高性能混凝土耐久性問題解析與思考

1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）模板畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 高性能混凝土耐久性問題解析與思考 ii高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題分析與思考內(nèi)容摘要近些年來，混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，混凝土的強(qiáng)度不斷提高，某些工程根據(jù)自身特點(diǎn)需要，在提出高強(qiáng)度的同時(shí)，也提出高性能、耐久性和施工和易性的要求。本文通過對(duì)當(dāng)前施工中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的高性能混凝土的耐久性問題進(jìn)行分析，提出了影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素并指出了在施工中常見的提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施，并結(jié)合現(xiàn)階段我國(guó)的實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)設(shè)計(jì)施工中存在的一些缺陷進(jìn)行了思考。關(guān)鍵詞：高性能混凝土；耐久性； 應(yīng)用；高活性礦物摻料目 錄內(nèi)容摘要i引

2、言11 高性能混凝土及耐久性概念21.1 高性能混凝土的概念21.2 混凝土耐久性的概念22高性能混凝土設(shè)計(jì)研究與廣泛應(yīng)用23混凝土工程耐久性不足的后果34混凝土耐久性的影響因素34.1 混凝土的材質(zhì)34.2 混凝土的密實(shí)性34.2.1 滲透：34.2.2 碳化：44.2.3 凍融破壞：44.3 混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件44.4 鋼筋的銹蝕45提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要技術(shù)措施55.1 原材料的選擇55.1.1 摻入高效減水劑55.1.2 摻入高效活性礦物摻料55.2 消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素65.3 提高混凝土的密實(shí)性65.4 保證混凝土的強(qiáng)度65.5 控制施工質(zhì)量75.6 結(jié)構(gòu)的日常維

3、護(hù)76對(duì)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的思考7參考文獻(xiàn)9引 言混凝土結(jié)構(gòu)以其整體性好、耐久性好、可塑性強(qiáng)、維修費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)廣泛使用于整個(gè)20世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)混凝土的耐久性問題則是在60至70年代。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的混凝土橋使用了三四十年后，紛紛進(jìn)入老化期。人們始料不及的是混凝土材料在不利的環(huán)境、運(yùn)用條件下，出現(xiàn)了一系列影響結(jié)構(gòu)耐久性的物理、化學(xué)現(xiàn)象，如結(jié)構(gòu)混凝土的碳化、保護(hù)層剝落、裂縫的發(fā)展、鋼筋銹蝕、滲透凍融破壞、混凝土集料的化學(xué)腐蝕等等。我國(guó)七十年代后期建造的混凝土橋梁亦發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象。因而混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已成為結(jié)構(gòu)工程師們不容忽視的一個(gè)問題，并且由此提出高性能混凝土的研發(fā)和使用?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐

4、久性概括起來是指混凝土抵抗周圍不利因素長(zhǎng)期作用的性能。結(jié)構(gòu)耐久性問題主要表現(xiàn)為：混凝土損傷；鋼筋的銹蝕、脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕；以及鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固作用的削弱等三個(gè)方面。從短期效果而言，這些問題影響結(jié)構(gòu)的外觀和使用功能；從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，則為降低結(jié)構(gòu)安全度，成為發(fā)生事故的隱患，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。下面從影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素和提高耐久性的技術(shù)措施兩個(gè)方面來探討高性能混凝土的耐久性問題，并對(duì)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工問題進(jìn)行了思考。 1 高性能混凝土及耐久性概念1.1 高性能混凝土的概念高性能混凝土是指采用普通原材料、常規(guī)施工工藝，通過摻加外加劑和摻合料配制而成的具有高工作性、高強(qiáng)度、高耐久性

5、的綜合性能優(yōu)良的混凝土1。具體是：1)拌合料呈高塑或流態(tài)、可泵送、不離析，便于澆筑，密實(shí)；2)在凝結(jié)硬化過程中和硬化后的體積穩(wěn)定，水化熱低，不產(chǎn)生微細(xì)裂縫，徐變??；3)有很高的抗?jié)B性。其中高工作性是高性能混凝土必須具備的首要條件，即高流動(dòng)性、高抗分離性、高間隙通過性、高填充性、高密實(shí)性、高穩(wěn)定性；并同時(shí)具備低成本的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。高性能混凝土具有很豐富的技術(shù)內(nèi)容，其核心是保證耐久性。 1.2 混凝土耐久性的概念混凝土耐久性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在各種環(huán)境條件作用下，不需要額外的費(fèi)用加固處理而保持其安全性、正常使用和可接受的外觀能力?；炷聊途眯灾饕福嚎?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、碳化?，F(xiàn)行

6、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb50010-2010）2明確規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。2 高性能混凝土設(shè)計(jì)研究與廣泛應(yīng)用高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制，便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強(qiáng)度高、具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。由于高性能混凝土具有綜合的優(yōu)異技術(shù)特性，引起了國(guó)內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來，世界上許多國(guó)家相繼投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行該項(xiàng)研究與開發(fā)應(yīng)用，使高性能混凝土技術(shù)取得了很大的

7、進(jìn)展，在原料的選擇、配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能、耐久性、工作性、結(jié)構(gòu)性能以至應(yīng)用技術(shù)等方面都取得了既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)用價(jià)值的科技成果。高性能混凝土為一種能滿足特殊性能和特殊用途的混凝土，僅采用常規(guī)材料、普通拌和、澆筑和養(yǎng)護(hù)等措施達(dá)不到高性能混凝土的要求，而是必須通過提高澆筑、搗實(shí)的方法來提高混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)性能、初期強(qiáng)度、剛度和體積穩(wěn)定性以及延長(zhǎng)其在惡劣環(huán)境下的使用壽命。高性能混凝土往往被人們將其與高強(qiáng)度混凝土聯(lián)系起來，其實(shí)質(zhì)高性能混凝土不僅僅是高強(qiáng)度，而且具有相當(dāng)高的剛度、彈性模量和耐久性，普通混凝土不能長(zhǎng)久作用，如許多混凝土道路在不該開裂的地方開裂或者由于冰凍和融化而剝落；許多橋面遭受嚴(yán)重破

8、壞；許多混凝土橋梁在地震中倒塌。因此，只有采用高性能混凝土才有可能避免這些不該發(fā)生的事故。3 混凝土工程耐久性不足的后果混凝土工程因其工程量浩大，將會(huì)因耐久性不足對(duì)未來社會(huì)造成極為沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)美國(guó)一項(xiàng)調(diào)查顯示，美國(guó)的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程總價(jià)值約為6萬億美元，每年所需維修費(fèi)或重建費(fèi)約為3千億美元。美國(guó)50萬座公路橋梁中20萬座已有損壞，平均每年有150-200座橋梁部分或完全坍塌，壽命不足20年；美國(guó)共建有混凝土水壩3,000座，平均壽命30年，其中32%的水壩年久失修。 美國(guó)對(duì)二戰(zhàn)前后興建的混凝土工程，在使用30-50年后進(jìn)行加固維修所投入的費(fèi)用，約占建設(shè)總投資的40%-50%以上。中國(guó)50-

9、60年代所建設(shè)的混凝土工程已使用40余年，如果我國(guó)混凝土工程的平均壽命按30-50年計(jì)，在今后的10-30年內(nèi)，為了維修建國(guó)以來所建基礎(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用，將是極其巨大的。 目前，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模宏大，每年高達(dá)萬億元人民幣以上，約30-50年后，這些工程也將進(jìn)入維修期，所需的維修費(fèi)或重建費(fèi)將更為巨大。作為21世紀(jì)的高性能混凝土，更要從提高混凝土耐久性入手，以降低巨額的維修和重建費(fèi)用。4 混凝土耐久性的影響因素4.1 混凝土的材質(zhì)混凝土是碎石、砂、水泥和水拌合后凝硬而成。這些材料的優(yōu)劣直接影響到硬化后混凝土的質(zhì)量(包括密實(shí)度和強(qiáng)度等)，好質(zhì)量的材料將為工程使用期混凝土的耐久性打下良好的基礎(chǔ)。近

10、年來由于基本建設(shè)的迅猛發(fā)展，施工中往往忽略對(duì)材質(zhì)的要求，工地上只檢查混凝土試件的強(qiáng)度作為材質(zhì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。豈知不合規(guī)格的材料，將導(dǎo)致混凝土收縮徐變量大大增加，初始裂縫大量產(chǎn)生，這對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)安全將是一嚴(yán)重隱患。4.2 混凝土的密實(shí)性混凝土的內(nèi)部缺陷（不密實(shí)），使混凝土在使用過程中易受各種不利因素的侵襲，主要有如下幾種形式： 4.2.1 滲透：當(dāng)混凝土不密實(shí)，空氣和水容易滲入，水中有害物質(zhì)就易對(duì)混凝土產(chǎn)生化學(xué)侵蝕，影響混凝土的耐久性。 4.2.2 碳化：混凝土中因水泥石含有氫氧化鈣而呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護(hù)鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護(hù)作用。但當(dāng)混凝土密實(shí)度低，空氣中水和c

11、02滲入，形成碳酸，盡管其酸性很弱，也能中和氫氧化鈣使鋼筋銹蝕，這一過程成稱混凝土的“碳化”。 4.2.3 凍融破壞：混凝土不密實(shí)，體內(nèi)滲入的水量大，低溫時(shí)水結(jié)冰體積膨脹產(chǎn)生壓力，從內(nèi)部破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，經(jīng)多次凍融循環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強(qiáng)度降低。4.3 混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件工程結(jié)構(gòu)使用時(shí)所處的環(huán)境條件是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的外部因素，如海水侵蝕、大氣腐蝕、極高溫度、冰凍、水、風(fēng)、地震災(zāi)害的襲擊等。根據(jù)環(huán)境條件對(duì)混凝土耐久性的影響，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（jtgd62-2004）根據(jù)公路橋梁的使用情況3,使用環(huán)境條件劃分為下列4類： 類環(huán)境系指溫暖或寒冷地

12、區(qū)的大氣環(huán)境；與無侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境。類環(huán)境系指嚴(yán)寒地區(qū)的大氣環(huán)境；使用除冰鹽環(huán)境；濱海環(huán)境。 類環(huán)境系指海水環(huán)境。 類環(huán)境系指受侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境。 在上述環(huán)境分類中，嚴(yán)寒地區(qū)是指累年最冷月平均溫度低于-10地區(qū)；寒冷地區(qū)是指累年最冷月平均溫度高于-10，低于或等于0的地區(qū)。除冰鹽環(huán)境是指北方城市依靠噴灑鹽水除冰化雪的且其主梁受到侵蝕的環(huán)境；濱海環(huán)境是指海水浪濺區(qū)以外且其前無建筑物遮擋的環(huán)境；海水環(huán)境是指潮汐區(qū)、浪濺區(qū)及海水中的環(huán)境；受侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境是指某些化學(xué)工業(yè)和石油化工廠的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境。 如上所述，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性取決于混凝土材料的自身特性和結(jié)構(gòu)

13、的使用環(huán)境，同時(shí)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)密切相關(guān)。 轉(zhuǎn)貼于 中國(guó)4.4 鋼筋的銹蝕鋼筋的銹蝕表現(xiàn)為鋼筋在外部介質(zhì)作用下發(fā)生電化反應(yīng)，逐步生成氫氧化鐵等即鐵銹，造成混凝土順筋裂縫，從而成為腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋的通道，加快結(jié)構(gòu)的損壞。王建花認(rèn)為4混凝土碳化和中性化主要是由于混凝土的密實(shí)度即抗?jié)B性不足，酸性氣體滲入混凝土內(nèi)與氫氧化鈣作用；其二，氯離子對(duì)鋼筋表面鈍化膜有特殊的破壞作用；其三，鋼筋在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下形成的脆性斷裂；其四，鋼筋的氫脆現(xiàn)象，即預(yù)應(yīng)力筋在酸性與微堿性的介質(zhì)中發(fā)生脆性斷裂，鋼筋在腐蝕過程中會(huì)產(chǎn)生少量氫氣，當(dāng)鋼筋內(nèi)部存在缺陷，會(huì)產(chǎn)生很大壓力，出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象，使鋼筋脆化。5 提高

14、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要技術(shù)措施5.1 原材料的選擇水泥類材料的強(qiáng)度和工程性能，是通過水泥砂漿的凝結(jié)，硬化形成的，水泥石一旦受損，混凝土的耐久性就被破壞，因此水泥的選擇需注意水泥品種的具體性能，選擇堿含量小，水化熱低，干縮性小，耐熱性，抗水性，抗腐蝕性，抗凍性能好的水泥，并結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇。集料的選擇應(yīng)考慮其堿活性，耐蝕性和吸水性，同時(shí)選擇合理的級(jí)配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密實(shí)度；摻混合材料的混凝土，是提高混凝土耐久性的有效措施，即近年來發(fā)展的高性能混凝土。 5.1.1 摻入高效減水劑在保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細(xì)

15、管孔隙率大幅度降低。水泥在加水?dāng)嚢韬螅瑫?huì)產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)。在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時(shí)相應(yīng)地增加用水量，這樣就會(huì)促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙。當(dāng)加入減水劑后，減水劑的定向排列，使水泥質(zhì)點(diǎn)表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時(shí)使水泥絮凝狀的絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來，因而達(dá)到減水的目的。5.1.2 摻入高效活性礦物摻料普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的

16、目的，在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成?；钚缘V物摻料(矽灰、礦渣、粉煤灰等)中含有大量活性sio2及活性al2o3，它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化矽酸鈣，從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離石灰的目的。有些超細(xì)礦物摻料，其平均粒徑小于水泥粒子的平均粒徑，能填充于水泥粒子之間的空隙中，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透路。5.2 消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素除了環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞以外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過大引

17、起的開裂，水化熱過性過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿集料反應(yīng)等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必須減小或消除這些結(jié)構(gòu)破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿、so3、c1- 等可以引起結(jié)構(gòu)破壞和鋼筋蝕物質(zhì)的含量，加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)生，提高混凝土的耐久性。5.3 提高混凝土的密實(shí)性控制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量，改善混凝土的施工工藝，攪拌均勻、充分振搗，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。除了選擇及配良好的集料和精心施工保證混凝土充分搗實(shí)和水泥充分水化外，水灰比是影響混凝土密實(shí)性的最重要的條件，故普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（jgj55-2011）5和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

18、規(guī)范（gb50010-2010）1規(guī)定了各類環(huán)境條件下滿足混凝土耐久性要求的最大水灰比和最小水泥用量值。同時(shí)適當(dāng)摻用外加劑，如摻用減水劑或引氣劑，可改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)性。5.4 保證混凝土的強(qiáng)度盡管強(qiáng)度與耐久性是不同概念，但又密切相關(guān)，它們之間的本質(zhì)聯(lián)系是基于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，都與水灰比這個(gè)因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實(shí)條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強(qiáng)度不斷提高，與此同時(shí)，隨著孔隙率降低，混凝土的抗?jié)B性提高，因而各種耐久性指標(biāo)也隨之提高。在現(xiàn)代的高性能混凝土中，除摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料，它們不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除

19、了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除內(nèi)部破壞因素的條件下，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力也越強(qiáng)。5.5 控制施工質(zhì)量控制施工質(zhì)量主要從混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的厚度控制、混凝土結(jié)構(gòu)各種孔隙的控制以及水灰比控制等幾個(gè)方面進(jìn)行。針對(duì)不同的腐蝕環(huán)境應(yīng)設(shè)計(jì)不同的保護(hù)層厚度。如一類環(huán)境(室內(nèi)正常環(huán)境),設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)保護(hù)層厚度應(yīng)按規(guī)范的規(guī)定增加40%；混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件宜整體澆筑，不宜留施工縫?？梢酝ㄟ^摻加高效減水劑，在保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙率大幅度降低。 5.6 結(jié)

20、構(gòu)的日常維護(hù)結(jié)構(gòu)在使用階段，應(yīng)注意檢測(cè)，維護(hù)和修理，對(duì)處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程更應(yīng)如此，建立檢測(cè)和評(píng)估體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)修理，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的正常使用。在使用中，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)承受超重荷載、接觸腐蝕性物質(zhì)，并盡量減少凍融環(huán)境的影響。同時(shí)在結(jié)構(gòu)建成后定期檢查，在結(jié)構(gòu)破壞超過一定的界限后，就需要詳查破壞原因并評(píng)估是否需要維修或加固。 6 對(duì)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的思考我國(guó)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范長(zhǎng)期沒有設(shè)計(jì)使用年限的要求，在近幾年修訂頒布的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中才明確規(guī)定將建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限分為四類，但這對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性起不到太大的作用，雖然結(jié)構(gòu)的使用年限可以通過維修延長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)中的個(gè)別部件不一定能夠達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，這在橋梁等結(jié)構(gòu)中尤為明顯。例如設(shè)計(jì)使用30年的拉索往往不到20年就要更換，這無疑會(huì)大大縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。另外，由于我國(guó)的國(guó)情限制，我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)往往達(dá)不到發(fā)達(dá)