。 (2)在同样的工作性能的情况下，粉煤灰混凝土的收缩比任何其它混凝土低。 - 12 - 这与Yamato等人的研究结论一致，其试验结果表明，即使28d强度低于普通混凝土的情况下，粉煤灰混凝土的收缩仍低于普通混凝土。 (3)含磨细矿渣混凝土的早期干缩较大，其主要原因是自加水拌和后，水化反应较慢，在初期，从矿渣混凝土蒸发的水量比普通混凝土的大，因而干缩率比普通混凝土大。矿渣混凝土后期收缩较普通混凝土小，其机理可以这样认为:掺入矿渣超细粒子的填充效应使混凝土的孔隙率减小，随着水化的进行，毛细管压力也随之减小，所以引起的干燥收缩也减小。掺粉煤灰与矿渣的道路高性能混凝土干缩值比普通混凝土明显减小，这有利于提高混凝土的体积稳定性和抵抗开裂的能力。 表4 道路高性能混凝土耐磨性和干缩性能试验配合比 3编号 配合比/(kg/m) 塌落度 C FA SG W G S FDN /mm A1 400 - - 128 1217 655 3.6 20 A2 280 120 0 128 1217 655 3.6 80 A3 280 0 120 128 1217 655 3.6 40 A4 280 40 80 128 1217 655 3.6 55 2.2.4 抗裂性能 本文抗裂性试验采用平板法，使用模具参考Y(Kasai等人研制的仪器自行加工制造，其结构尺寸为600mm x 600mm x 80ram。试验方法及步骤: (1)按预定配合比拌和混凝土; (2)浇筑、振实、抹平; (3)用塑料薄膜覆盖2h; (4)将塑料薄膜取下，用40W 的电风扇吹混凝土的表面，连续吹24h; (5)从浇筑起记录26h内的初裂时间、裂纹数量、裂纹长度和最大宽度。评定开裂等级准则和开裂等级划分可参阅文献。试件成型时环境温度36?，相对湿度75,，试验配合比见表4(A1和A2配合比)，试验记录见表5，抗裂性能试验评定结果见表6。 从表5-6试验结果可以看出，普通混凝土在l1h和24h出现了微小的裂纹，其单 22位面积的总开裂面积为18.6mm,m，而道路高性能混凝土没有出现裂纹，虽然两者的开裂等级评价都为?，但相比之下，道路高性能混凝土具有更好的抗裂能力。说明粉煤灰的掺人能有效抑制混凝土的开裂，提高了混凝土抵抗早期塑性裂缝产生的能力。 - 13 - 2.3 工程应用 2010年3月在广东省佛山市顺德区公路局管辖区的三乐线改造工程中进行C40级道路高性能混凝土的现场应用试验，经业主、设计、监理同意在Kl+500~ Kl +945段进行应用试点。道路高性能混凝土现场施工配合比和试验检测报告汇总见表7。从现场拌和情况来看，新拌混凝土均匀，粘聚性良好，保水性也比较好无离析现象，坍落度为40,50mm，说明道路高性能混凝土的工作性能是优异的。根据顺德区公路局公路养护工程试验室对道路高性能混凝土的检测报告，检测结果表明:道路高性能混凝土的28d抗折强度为6.12MPa大于5.0MPa，28d抗压强度为49.3MPa，满足C40混凝土的设计要求，保证了混凝土的质量。 - 14 - 表5 抗裂性能试验记录 7h 9h 11h 24h 26h 编号 A1 无裂缝 无裂缝 出现第一条裂纹，长出现第二条裂纹，长无裂纹 39.8mm，宽0.11m 12.3mm，宽0.91mm A2 无裂缝 无裂缝 无裂纹 无裂纹 无裂纹 于2010年4月分别进行为期2个月的回访观察，实际情况表明:用道路高性能混凝土修筑的道路路面光滑，未见有开裂、断板等现象，大大改善了该路段的行车条件;而用普通混凝土修筑的相邻路段已有多处出现坑糟、开裂等路面破坏现象。 表6 抗裂性能试验评定结果 单位面积 W/B 序号 塌落度 首次开裂平均开裂单位面积开裂 总开裂面 /cm 时间 面积 开裂数 等级 积 222/h /mm /(条/m/(mm 2/mm) ) A1 0.32 20 11 3.36 5.55 18.648 1 A2 0.32 80 0 0 0 0 1 表7 道路高性能混凝土现场施工配合比及检测结果 CUFA 3d 28d 水泥 砂 碎石 水 塌落 度 33333/(kg/m/MPf/MPa f/MPa f/MPa /(kg/m/(kg/m/(kg/m/(kg/m/mm fcufcuf) ) ) ) ) a 280 120 670 1245 135 45 23.2 3.67 49.3 6.12 2.4 结论 (1)与基准混凝土相比，掺矿物掺合料的道路高性能混凝土的和易性明显改善，坍落度增大，早期强度随之降低，但后期抗折强度有明显的提高，28d抗折强度达6.54,7.16MPa，能满足重交通和特重交通开放交通的要求。 (2)粉煤灰和矿渣等矿物掺合料的掺入，降低了混凝土的早期耐磨性能;但随着龄期的增长，粉煤灰混凝土和粉煤灰矿渣混凝土的耐磨性越来越好，超过 2或接近基准混凝土，符合国家相关标准关于单位面积的磨耗量都小于3.6kg,m的规定。 (3)不同混凝土的早期收缩基本相同，28d龄期以后，各组混凝土收缩趋势开始增大，掺矿物掺合料的混凝土后期收缩值明显降低，尤其是掺超细粉煤灰混凝土的干缩值。粉煤灰混凝的收缩比任何其它混凝土都低，说明粉煤灰能够显著改善混凝土的干缩性能。 (4)抗裂性研究结果表明:道路高性能混凝土比普通混凝土具有更好的抗裂能力，道路高性能混凝土的抗裂性优良，开裂等级评价为I级。 - 15 - (5)工地应用表明，道路高性能混凝土具有良好的工作性能、路用性能及 耐久性能，在公路路面工程中推广应用是可行的。 - 16 - 第三章 当今混凝土耐久性的研究现状和研究方向 随着我国现代化进程的加快, 各类社会基础设施的建设方兴未艾。这些构筑物大都为混凝土结构, 其设计方法除了传统的强度、刚度等力学性能指标设计, 还要考虑耐久性、经济性进行寿命设计。跨世纪的建筑不仅要求具有安全性、功能性, 而且要求具有足够的耐久性到本世纪末, 我国现有房屋将有50%进入老化 2阶段, 也就是说将有23.4亿m的建筑面临耐久性问题。如何对这些建筑进行科学的耐久性、经济性评定以及剩余寿命的预测, 是当今土木工程领域的研究热点。 如何找到一种简便易行的混凝土结构剩余寿命的预测方法, 该方法综合地考虑了结构的耐久性、安全性和经济性, 并将其有机地结合起来, 从而为在役结构的维修决策和新建结构的寿命设计提供依据, 已成为当今混凝土研究的迫切任务。 3.1 混凝土耐久性研究的背景 所谓混凝土的耐久性, 是指在使用过程中,在内部的或外部的,人为的或自然的因素作用下, 混凝土保持自身工作能力的一种性能。或者说结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力。由于钢筋混凝土结构耐久性不足造成的后果是非常严重的。美国1975年由于腐蚀引起的损失达700亿美元, 1985年则达1680亿美元。目前, 整个混凝土工程的价值约为6万亿美元, 而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3000亿美元。美国1991年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达200亿英镑。而日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400 亿日元以上。日本引以为自豪的新干线使用不到10年, 就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。 我国现有建筑物的老化现象也是很严重的。据统计, 我国现有建筑面积50亿222m, 其中约23亿m需分期分批进行鉴定加固, 近10亿m急需维修加固才能使用。1989年, 建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查, 其结果表明, 建国初期的建筑均已达到必须大修的状态; 现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求, 一般使用25,30年就需大修加固。 混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们关注。美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性的重要性, 特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时, 对新建项目在钢筋防护方面每节省一美元, 就意味着, 发现钢筋锈蚀时采取措施多追加维修费5美元, 顺筋开裂时多追加维修费25美元, 严重破坏时则多追加维修费125美元。这一可怕的放大效应, 使得各国政府投入大量资金用于混凝土结构的耐久性问题的研究。 - 17 - 3.2 混凝土耐久性研究的意义 对在役混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测, 不仅可以揭示潜在危险, 及时做出维修或拆除决策, 避免重大事故的发生, 而且研究成果可直接用于结构设计。通过对结构的耐久性预评估, 修改设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 使所建结构具有足够的耐久性, 从而做到防患于未然。 对已有建筑进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测, 以选择对其正确的处理方法, 可以说是混凝土耐久性研究最主要的背景。世界发达国家在经过了大规模的新建之后, 重点已转向对旧建筑的维修改造上。英国1978年用于投资改造的费用为1965年的3.76倍。瑞典建筑业的首要任务是对已有建筑物进行更新改造。在我国, 国情决定了基建投资不能一味追求新建项目, 应将眼光转向危旧房屋的扩建、改建上。我国现有房屋20%,30%具有改造条件, 改建比新建可以较快地 收回投资。 除了对已有建筑进行耐久性评定之外,对新建项目进行耐久性预评估和寿命设计,可以揭示影响结构寿命的内部和外部因素,对于提高工程的设计水平和施工质量也有一定的意义。 3.3 混凝土耐久性的研究动态 对混凝土结构耐久性问题的研究可追溯到三四十年代, 但最近十几年才受到广泛重视。美国ACI437委员会于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告, 提出了检测试验的详细方法和步骤。美国联邦公路管理局制定计划, 研究了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究, 并于1985年提交了研究成果概要报告, 1986年开始陆续出版发行了《建筑物耐久性系列规程》。日本建筑学会(AIJ) 1988 年推出了《建筑物使用指南》,1992年又推出了《建筑物现状调查、诊断、维修指南》; 同年, 欧洲混凝土委员会颁布的《耐久性混凝土结构设计指南》反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。 有关混凝土耐久性国际会议已召开多次, 反映了各国研究的最新成果。1987 年, 国际桥梁与结构学会( IABSE) 在巴黎召开“混凝土的未来”国际会议; 1988 年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议; 1989年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议; 1991年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议;1993年IABSE 在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议; 由欧洲RLEM 等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议 , 自1976年以来, 每三年举行一次。 混凝土结构的耐久性问题在我国也日益受到重视。1990年4月, 建设部组织成立全国建筑物鉴定与加固委员会, 至今已召开三届学术交流会。全国混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学组于1991年成立,中国土木工程学会混凝土与 - 18 - 预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会也于1992年11月在济南成立。我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段。 建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。“七五”攻关课题为“大气条件下混凝土结构耐久性及其使用年限”, 包括结构的耐久性调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响等;“八五”攻关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”, 包括拟建混凝土结构耐久性设计方法, 在用混凝土结构的耐久性检测和评估方法, 在一定条件下诸因素对混凝土结构耐久性的综合影响以及建立混凝土结构耐久性数据库等, 目前已取得一些成果。 3.4 混凝土耐久性研究的现状和评述 混凝土结构的耐久性研究, 分为材料的耐久性研究、构件的耐久性研究和结构耐久性研究三个层次, 其中前两个层次已经研究得较为深入。 3.4.1 材料耐久性研究 材料耐久性的研究已经比较深入, 成果主要集中在混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环等方面, 并考虑了大气、海洋、化学侵蚀等不同的工作环境对材料耐久性的影响。 3.4.1.1 混凝土碳化研究 一般认为, 混凝土碳化是由于大气中的CO与混凝土中的碱性物质发生反应, 2 使混凝土表面碱性降低。在建立理论模型时,国内、国外大都假设: (1)CO在混凝土中的扩散遵循Fick第一定律; 2 (2)CO的浓度呈线性分布, 锋面处浓度为0。 2 Mwyer、Nishi、阿列克谢耶夫等都得到了混凝土碳化的理论公式, 但其中的一些参数一般很难测定, 工程上一般采用下述碳化模式: X,Kt 这一公式已为1990 CEB - FIP模式规范所采用, 式中碳化系数K 体现了混凝土的抗碳化能力, 与水灰比、水泥品种和用量、环境因素、养护方法等有关, 对于其取值,Kishitani、山东建研所、上海建材学院、中国建研院结构所、清华大学、西安建筑科技大学等都各自提出了经验计算公式。 3.4. 1. 2 钢筋锈蚀研究 混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程。国外这方面研究得比较早, 且许多成果已被国内所引用。国内主要是在国外成果的基础上, 进行修正和补充研究。因此, 国内的成果基本反映了当今世界的研究现状。文献基于O在混凝土中的扩2散服从Fick第一定律的假设, 利用Farady定律建立了大气环境中钢筋锈蚀模型, 但公式需测定电量,工程应用比较困难。中国建研院考虑水泥品种、混凝土养护条件、环境作用等多种因素建立了钢筋锈蚀的一般规律。 - 19 - 西安建筑科技大学牛荻涛等人根据工程调查结果, 给出了一般室内环境钢筋锈蚀开始时间的确定方法; 利用腐蚀电化学原理建立了一般室内环境中钢筋锈蚀量的预测模型。 关于混凝土和锈蚀后钢筋经时变化的力学性能, 国内外已有较多的研究。 文献在总结分析国内外混凝土长期曝露试验和经年建筑物实测结果基础上, 模拟给出了一般大气环境下和海洋环境下混凝土强度经时变化模型。 冶金工业部建筑研究总院通过对试验数据的模拟, 考虑坑蚀提出了钢筋锈蚀后伸长率、屈服强度和抗拉强度的变化规律。试验证明, 锈蚀后钢筋的伸长率与局部剩余面积比成指数关系, 而屈服强度和抗拉强度则与局部重量(或断处面积) 之比成线性关系,但仅适于截面锈蚀率小于5%的情形。 ,中国建研院结构所利用快速试验方法研究了,12和钢筋的力学性能, 并分别给出了大气条件下极限延伸率和极限抗拉强度与截面损失率的线性关系式, 适于截面锈蚀率小于10%的情形。 文献根据钢筋混凝土构件内锈蚀钢筋的试验结果, 给出了钢筋锈蚀后力学性能的变化规律, 截面锈蚀率达60%仍可适用。文献推荐了考虑应力集中影响对结构进行鉴定时的公式。 3.4. 1. 3 冻融破坏研究 对于混凝土冻融破坏的研究, 现已形成较为完整的基础理论。Powers等人从混凝土的亚微观入手, 分析孔隙水对孔壁的作用, 提出了静水压假说和渗透压假说 , 前苏联学者从力学概念出发, 提出了现象学观点。清华大学土木系基于静水压假说, 利用损伤力学的方法, 给出了预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。这一模型考虑了亚微观层次上冻融的破坏机理, 并将这种破坏作用反映在混凝土的宏观力学行为上, 较好地联系了亚微观和宏观两个层次, 并得到了满意的计算结果。 3.4.2 结构耐久性研究 对于混凝土结构的耐久性, 国外研究得较少, 国内也刚刚开始。研究结构耐久性的目的主要在于解决新建结构的耐久性设计和已建结构的耐久性评估问题; 同时, 对于不同耐久性等级的混凝土结构, 给出不同的构造措施, 在保证结构可靠、耐久的前提下, 使工程造价最低。混凝土结构耐久性的研究包括对结构的耐久性评定和寿命预测两个层次。 3.4. 2. 1 结构的耐久性评定 有关结构的耐久性评定, 从已取得的成果来看, 主要包括基于构件耐久性损伤加权的耐久性评定、基于模糊综合评判的耐久性评定和基于可靠度的耐久性评定三类。 文献中推荐了一种结构耐久性综合评估的方法, 该方法全面考虑了影响耐 - 20 - 久性的各种因素, 通过对构件的耐久性检测, 确定其耐久性损伤指标, 从而对整个结构进行耐久性评估。清华大学王晓刚、王娴明提出用于混凝土耐久性评判的模糊综合评判法。这种方法充分反映了各因素关联性、随机性强的特点, 结果较为可信。日本清水株氏会社研究所给出了一种对建筑物综合评价的方法, 这种方法通过三次调查进行综合评价, 避免了人为因素的影响。这种方法结构严密, 条理清楚, 调查评价方法系统、可行, 在日本已被广泛采用。 3.4. 2. 2 结构构件寿命预测 目前对结构构件的寿命预测研究较多,常见的理论有碳化寿命理论、开裂寿命理论、承载力寿命理论和经济寿命理论。《钢铁工业建筑物可靠性鉴定规程》 (YB219- 89) 采用承载力寿命理论, 以一半主筋破坏为丧失承载力标志, 给出了构件剩余寿命的计算公式。 文献中对于大气中的CO导致混凝土碳化并引起钢筋锈蚀的情形, 假设碳化2 深度和钢筋保护层的波动规律均服从正态分布, 室外钢筋在碳化范围扩展到自身表面, 室内钢筋在碳化范围深达20mm厚的保护层时, 开始发生腐蚀, 建立了 ,钢筋腐蚀率与龄期t的关系, 得到构件剩余寿命的预测模型。日本工学博士林永繁研究了由氯离子引起的钢筋锈蚀, 并以钢筋表面混凝土出现裂缝作为失效准则。通过试验, 得到混凝土纵向开裂的钢筋锈蚀量为Q和钢筋锈蚀速度q, 并以cr 二者的比值作为构件的寿命。 清华大学赵宏延、王娴明采用抗力下降达到承载力极限和钢筋锈蚀混凝土胀裂两个准则预测混凝土结构构件的寿命, 并以二者的较小值作为构件的寿命。清华大学肖从真、刘西拉以混凝土构件纵向开裂(截面损失率达5%)作为寿命的终点, 引入数论模拟方法, 结合方差缩减技术对构件进行寿命预测。 R. N. Sw amy, H. Hamada 和J. C. L aiw基于氯离子在混凝土中的扩散服从Fick第二定律的假设, 建立了预测含氯条件下混凝土构件寿命的数学模型。上海建材学院许丽萍、吴学礼等人给出了上述模型中参数的确定方法。 3.4. 2. 3 结构寿命预测 近些年来, 人们采用模糊法、概率法、网络法、动态分析法、生存分析理论等来预测结构构件的寿命, 并取得了一些成果, 但对结构寿命的预测才刚刚起步。国外在这方面的研究集中于考虑抗力衰减的结构可靠度分析上。这种方法将抗力作为时变随机变量, 将荷载视为随机变量或随机过程, 比较准确地反映了结构的实际情况。如果再引入结构的经济因素, 从经济角度来进行结构寿命预测, 将是较为理想的研究方向。 H. Y. Chan and R. E. M elchers 考虑结构抗力衰减给出了承受一个或多个随机荷载过程的结构系统的可靠度经时变化关系。结构抗力被视为Gaussian随机变量, 而荷载被视为Gaussian随机过程。通过平均超越率积分计算结构的失效概率。 - 21 - 但此方法要求所建立的抗力衰减模型(文中采用指数模型与二次模型) 是时间的连续函数, 没有反映结构抗力由于维修或灾害引起的突变; 而且要求系统在衰减过程中必须是高度可靠的。 文献中建立了描述大地震发生时间记忆的半Markov过程模型, 并结合钢筋锈蚀模型, 提出了结构在服役期间的区间可靠度的计算方法;利用结构系统可靠度的分枝限界法以及安全性等级划分方法, 建立了服役结构抗震维修决策的动态规划模型。文中采用钢筋锈蚀模型计算结构抗力衰减具有局限性;采用没有考虑以前地震对结构的累积损伤;没有给出结构全生命周期内的最优决策;动态规划模型只以技术经济效益最好为判则, 没有考虑结构的使用功能转化的经济效益。 ZongweiTao, RossB. Corot is和J.HughEllis应用Markov决策过程和结构概率理论, 建立了结构使用过程的概率基础模型。该模型的优点在于比较系统地反映了结构使用的全过程, 包括决策、成本和结构性能。文中没有给出结构抗力的衰减模型, 对混凝土的耐久性问题也没有很好的反映。 3.5 今后混凝土耐久性研究的方向 最优结构设计应为结构初始设计与全生命周期内经营维修决策的结合。设计者的任务在于如何平衡结构的费用、安全度与服务质量三者之间的关系。因而有必要建立全生命周期内的结构性能和维修决策模型。设计者必须面对两个挑战: 如何建立结构未来的荷载、腐蚀和安全模型及如何刻划包括人为因素在内的动态过程;如何建立混凝土结构的全生命周期内的优化决策模型(如Markov决策模型等) , 从而为设计人员进行全寿命周期的优化设计提供依据, 并根据决策过程得到结构的寿命, 是今后耐久性研究的方向之一。 近几年来, 关于混凝土在单因素作用下的强度衰减, 人们已经做了较多的研究,但至今还没有提出在多因素综合作用下钢筋混凝土的强度衰减模型。如何在单因素作用下钢筋混凝土强度衰减模型的基础上, 建立多因素作用混凝土的强度衰减模型,进而建立构件抗力衰减模型, 是今后混凝土耐久性研究的第二个方向。 对同类结构的寿命进行调查研究和统计分析, 得出此类结构寿命的概率统计模型, 是今后混凝土耐久性研究的第三个方向。 由构件抗力衰减模型推演得出构件的承载力衰减模型, 进而得到结构的承载力衰减模型, 是今后混凝土耐久性研究的第四个方向。 - 22 - 第四章 提高混凝土耐久性若干措施 4.1 科学严谨地进行原材料的质量检验 现在各系统的相关试验室对粗骨料的检验普遍存在一个问题,即如果没有具体的要求,都不进行坚固性试验和吸水率试验。当然,坚固性试验过程繁琐、耗时 较长,确实没必要作为必检项目,但吸水率试验应列为必检项目。一般来说,吸水率越大,坚固性越差。吸水率指标具有对坚固性进行预判断的功能,是否进行坚固性试验可根据吸水率指标再行决定。我们于2002年进行的宜万线2个石场的机制砂混凝土配合比(可行性研究) 数据实例足以证明粗骨料吸水率检验的必要性(见表8)。 表8 两石场机制砂配合比数据对比 3试验水泥水灰材料用量/(kg/m) 稠度 抗压强度/MPa /mm 3d 28d 编号等级 比 水 水泥 砂 石 泵送剂 S1 32.5 0.55 216 393 573 1218 / 80 19.9 34.7 T1 32.5 0.55 180 327 761 1242 / 60 19.5 27.2 S2 32.5 0.45 195 433 538 1254 / 5 29.2 48.2 T2 32.5 0.45 195 433 693 1179 / 63 27.3 35.0 S3 42.5 0.34 180 529 513 1198 6.348 30 54.7 68.4 T3 42.5 0.34 167 491 685 1167 3.929 110 42.4 54.2 S4 52.5 0.34 162 474 570 1213 5.700 0 69.7 80.4 T4 52.5 0.34 162 474 698 1185 5.753 70 46.8 66.7 由表8看出,在相同水灰比的情况下,S碎石配制的混凝土强度指标远好于T碎石。但S碎石配制的混凝土拌合物的需水量大,在相同的用水量时,工作性远差于T碎石配制的混凝土拌合物。为确定原因,我们对S碎石做了一组吸水率试验,结果如表9所示。 表9 S碎石吸水率 5min 10min 48h 时间 1.34 1.50 1.71 吸水率/% 由表9看出,S碎石吸水率大且快,由此可预见其坚固性存在问题,于是又对其进行了坚固性检验,结果如表10所示。试验中,3次循环后S碎石大面积开裂,5次循环后大部分试样完全或部分崩解。 表10 S碎石硫酸钠饱和溶液浸泡损失试验 粒径/mm 试验前总质量/g 试验后总质量/g 循环次数 损失率/% 20~40 943.85 400.15 5 57.6 由表10可以断定,S碎石如用于宜万线桥梁、隧道等工程的施工,必将引发严重的耐久性问题。而S碎石坚固性差之所以被发现,带有很大的偶然因素:该配合比是机制砂配合比,机制砂和碎石由同一母岩破碎而成,具有相同的吸水性,且有试验作对比,因此吸水性对拌合物工作性的影响非常显著,易被发现。而实际上国绝大 - 23 - 多数混凝土都是采用河砂,如果碎石吸水率不是特别大且特别快,对混凝土拌合物工作性的影响就不会非常显著,于是不易被发现。由此可见,把粗骨料吸水率试验列为必检项目是非常必要的。 4.2 降低混凝土的渗透性 混凝土的渗透性是指气体、液体或离子通过混凝土的难易程度。气体、液体或离子在混凝土中以各种不同形式的存在和迁移,是其出现耐久性问题的症结所 在。制备低渗透性混凝土应考虑多种因素,其中主要因素有以下几点: (1) 水灰比的选用 清华大学用氯离子快速扩散法在电压为2,5V下测定不同水灰比混凝土的电导率,计算氯离子扩散系数,得出结论:混凝土的渗透系数随水灰比的增大而呈非线性的增大。水灰比低于0.4时,渗透系数很小;水比大于0.5时,渗透系数随水灰比的增大而快速增大;0.6以上则更快。因此,合理的选用水灰比对混凝土的渗透性有重要影响。合理选用水灰比就必须合理的选用水泥。以C20为例,众所周知应使用3215级的水泥。但不同厂家品牌的3215级水泥实际强度相差很大,通常从33MPa到39MPa不等,有些名牌水泥甚至高达44MPa左右。以33MPa和39MPa来计算,水灰比分别为0.52和0.61,从渗透性考虑,应选用0.52的水灰比,具体到水泥上就应选用实际强度为33MPa的32.5级水泥,而并非富余系数越大的水泥越好。 (2) 矿物细掺料的掺用 矿物细掺料种类、掺量、品质、活性、细度等不同,对混凝土性能的影响也大不相同。有文献资料显示,0.45水灰比的C40混凝土在粉煤灰掺量为36 %时,氯离子扩散系数比在空白混凝土中下降一半以上;在同强度、同掺量下,分别用?级和?级粉煤灰的混凝土中,氯离子扩散速率相差约15 % ,相当于使用寿命相差30年;混凝土中的碱集料反应可以因掺入足够量的含有活性SiO的矿物细掺料(如矿2 渣、粉煤灰) 而完全得到抑制等。 不过,矿物细掺料在提高混凝土性能的同时,也会带来某些负作用,如降低早期强度、需水量增大、收缩增大等。因此,不能盲目掺用矿物细掺料,而应根据具体的工程实际,科学地掺用。 (3) 外加剂的掺用 外加剂主要通过两方面提高混凝土的抗渗性,即提高混凝土密实度和改善孔结构。 减水剂、高效减水剂、缓凝剂可以有效地改善混凝土的工作性,从而有利于混凝土的均匀性和密实性,减少质量缺陷,提高混凝土抗渗性。 混凝土是一种多孔性材料,其渗透性和空隙率有一定的关系,但最重要的是孔的结构。连通性孔孔隙 率低而渗透性高,封闭孔孔隙率高而渗透性低。掺用引气剂可在混凝土中引入适 - 24 - 量的直径大于毛细孔直径细微封闭球形孔,这些封闭球形孔可切断毛细孔渗水的通路,从而达到提高抗渗性的效果。另外,这些球形孔可以成为冰、水迁移的“蓄水池”,缓冲结冰引起的静水压和渗透压,所以引气混凝土的抗冻融循环能力大大提高,可很容易提高到200,300次以上。 外加剂的掺用应注意不同外加剂之间的匹配、外加剂与水泥的相容性及外加剂的成分、掺量等。如在钢筋混凝土中掺用外加剂应严格控制氯离子的引入,以免对钢筋防锈蚀不利。 4.3 改善混凝土的体积稳定性 保持混凝土的体积稳定性主要就是控制混凝土的收缩,混凝土收缩主要有化学减缩、塑性收缩、温度收缩、干燥收缩、自收缩和碳化收缩等几种。对于普通混凝土,干燥收缩是最重要的;对于低水胶比的高强混凝土和高性能混凝土,自收缩也不容忽视,甚至和干缩同等重要。掌握不同收缩的产生机理及影响因素,采取相应措施,如加强养护、尽量避免使用高细度的水泥和矿渣、控制硅灰和矿渣的掺量、掺加适量的粉煤灰、考虑掺用收缩抑制剂和膨胀剂等,才能有效地防止和减少混凝土的开裂。 在这里值得重点提出的是粗骨料对混凝土收缩的影响。混凝土可看作是由水泥浆体(胶体) 和集料组成的。增加混凝土中集料的含量,则必然降低水泥浆体(胶体) 的含量,水泥浆体(胶体) 的减少必然导致收缩的减少。要想增加集料的含量就得使用具有良好粒形、级配和低空隙率的优质粗骨料。我国绝大部分采石场个体户经营,使用的设备是落后的碎石机,这种机械价格低,产量高,生产出的粗骨料粒形差、级配不佳、空隙率高。此外, 在《建筑用卵石、碎石》GBPT14685-2001 中,空隙率标准放宽为47 %也不利于国内石子生产水平的进步。因为只要能够满足规范的要求,生产厂家就不会购买先进的锥式破碎机、反击式破碎机生产成本高、产量低、竞争力弱的优质石子。虽然新国标中加了重要工程或重要部位要选用保证混凝土强度和耐久性的卵石和碎石的条款,但这对碎石生成厂家没有约束力,只能增加使用者的无奈。国内石子水平现状造成国内混凝土用水量比先进国家高许多。中国土木工程学会混凝土耐久性委员会副主任委员覃维祖说过:国内 3混凝土用水量比先进国家高30kg/m以上,其主要原因就是粗骨料的粒形、级配、 3空隙率等参数上的差距。以30kg/m用水量为例,对于水灰比为0.4的混凝土,就要增加水泥用量75kg ;对于水灰比为0.3的混凝土,就要增加水泥用量100kg。这显然要增加混凝土的收缩,使体积稳定性下降。 4.4 混凝土养护的重要性 混凝土的养护是影响混凝土强度的一个重要因素。混凝土在硬化过程中,需要定量的化学结合水、物理-化学结合水以及物理结合水,这3种水的总量即为混凝土的用水量,配合比设计中用水量已基本保证。混凝土是一种疏松多孔的混合物,新拌 - 25 - 混凝土中存在着大量均匀分布的毛细孔,其中充满水,使水泥进一步进行水化作用。因毛细孔是相通的,如外界环境湿度低,毛细孔水会向外界蒸发,减少了水化反应的用水量,使水泥水化作用不能充分进行,降低了混凝土强度。如果外界环境湿度大或继续放在水中,则减少了用水量的损失,甚至可以补给水化作用水,混凝土强度就能不断提高。 - 26 - 结语 随着高等级路面的发展，水泥混凝土路面日益增多，它是一种承受频繁交通瞬时动荷载的反复作用的结构物，同时又是一种无遮盖而裸露于自然界的结构物，它不仅受到交通车辆施加的极其复杂的力系的作用，同时叉受到各种复杂的自然因素的恶劣影响，这就要求混凝土要有一定的综合力学强度和稳定性。 在混凝土施工过程中,应充分认识水的作用,控制好混凝土生产过程中用水的每一个环节,这样才能保证建设工程质量,完成建设任务。主要做好以下工作: (1) 按照工程设计混凝土的强度,在保证施工所需流动性的条件下,综合考虑水泥、砂石的性能,确定水灰比,科学设计混凝土配合比。 (2) 在混凝土计量过程中,应将水计量作为一项重要的工作来抓,准确测定砂石含水率,并依据含水率对混凝土施工配合比做出相应调整。坚决制止在混凝土施工过程中,为施工方便擅自调整用水量的错误做法。 (3) 混凝土施工过程中,应按规定准确测定混凝土坍落度,及时发现混凝土搅拌过程中存在的质量问题,采取相应措施。 (4) 重视混凝土的养护工作。普通混凝土一般在浇筑后12h内开始养护,养护方法应按照混凝土构件的形状和位置以及外部环境科学确定。采用浇水养护的混凝土,浇水次数应能保证混凝土处于湿润状态;采用塑料布覆盖养护的混凝土,其敞露的全部表面,应覆盖严密,并应保持塑料布内有凝结水。养护时间不应少于7d。对有防水及高耐久性要求的混凝土要延长养护时间,不能少于14d。 - 27 - 参考文献 [1 ]何世钦. 氯离子环境下钢筋混凝土构件耐久性能试验研究[D] . 大连理工大 学,2004.[2] PC.Aitcin.Cements of yesterday and today,concrete of tomorrow.Cement and Concrete Research,2000,30:349,1359 [2 ] 宋玉普,宋立元,赵 敏. 混凝土海洋抗氯离子侵蚀耐久寿命测试试验研究[J ] . 大连理工大学学报,2005 (9) :707-711. 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