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高强与高性能混凝土06收缩综述.doc

高强与高性能混凝土06收缩综述

Ernest铭
2017-09-30 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高强与高性能混凝土06收缩综述doc》,可适用于工程科技领域

高强与高性能混凝土收缩综述PCAïtcin,AMNeville,andPAcker“收缩”看起来似乎就是混凝土失水造成体积缩小的简单现象。严格地说它是三维变形但通常以线性变形表示因为大多数情况下混凝土构件一个或两个方向的尺寸往往要比第三个方向小很多尺寸最大的方向上收缩也最大。通常所谓收缩是混凝土暴露在相对湿度小于的空气中产生“干燥收缩”的简称。然而由于环境的作用混凝土还会产生许多其它种类的收缩变形它们彼此独立地发生或者同时出现。文章提出了一些建议以便尽量减小混凝土尤其是高性能混凝土由于收缩带来非常有害的结果。硬化混凝土发生的干燥收缩是大家所最熟悉的。按照时间顺序来划分干燥收缩发生之前即混凝土尚处于塑性状态时产生的收缩是塑性收缩。通常水分是往大气蒸发的但也有可能被结构物下面干燥的混凝土或土壤所汲取。其次硬化混凝土的收缩变形还由于水泥水化的进行所导致。因为这种收缩发生在混凝土体内与周围介质不相干常称之为“自干燥收缩”(selfdesiccationshrinkage)。表示该收缩现象的另一个术语是“自身收缩”(autogenousshrinkage)在这里用该术语是为了与所有有关收缩的称呼相对应偶尔也称其为“化学收缩”。收缩变形还会自混凝土凝固即构件体积与重量不再变化时因温度下降而产生这里称其为热收缩。此外水化水泥浆在有水分存在时与大气里的二氧化碳反应要产生碳化收缩。上述各种收缩或某几种收缩同时产生时它们的和称为总收缩。为了充分地认识各种收缩的机理首先要了解水泥的水化及其物理、力学与热力学作用在此基础上才可能采取适当的方法以减小各种收缩或者减轻它们造成的后果。所谓水泥的水化是硅酸盐水泥与水发生化学反应时出现几种现象的总称。该反应生成有粘结力与粘附性的固相水化水泥浆混凝土产生强度的基图水化“永恒的三角”:强度、热和水化本成分。水化反应放热并使水泥浆体系的体积减小。因此强度的发展是与水泥浆体系放水泥浆体系体积减小热和体积减小两者相伴随产生的。图所示为这种无休止的三角形以强调这三种相互伴随现象的本质。其中两者放热与水泥浆体系体积的减小可能会有害然而工程师们已经懂得在混凝土结构中如何去处理。如果一种混凝土材料水化时要膨胀同时温度降低工程师的任务无疑要困难得多。虽然“水泥的水化”和水泥的“水化热”这些术语已经通用但如果不了解硅酸盐水泥是一种多相材料其组成可在很大的范围内变动也可能会产生误导。现在硅酸盐水泥常与其他胶凝材料一起使用情况就更加复杂化。加之所有这些化学反应都是放热的一致结果是混凝土温度上升除非外部能够吸热形成恒温甚至降温。硅酸盐水泥的组成主要是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硫酸钙也必须加到水泥熟料里以避免铝酸三钙水化过快。硅酸盐水泥还含有一些微量矿物与不纯物例如硫酸钾、游离石灰、未反应的二氧化硅和氧化镁它们的影响不是总可以忽略的。谈到水化两种硅酸钙很可能生成同样产物:硅酸钙水化物(根据化学计算方法不定或可变的比例缩写为CSH)与氢氧化钙通常称为氢氧钙石。铝酸三钙在有硫酸钙和水存在时反应生成钙矾石当硫酸盐消耗完后生成亚稳的单硫型硫铝酸盐最后生成稳定的铝酸盐水化物CAH。至于铁铝酸盐它也与硫酸钙反应但比铝酸盐缓慢生成硫铝酸钙与硫铁酸钙最后产物是CAH和CFH。混凝土产生的热量和强度发展受几个因素影响主要是硅酸盐水泥四种主要矿物的比例、水泥比表面积、混凝土初始温度、水化过程中的环境温度和混凝土构件的大小与形状(控制热量向外流动的性质)。由于强度增长与温度上升是受同一参数影响的因此强度发展可以通过温度的变化来评价这就是成熟度仪的原理。从图的循环三角形向反方向即温度的发展可依据强度来估计但这没有什么实用价值。特别需要注意的是混凝土在凝结时的温度对其强度的影响因为在这时候混凝土体的尺寸大小固定了。由于硅酸钙占硅酸盐水泥的绝大部分在它们水化时体积的变化显得非常重要。然而伴随的是整个水化水泥浆体系体积的减小。若体积为C的干水泥粉与体积为W的水反应水是非蒸发水(即或多或少化学结合了)水化产物体积为P则P<CW。水化水泥浆体系体积大小减小多少也就是说:固相水化产物与充满水的凝胶空间之和(但排除毛细孔的体积)存在着不确定性。多年前LeChatelier估计:体积的减小为未水化水泥和水(预计要成为水化水泥浆体系的一部分)占据空间的~。近年前Powers发现:体积减小为非蒸发水体积的。他还发现:非蒸发水大约占无水水泥重量的(水泥密度以计)而水化水泥浆的孔隙率为。因此体积的减小(考虑克干水泥粉完全水化)可以计算如下:干水泥重=g干水泥的绝对体积==ml非蒸发水重=g固相水化产物的体积=×()=ml凝胶水体积W是从W(W)=其中W=ml因此水化水泥浆体系的总体积为:=ml将该值与未水化水泥浆(ml)、非蒸发水(ml)及凝胶水(ml)的体积总计为ml相比较得知水化水泥浆体积的减小为:–=所得到的自身收缩与LeChatelier估计体积减小的下限相同。该体积减小体现为水化水泥浆中到处分布的空毛细孔。值得注意的是:由于水化产物只能在充满水的空间生成毛细孔体系中只有部分水可用于水化。为了水化进行必须有充足的水分存在部分提供化学反应部分填充凝胶孔。因此如果水灰比(WC)为(如上例所示)或更大水泥就能充分水化如果WC较小水化过程将没有足够水分让毛细孔的固相表面饱和当毛细孔蒸发压降到饱和压力的以下时水化将会中止这就是自干燥作用但它只有在混凝土与外界水分来源隔绝时才会发生。当混凝土构件密封良好时可以看作与外界隔绝事实上大体积混凝土的内芯就属于这种情况。在这样的条件下就会发生LeChatelier或Powers所说的已水化水泥浆体系体积减小。另一方面如果水分可以从外面进入正在水化的水泥浆里水化就会继续进行直到没有足够空间容纳水化产物为止(请记住:P>C)这种情况发生在WC小于约的时候。存在残余的未水化水泥并没有什么不好实际上它是很好的只是昂贵一些的“骨料”。因此当混凝土始终保持湿养护毛细孔总是充满水水化就会不间断地进行从图可以得知:强度在增长热量在产生而水化水泥浆体系的体积在减小。现在来看一下水泥水化时伴随发生的另外两个作用:一个是力学作用即强度的发展另一个是从热力学的观点出发产生了热量就与热收缩相关。虽然混凝土强度随时间图绝热条件下水泥浆体的抗压强度、温度和体积增长是众所周知的然而增长的随时间的变化基本原因并没有弄得很清楚。尽管用扫描电子显微镜可以观察到混凝土硬化时的相变但产生强度的主要产物即CSH早就知道是成层状的至今对两种密切相关的硅酸盐水化铝硅酸盐和水化镁硅酸盐仍然没有清楚的认识。而且对单个CSH结晶是怎样联系在一起并赋予水泥浆并最后赋予混凝土强度的原因也没有搞清楚。重要而且也可以阐述清楚的是只要在一段时间里产生了强度就伴随着热的产生、伴随着水化水泥浆体系体积减小。产生热并不一定意味着温度升高取决混凝土的热力学条件同样水化水泥浆体系体积的减小也并不一定导致整体体积收缩取决于养护条件。如果混凝土试件密封着并且在绝热条件下养护那么这段时间里强度变化(增长)、温度变化(上升)和水化水泥浆体系体积变化(减小)都在数量上遵循住着同一条曲线(如图所示)。水泥水化总伴随着热量产生导致混凝土温度上升。但温升大小取决一系列因素包括水泥用量、水泥品种、骨料的热性质、混凝土浇筑时的温度、环境温度、养护的热力学条件和混凝土构件的尺寸与图结构混凝土的温度变化形状。从热力学角度来看存在两种极端:恒温养护(即温度恒定)与绝热养护(不与外界发生热交换)实际混凝土是处于这两种极端条件之间的。通常在一段短时间里温升可以忽略随后温度上升或快或慢或急剧或和缓最后一段长时间里混凝土的温度逐渐降低直至与周围温度相等。温度变化如图所示它对于选择适当的养护方法抵消不同类型的收缩会很有用。为了清楚起见特定义混凝土的表观体积为其外表面下所包容的体积而不考虑它的内部结构或孔隙固相体积为固相占据的表观体积部分。在水化水泥浆里固相由未水化水泥和水化产物包括凝胶孔(充满水)所组成但不包括毛细孔在内(无论其充满水或空敞)在混凝土中固相还包括骨料(假设其孔隙率为)。当固体的重量不变时在水泥不断水化的条件下所占据的体积是可变的另一方面当混凝土受干燥作用时水化减缓失水导致表观体积因干缩而减小表观体积的变化还由于温度变化所引起:混凝土有一热膨胀系数水泥浆则要比它大得多。在初龄期混凝土中固相体积的减小可能会伴随表观体积增大这是图不同尺寸混凝土棱柱体暴露在相对湿度时的失水(以总拌合水的百分数表示)。当可渗透的混凝土浸没水中自身收缩伴随着水进入毛细孔产生的膨胀(与干缩相反)对-于混凝土它大约在×水泥浆还要大得多。产生自身收缩而伴随或没有伴随干缩的情况有重要的实际意义在本文下面将讨论到但只要混凝土受到干燥即使在很早期也要产生干缩。自身收缩可能同时伴随有干缩也可能没有注意它所包含的各种现象很重要。干缩是由于水从已水化水泥浆的毛细孔向外蒸发所造成毛细孔的一端暴露在空气里空气的湿度小于毛细孔内的湿度毛细孔里的水称作自由水。孔径越小的毛细孔维持自由水的力越大因此失水率趋于减小如图所示。从图可以看出:失水率以混凝土表观体积的百分数表示当混凝土构件的表面积与体积之比越小它也就越小。影响失水率大小的其它因素包括混凝土孔隙率、水化水泥浆的毛细孔特性如孔径大小、形状及其连续性如上所述周围空气的相对湿度也是一个因素。实际上引人关注的并不是干缩本身而是由于它会引起开裂。水化了的水泥浆只有当毛细孔张力导致的拉应力超过混凝土的局部抗拉强度裂缝才会产生。自身收缩也可能以类似方式造成开裂。但是这两种情况是有差别的:自身收缩在混凝土体内各向同性地发展因为水泥颗粒在空间是均匀地分布的而干缩只发生在表面且只有当混凝土暴露在非饱和空气里才会产生。它可能产生于某一表面也可能是混凝土构件的各个表面。混凝土接近表面的拉应力由内部的压力所平衡拉应力由于混凝土外部出现开裂或由于徐变而消除。还要简单地提到碳化收缩它在混凝土暴露于相对湿度~时只发生于很浅的表面层。在干湿循环交替的情况下碳化收缩和干缩都可能发生并且导致开裂产生微裂纹。本文所讨论的各种收缩现象在水化水泥浆里都会发生。但在混凝土中因为有骨料存在而且它占据大部分体积又不存在干缩、自身收缩或塑性收缩而且能阻挡水化水泥浆导致的收缩。只是骨料也产生热收缩虽然其热胀系数小于水化水泥浆的。骨料对于水化水泥浆收缩的约束很重要:水泥浆由于收缩过大而无法用于结构。换句话说即使水泥不要钱而骨料很贵仍然要用现在的配合比来配制混凝土。还要加上一句话:粗骨料和水化水泥浆的界面存在某种变形的不相容因此粘接时会出现微裂缝。虽然拌和良好的混凝土中骨料颗粒分布是均匀的但在成型完并经抹压的表面层砂浆里不存在粗骨料颗粒因此靠近表面层水化水泥浆的干缩所受约束要小于混凝土体内深层部位所以与锯开的表面相比实际表面产生的干缩会较大裂缝也较多。和普通混凝土相比HPC的水泥用量高骨料的最大粒径小因此湿养护特别有必要下面将要讨论这个问题。下面来看混凝土中所发生的各种收缩把总收缩定义为干缩、自身收缩、热收缩之和包括由于收缩引起的各种裂缝。这些类型收缩是叠加的它们之间还可能存在交互作用。塑性收缩从定义上看它发生在混凝土凝结之前。它的大小与混凝土表面失水多少有关而失水多少又受温度、湿度和风速影响。然而不是从失水速率本身预测塑性收缩的大小因为它还取决新拌混凝土的刚度。主要是当单位面积上的失水超过泌水带到表面的水量就会发生塑性收缩开裂。对于HPC来说这尤其是个问题因为它泌水很少后面主要谈及这类混凝土。采用适当的方法可以避免塑性收缩裂缝在适当时间重新抹压混凝土表面可以使这种裂缝闭合否则以后由于干燥产生的干缩会使这些裂缝重新张开同时也增大了总收缩。采用湿养护可以延迟自身收缩和干缩的发展延长养护期有助于避免裂缝扩展。湿养护应在水化一开始就进行当使用早强水泥时这一点尤其重要。湿养护应延续足够长时间以推迟出现过度的自身收缩直到混凝土抗拉强度足以抵抗开裂。这里不存在矛盾因为强度的增长是与湿养护持续时间直接相关的。为了消除干缩没有必要提供水源让混凝土吸水只需要避免水从混凝土表面蒸发因此加盖一层不透水的薄膜就够了。当然这种增加费用的必要性也许能也许不能用防止裂缝出现的结果来得到证明。这最好用耐久性还可以用地面的美观程度来评定。值得注意的是:水养护还有冷却作用因此需要与温度时间曲线匹配。图所示为水养护的时间表。可以看出:为避免塑性收缩应该用养护膜喷雾与浸水也可以在温升期和降温初期需要水养护虽然喷雾与浸水也可以随后应覆盖不透水的薄膜。实际上保证上述措施有效实施是有困难的。因为养护向来没有好好地进行即使没有完全取消尽管规范通常都清楚地规定了养护的条款进行补救的办法就是在合同里写上关于养护的词条像规范一样规定清楚。当然费用要由业主出但是耐久性与外观改善的效果要远超出其代价养护的作用无论如何强调也不过分。问题有时出在是否湿养护确实有必要或者覆盖薄膜就足够了。简单地说:当WC约大于拌合物中的水足够供水化充分进行因此薄膜养护就够了。虽然水化水泥浆体系的体积要减小(如前所述)自身收缩不图对养护的需求图示会很大因为这时主要只有大毛细孔才会空敞。WC越大混凝土越能经受缺乏养护之不足但是当薄膜失效就会产生干缩。如果WC小于尽管采用薄膜养护自身收缩仍然存在而且当薄膜失效了干缩也开始产生。只有在WC大于时薄膜养护才能达到令人满意的效果。由于低WC的HPC日益广泛使用湿养护日益显得更加重要。为保证混凝土结构的耐久性不仅必须选择适当的组分及其配合比特别是低WC时还要适当地加强养护。HPC提供了上述要求的第一方面但是为了避免收缩带来的一系列问题这种混凝土特别需要养护原因如下:首先HPC泌水很少泌水率很小这会导致塑性收缩发展其次HPC水泥用量大因而水化热高形成很陡的温度梯度在降温阶段特别有害第三HPC水泥用量大、水化迅速水化水泥浆体系的体积减小显著。然而这种减小以及相关的自身收缩并不会引起内部开裂因为形成的毛细孔小蒸发分压会迅速降低。因为HPC的WC非常小用覆盖薄膜避免水分从表面蒸发散失的做法就不够了供水湿养护更加重要要求湿养护持续的时间取决具体的环境使用HPC施工的结构物实例显示出上述必要性。以××m的柱子为例示于图。考虑其个部位的收缩A为柱子的中心B在其侧面C为其顶面。A处不可能发生塑性收缩或干缩(只有在几十年后才会发展到柱芯)而另一方面这里的热收缩非常大因为温升最高温度梯度也最陡。热收缩大小可以很容易地根据混凝土的物理参数和模板的隔热特性计算出来。自身收缩不容易测算但根据给出的尺寸该柱子d龄期的典型值约为×-图大柱子图示随后的-年里还要增大×。然而由于迅速地水化伴随混凝土抗拉强度快速地增长开裂的危险性可以忽略。B处不存在塑性收缩但拆模后如果不养护干缩会发展。对于大口径的柱子来说-其大小约为×此外这里还要发生自身收缩与热收缩虽然热收缩比A处要小。温度梯度的大小取决模板的隔热性能:隔热越好梯度越小所以胶合板或隔热钢模板要比普通钢模板好。为了限制B处的自身收缩模板应该及早松动并开始养护如果湿养护延续天混凝土可达到其长期抗拉强度的。因此当湿养护停止后干缩就开始了但混凝土足以抵抗干缩的作用。如果不进行湿养护而且养护只限于不拆去模板虽然不会出现干缩但是自身收缩会持续地发展。在C处早期就会产生干缩与自身收缩。但在这个位置保证适当养护是容易的抹完面后就可立即喷养护剂或喷雾一旦混凝土开始凝固湿养护就应开始。最小断面至少为mm的梁属于这种情况所以温升会十分明显下面来看三个位置的收缩:A为梁的中心B在它的底面C在它的顶面。在A处情形与柱子的A处类似但热收缩要比大柱子小。B处可能处在临界状态因为除了该位置的收缩作用外梁受到荷载的弯拉作用也使该处产生拉应变加上该处的模板要保留较长时间(以避免由于自重而产生过大挠曲)所以自身收缩会很大湿养护要在侧模允许松动后立即开始。在C处情况与大柱子的C处近似采用适当方法养护可以避免开裂。这种梁的最小断面尺寸小于mmAB和C部位均与大梁相同。温度的影响一般可以忽略因此模板的品质不重要。但是在B处自身收缩可能非常有害所以要用与大梁相同的方法养护。最严重的问题是干缩因为小梁的表面体积比大蒸发就大并且继续时间就长。在混凝土表面覆盖不透水膜非常有用。板厚小于mm考虑的部位为:A是板的中心B在它的底面C在它的顶面。没有热的问题因为水化热稳定地消散开三处的温度差别不大。在C处塑性收缩可能非常严重干缩和自身收缩可能也挺大。但是适当的养护方法即类似于大柱子顶部采用的方法可以方便地采用。值得强调的是:适当养护薄板特别容易养护不够则非常有害。如果是薄板并且置于潮湿的土地上其下部在理想的养护条件下硬化并且不发生干缩。但是板的顶部产生干缩以及自身收缩顶部与底部的水平应变之差导致边角翘曲这可以通过加铺排水的垫层或放置不透水的薄膜以避免水被板下面的混凝土或土吸走。厚板即厚度超过mm的板板顶及底面会出现大的温度梯度底面产生的高温导致靠近底面混凝土的水化比上面的快结果板的下部强度要高些。混凝土的徐变系数因此而减小因此冷却期的热应力不能很好地释放可能会产生裂缝。为此应采用低热硅酸盐水泥与其他胶凝材料降低水化放热速率用冷水、冰或者预冷骨料冷却新拌混凝土特别有效热天在环境温度最低的时段浇筑混凝土也是有利的有时冷却垫层也有用。上述实例表明HPC收缩问题的本质还提出了适当的方法一般说来它也适用于普通混凝土的情况。希望通过对不同类型的收缩和不同环境下收缩发展的认识有利于采用适当方法尽量减小收缩的危害。过去通常用大WC的混凝土没有进行湿养护造成严重后果的只有在湿度与温度很不利的条件下才出现然而随着HPC的应用增加其自身收缩大因而控制总收缩已成为十分重要的问题。《IntegratedViewofShrinkageDeformation》译自ConcreteInternational,Sept,AdamNevillePierreClaudeAitcin:可以说高性能混凝土虽然常含有粉煤灰、磨细矿渣、硅粉和高效减水剂但它与过去使用的混凝土并没有本质差别。探讨了使用硅粉的代价。高性能混凝土胶凝材料用量较高水灰比较低最大骨料粒径较小也采用普通水泥但必须与高效减水剂相容性好讨论了引起不相容的原因。探讨了高性能混凝土的独特收缩特性与绝对需要湿养护的原因。述及高性能混凝土的一些应用并对高性能混凝土和普通混凝土的未来进行预测。在过去的几年中高性能混凝土及其缩写HPC一词变得非常时髦。但其准确的含义是什么呢?高性能混凝土是一种与‘混凝土’真正不同的材料吗?或者它只适合于特殊场合的混凝土?本文的目的就是在一广泛的范围里探讨高性能混凝土使之成为我们能正确、全面理解的材料。尽管许多混凝土和混凝土结构工程欢迎这种材料并对其应用较满意事实上在过去的半个世纪中并没有发生革命性变化。现在我们确实使用各种外加剂包括引气剂并且拓宽了混凝土拌和物所用胶凝材料的范围然而并没有发生像电讯甚至汽车那样的革命性变化。本文不打算进行历史回顾或评论只涉及高性能混凝土在混凝土领域出现以后即认识了解过去年左右混凝土领域出现的新概念并可以假定正是这些新概念促成了高性能混凝土的诞生。让我们从定义高性能混凝土开始。可以说‘高性能混凝土’一词是不恰当的因为听起来像为一种新产品作广告。然而从许多方面来说高性能混凝土与我们长期以来使用的混凝土并没有本质差别因为它不含任何新组份现场应用也不采用新工艺。实际上高性能混凝土是在过去年中逐步演变的主要是生产强度越来越高的混凝土:、、、PMa甚至更高的强度。如今在世界的一些地方MPa强度的混凝土可以日常进行生产。但是高性能混凝土与高强混凝土不同其重点从非常高的强度转向在特定环境条件下所需要的其它性能包括高弹性模量、低渗透性和抵抗某些种类劣化的性能。那么高性能混凝土与常规混凝土的差别是什么?我们已经说过两种混凝土的组份是一样的这不完全正确。首先高性能混凝土常常含有硅粉而普通混凝土往往没有。其次高性能混凝土虽不一定但通常都含有粉煤灰或磨细矿渣或同时含有这两种材料。骨料必须仔细选用最大粒径小于普通混凝土使用的骨料:对于高性能混凝土骨料最大粒径一般在~mm。这有两个原因其一:最大粒径较小则骨料水泥浆界面应力差也较小应力差可能会引起微裂缝其二:较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高因为岩石破碎时消除了控制强度的最大裂隙。材料组份的另一特点是:低水灰比和含有硅粉的混凝土拌和物必须使用高效减水剂,不仅要使用高效减水剂高效减水剂与所使用的水泥之间相容性还必须好。相容性问题将在本文后面讨论在此就波特兰水泥市场营销的关键问题进行评述。水泥生产商无疑具备丰富的关于水泥的知识但是他们中的一部分人对混凝土生产商和工程承包商的需要了解较少。他们认为波特兰水泥是一种优良的产品始终符合国家标准的要求用户不必深究水泥详细的物理化学性能。‘允许’的例外仅仅是ASTM水泥类型分类或欧洲标准强度划分以及其它较笼统的特性如高早强、低水化热或低碱。例如过去在英国水泥的价格是固定的水泥生产商非常不愿意用户从某个特定水泥厂选购产品。其营销态度为:我们所有的普通水泥都一样地好。甚至今天在许多国家日常水泥供应还不能保证持续来自同一个厂和同一种生产配料。唯一例外的是对于大型工程进行大规模供货才可能进行谈判。当然从商务角度这种态度是可以理解的。但是随着市场环境发生的变化态度也在转变。然而许多水泥生产商仍然对混凝土用户的特殊需求态度冷漠。必须承认:提及外加剂时已不再听到这样的回答:最好的外加剂是更多的水泥!无论如何许多水泥生产商的冷漠态度不会对生产高性能混凝土有所帮助。混凝土生产商从一处购买水泥从另一处购买高效减水剂两种材料的‘联姻’可能会非常不愉快。给出高性能混凝土的典型配合比概念也许非常有用。一般常采用型水泥(按ASTM分类)如需要高早期则可采用型水泥。前面已说到拌和物中含有其它胶凝材料。胶凝材料总量非常高:至kgm。如使用硅粉其掺量为胶凝材料总重的典型掺量为。高效减水剂的加入量为每立方混凝土~升。实际加入量决定于液体高效减水剂中活性固体含量与水泥的‘反应活性’该活性受CA含量与其多晶形式、硫酸碱含量以及其它因素控制。加入量应使每立方混凝土的加水量降低~升。水胶比通常在~但也曾采用过的低值。在实际应用中配合比是变化的取决于各种组份的性质和所要求的混凝土性能。过去使用的一些配比详见表拌和物各组份的性能讨论如下:表一些高性能混凝土的配合比原材料(kgm)配合比ABCDEFGHI波特兰水泥(CMS)硅粉粉煤灰磨细矿渣细骨料粗骨料*总水量水胶比坍落度mm各龄期圆柱体试件强度(Mpa)ddddddd配合比的来源:(A)美国(B)加拿大(C)加拿大(D)美国(E)加拿大(F)加拿大(G)摩洛哥(H)法国(I)加拿大。*高用水量属摩洛哥环境温度高的特殊情况。如前所述粗骨料最大粒径不应太大多采用碎石。骨料还必须具备一系列特性:强度高绝对洁净即没有粘土或粉尘粘附不含活性硅形状为各向尺寸均等即不是针片状。细骨料一般较粗细度模数为~O。需要记住:为使拌和物中细颗粒被良好地包裹水泥用量增加则细骨料应更粗。再来考虑拌和物中含有粉煤灰和矿渣的情况。首先这些材料一般比波特兰水泥价格低其次这些材料的水化或化学反应速率迟于波特兰水泥因此其水化放热更缓慢意味着混凝土非常早期的温升小。温峰稍微降低很重要因为对于高水泥用量的高性能混凝土在大断面中心的温升可达甚至更多。当然关键的不是温峰而是在一般温度环境中混凝土构件中心与表面之间的温度梯度。有学者认为:如果温度梯度不超过每米就不会在冷却时引起热裂缝。采用粉煤灰或矿渣的另一个原因与新拌混凝土的坍落度损失有关。因为这些材料在初始的几小时参与反应非常少不会导致坍落度损失相应需要使用高效减水剂的剂量降低。换句话说保证达到合适工作性所需要高效减水剂的剂量主要取决于波特兰水泥。另一方面与胶凝材料全部是波特兰水泥的拌合物相比含粉煤灰或矿渣较多时早期如~h的强度较低但可以通过降低水胶比的方法得到补偿。在决定使用这些材料之前结构设计者应建立起在各龄期所需强度的概念并应熟悉混凝土工艺。全面衡量是否使用高效减水剂非常重要因为它是拌和物中昂贵的组份但常常是必须采用的组分。硅粉同样非常贵在许多国家kg硅粉价格等于kg波特兰水泥因此来探讨是否需要用硅粉的问题。:没有硅粉的拌和物在d也能达到MPa的抗压决定是否使用硅粉受经验所导向强度尽管比较困难但需要获得更高强度时则拌和物中必须含有硅粉。如前所述最佳硅粉用量是水泥重量的。也就是说:如果我们是生产MPa而不是MPa混凝土则必须使用硅粉。因为硅粉的价格比水泥高倍在拌和物中掺加%硅粉会使胶凝材料的成本提高一倍因此混凝土的价格会有较大幅度上升。然而我们应该铭记使用硅粉的好处。它不仅是高火山灰活性的材料同时是非常微细的粉料其颗粒比水泥颗粒小倍。硅粉颗粒紧密地包裹骨料表面并填充在水泥颗粒之间因此大幅度改善填充效果。一般规律是这样的:如果硅粉太少如少于%则(填充)效果不是非常好如果硅粉太多如多于则水泥颗粒之间没有足够空间容纳所有硅粉一部分硅粉就浪费了浪费昂贵材料属不良工艺技术。由于硅粉的超细颗粒减小了骨科表面处孔隙的尺寸和体积界面区(也称作过渡区)的性能包括微裂缝和渗透性得到改善骨料与水泥浆体的粘结强度提高因此骨料能更好地参与应力传递。我们在谈论高性能混凝土的配合比时不能不考虑水灰比。实际上水灰比一词有双重含义。我们认识到水灰比是强度的控制因素已有年因为初始由水所占据空间的体积决定了硬化混凝土中固体材料的总体积。一般来说固相材料占据的体积越大抗压强度越高。高性能混凝土与普通混凝土一样d强度与水胶比关系密切d时矿渣已反应至相当程度粉煤灰反应的程度低一些。此外粉煤灰反应的程度受养护好坏影响敏感。但是在h或~d的情况如何呢?粉煤灰仍然占据其初始干粉形态时的体积矿渣也基本上占据其干粉形态的体积。因此与初龄期强度相关的比率就近似为水与水泥重量之比它要比用水量与胶凝材料总重量比(水胶比)大得多。这就是为什么在加水量一定的情况下含有粉煤灰和矿渣拌和物的早期强度较低。上述规律不仅适用于高性能混凝土也适用于所有混凝土。本文开始就说到:高性能混凝土不需要特殊水泥常用型波特兰水泥问题是水泥与高效减水剂必须相互适应即两种材料之间的相容性良好。这需要花一些篇幅进行解释。首先我们要解释高效减水剂使混凝土具有高工作性的作用机理。高效减水剂为长链分子将自身缠绕在水泥颗粒上并使水泥颗粒带上较高的负电荷因此水泥颗粒相互排斥其结果是分开水泥团粒从而良好地分散而拌和物则达到较高的工作性。水化水泥浆的基本结构未受影响但是高效减水剂与波特兰水泥中铝酸三钙(CA)相互作用.我们A是水泥最早水化的组份其反应受波特兰水泥生产中加入的石膏控制。所以我们所面临的情况是:高效减水剂与石膏两者均能与CA反应。为达到合适的工不应忘记C作性在搅拌过程需要一定量的高效减水剂关键在于:不能所有的高效减水剂都被CA所束缚。如果石膏不能及时释放硫酸根离子与CA反应则这种束缚作用就会发生。当硫酸根离子被释放的速率太慢就称作该波特兰水泥与高效减水剂不相容。实际上起决定性作用的因素是波特兰水泥中石膏的溶解性。‘石膏’一词用来描述波特兰水泥中的硫酸钙但硫酸钙以多种形式存在决定于水泥生产时所采用的原材料。石膏有二水、半水和无水硫酸钙不同形态每一种的溶解速率都不同并且无水石膏的溶解性与其结构和来源有关实际情况还要复杂得多。水泥的国家标准一般规定粉状成品水泥的最大SO含量ASTMC-标准规定:随CA含量不同I型水泥的SO含量不得超过或。这里核心的问题是:ASTM标准所限制的不是熟料粉磨时加入的石膏而是水泥中总SO含量。现在水泥中SO往往来源于其它地方用于水泥煅烧的煤或油也含硫。生产水泥采用廉价的煤或重油、焦油这些廉价燃料一般含硫量均较高。其结果是:燃料所含的硫与易挥发的碱性氧化物在窑中反应形成硫酸碱这种硫酸盐是非常易溶解的。如上所述两种波特兰水泥的总硫酸盐含量相同时硫酸盐随其来源不同早期可与CA反应的硫酸盐则会有多有少。如果能反应的可溶性硫酸盐太少则会以高效减水剂被CA束缚的形式进行高效减水剂也就无法改善拌和物的工作性。这就是为什么有些高效减水剂常常在搅拌开始以后才添加但是这样做不仅使搅拌过程复杂化也不足以使问题得到解决。相容性的问题已得到解决因为已经认识到:每种波特兰水泥都存在一最佳可溶碱(以硫酸碱形式存在)含量能够保证与特定高效减水剂的相容性。我们期望目前这种运作方式即采购水泥作为一种材料再采购高效减水剂作为另一种完全独立的材料会很快结束以相互匹配的水泥与高效减水剂供应市场在使用前不必进行费工费时的检验。前面所述的不相容问题普通混凝土也同样存在但高性能混凝土中更加严重。这里有两个原因其一:它的水灰比非常低因此可容纳硫酸根离子的水分少其二:每方混凝土的水泥用量非常高相应CA总量大其反应必须受到控制才能保证所需的工作性。应该指出的重要一点是:水泥在大水灰比时的行为不足以说明其在低水灰比时的行为。因此大多数标准试验都不能保证水泥在高性能混凝土中具有满意的性能故需要专门进行相容性试验。相容性试验也用于评价水灰比为或更低(高性能混凝土)的行为。混凝土可能产生几种类型的减缩一般归结为不同形式收缩这里我们只考虑高性能混凝土。首先混凝土在塑性状态就出现减缩塑性收缩的大小取决混凝土暴露表面的水分损失量。如果单位面积损失的水量超过泌水迁移到表面的水量就可能产生塑性开裂。高性能混凝土的用水量非常少相应产生毛细孔非常少实际上基本没有泌水。这会导致塑性收缩裂缝产生除非混凝土表面的水分损失受到抑制。因此高性能混凝土需要尽可能早地进行湿养护。其次为大家所熟知的硬化混凝土干燥收缩简称‘干缩’。干缩是由于外部混凝土水分蒸发损失引起的。高性能混凝土的干缩很小部分原因是其毛细孔非常小但也还有其它原因。其中主要的原因是:由于自干燥作用大部分水分已离开毛细孔引起自生收缩即第三种类型的收缩。自生收缩是水泥不断水化的结果不仅限于靠近表面处。水灰比低时相应的毛细孔数量和尺寸均较小这种收缩加剧。硅粉早期水化迅速快速消耗水分因此加剧自干燥作用。对于高性能混凝土自生收缩的一个主要后果是在混凝土内部产生微裂缝.可以也必须采用湿养护来防止微裂缝产生。尽管常常并未按照规范操作但都知道混凝土的养护非常重要水灰比越低养护也就越重要。对于高性能混凝土尽早进行湿养护是绝对必要的并应持续至水化水泥浆体达到足够高的抗拉强度能够抵抗内部微裂缝产生。需要强调指出:对于高性能混凝土覆盖薄膜的养护方式不能满足要求它只能避免水分散失。当水灰比于时这种养护方式是可行的因为拌和物中的水量足够(水泥)完全水化然而高性能混凝土的水灰比非常低从外部得到水分补充就非常必要。应当承认在一些情况下立即喷雾或泡水方式养护混凝土也不切实际可以暂时采用薄膜覆盖最多几小时或采用‘保水’的新型外加剂防止塑性收缩裂缝产生。在水化达到相当程度后若要使外部水分进入混凝土.可覆盖预湿的麻袋或织物再用塑料薄膜覆盖在薄膜下面装设扎孔的(喷水)软管保持麻袋始终湿润。高性能混凝土中水泥水化迅速如果有水分持续供应水化能够不间断地进行则毛细孔中不会有凹液面也不会出现自生收缩至少在靠近外部水源的地方即混凝土构件暴露面不会有自生收缩。因此有了真正良好的养护实际上就不存在自生收缩和干缩。当然如果后期混凝土表面受到干燥作用还会出现干缩但此时混凝土的抗拉强度已足够高不会出现收缩裂缝。值得指出的是:收缩本身并无大碍关键的问题是收缩裂缝。本文花费较多篇幅来谈论养护然而这是非常值得的:高性能混凝土的成功应用是以重视简单的养护要求为前提的。采用优良的材料而最后获得不良产品是绝对的失败。我们在本文开始曾说过:高性能混凝土与普通混凝土没有本质的差别但每一种混凝土都有它适用的目的。具体的需求是变化的。最早的需求是高强混凝土。要求强度可能是要早点达到以便结构物尽快投入使用。但是更多地是针对d或更长龄期。一般要求高强度的多为受压构件因为这样可使柱子的断面尺寸较小从而减小自重和基础承受的荷载。另外高强度柱子占据水平面积减小相应使高使用价值的楼面面积增加。对于受弯构件高强度的好处较难得到。原因之一是梁在受拉区的裂缝问题因为抗拉强度不随抗压强度等比例增长另一困难在于目前设计规范的限制但可能在不久的将来限制会取消。需要高强混凝土也可能不是为强度而是因为它一般具有较大的弹性模量这对于结构构件变形意义重大。高性能混凝土一个特别重要的应用是保证混凝土非常低的渗透性.在非常严酷的暴露环境中氯离子、硫酸盐或其它侵蚀性介质可能进入混凝土抗渗透性就非常关键。这样的环境条件存在于世界的许多地区混凝土的快速劣化也很常见。现在我们就混凝土劣化进行评述。多数情况下导致破坏的两个条件是水分迁移和温度变化。归结为‘水分迁移’的道理是:如果混凝土构件整个浸到没有空气的水中甚至海水里受到的损伤会非常小。另一方面快速湿润和长时间干燥的变换则非常有害。周期性的温度变化危害也很大。它们两者的叠加即反复的干湿循环与经常的温度变化相组合最容易导致严重的损伤。高性能混凝土因为渗透性非常小能够保证暴露于恶劣环境中的结构达到长寿命.必须强调指出:耐久性不仅是在极端条件下暴露才出现问题。空气中的二氧化碳在城市中含量较高。二氧化碳引起混凝土保护层的碳化会破坏钢筋的钝化膜从而导致其锈蚀。土壤中有时存在侵蚀性的盐类。混凝土表面也可能受到磨蚀。。混凝土有时暴露于反复的冻融循环条件下。初期的自干燥作用意味着这种混凝土内部的游离水分非常少因此一般不会形成有破坏作用的冰然而我们必须承认:在某些情况下高性能混凝土的渗透性非常低并不是优点.例如发生火灾时它的温度会迅速升高因为渗透性非常小混凝土内部的水分不能及时逸出形成的水蒸汽压力可能引起水泥浆爆裂和混凝土剥落。非常重要的一点是:我们不应仅仅关心混凝土的强度要同时关心混凝土的耐久性:只有耐久的混凝土才能称之为高性能混凝土或称为‘高质量混凝土’。与我们的议题相一致高性能混凝土并不是与我们称之为‘优质普通混凝土’有显著差别的另一类混凝土。对于后者一些评论认为:从世界范围来看许多现在的混凝土还不够优质甚至还没有以往的好。我们并不缺成功生产混凝土的知识也无需求助任何新研究成果来得到优质混凝土。劣质混凝土通常都能追溯到糟糕的工艺和施工操作。我们相信:高性能混凝土的应用能够教会我们生产高质量的普通混凝土。举如下两个例子:前面我们曾再三强调良好养护的重要性并清楚地说明:没有养护好的高性能混凝土质量就好不了。因此任何采用高性能混凝土的承包商都必须学会遵循正确的养护方式。以后再施工其它工程他们在浇筑普通混凝土时也很可能使用学会的好的操作方法。例如对于水灰比为或更高的混凝土良好养护的重要性要相对小一些但仍然会改善混凝土的性能和耐久性。这里的性能意味着不出现收缩裂缝耐久性意味混凝土保护层的低渗透性能保护钢筋免于锈蚀。实际上收缩裂缝也不利于保护钢筋。对于普通混凝土良好养护的重要性主要限于混凝土保护层但养护不当的后果同样严重。如果钢筋保护层处的混凝土质量不良构件内部具有高质量混凝土并没有多大意义因为混凝土碳化会快速深入到整个保护层厚度或者氯离子与硫酸盐从外部渗进混凝土并发生破坏性反应引起开裂、剥落或分层。从高性能混凝土得到的第二个启示更具普遍意义。制备高性能混凝土的基础是严格控制原材料质量和生产方式。例如配料必须非常精确每一盘料的总水量不仅是加入的水量都要准确地保持一致最终的骨料级配不得来回变化不能因为要取悦混凝土浇注工就往拌和物中多加一桶水混凝土生产商必须建立起一流的生产体系。我们主张应该也有可能在生产普通混凝土时使用相同的体系。对于这一建议的第一反应很可能是:这样高水平的质量控制要花钱但我们相信钱不会浪费。有两个理由支持我们的观点。其一:较高水平的质量控制使混凝土性能的变异减小。例如所生产混凝土的平均强度与规定的最小强度差别减小。现在混凝土的价格是以最低强度为基准但成本则与平均强度相联系。对一定的最小强度平均强度较小使成本降低是减少水泥用量而节省了钱其二能够生产高性能混凝土的供应商可以赢得声誉并因此被认为是优质混凝土供应商随后就能从关心工程质量的人们那里得到更多定单甚至每方混凝土的价格可以比竞争对手稍高一些。竞争对手也许会陷入关于其工作质量的无休止争议中解决争议的代价是昂贵的。对于老人‘预测’未来比较容易.他们可以乐观地描述进展和未来美好的前景而不用承担任何风险。如果经过足够长时间他们被证明是错误的也不会活着听到责骂如果证明是正确的每个人都会为智慧老人的去世感到惋惜。因此我们将提出我们的观点。分级的高性能混凝土将会消失而与普通混凝土简单地合并为‘混凝土’当然是质量良好的混凝土。与此同时现在的水灰比为或更大的低质量混凝土将停止在结构中使用仅用于回填或找平或被自用于花园等。我们期望:拌和物的最大水胶比将不超过并且当耐久性作为重要指标时水胶比还要低很多。这并不意味着水泥用量会非常高事实上很可能比今天的还要低因为几乎所有拌和物都含有一种或两种其它胶凝材料以及硅粉或偏高岭土或不同品种的填料。希望水泥生产商会认识到:每方混凝土少用点硅酸盐水泥而更多的混凝土被使用他们的未来会更好。作为最后的阻力他们在许多国家仍然反对使用其它胶凝材料和填料甚至外加剂。这样做对他们并不最有利更不代表混凝土用户即我们每个人的利益。当然我们称作‘优质混凝土’的成本很可能会比目前大水灰比的混凝土成本要高但目前的混凝土不耐久因此常需要修补再修补已经修补过的地方或进行更换所有这些都要花钱虽然建设费用与维修费用、保养费用可能来自不同的钱包。合乎逻辑的方法是考察寿命周期成本(LifeCycleCost)我们正在开始使用这种方法一旦寿命周期成本得到广泛接受我们就应主要生产高质量的混凝土。好的差的或不好不坏的混凝土已是近一个世纪中的主导工程材料。目前就全世界而言年人均用量为立方米或吨尚看不到经济的能够与之匹敌的材料。因此我们可以预计:高性能混凝土或高质量混凝土将长期服务于世界。译自HighPerformanceConcreteAnOverviewMaterialsandStructures,Vol,,,ppl~

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