道路混凝土耐久性的研究毕业论文.doc

I 道路混凝土耐久性的研究道路混凝土耐久性的研究 Study on durability and application of road high performance concrete 摘要摘要 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：关键词： 粉煤灰；矿渣；道路混凝土；耐久性；应用粉煤灰；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 onAt the same time，the mechanism of action was analyzed and discussedThe 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 onThe 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 II 摘要I 第一章第一章 绪论绪论.- 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 - 第二章第二章 道路混凝土耐久性的实验性研究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 - 23 工程应用.- 14 - 2.4 结论.- 15 - 第三章第三章 当今混凝土耐久性的研究现状和研究方向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 - 第四章第四章 提高混凝土耐久性若干措施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 - III 4.4 混凝土养护的重要性.- 26 - 结语结语.- 27 - 参考文献参考文献.- 28 - 致致 谢谢.- 30 - - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 混凝土的应用与发展概述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2.63.1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 - 2 - 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(19871988)，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19881989年建造的西雅图双联合广场大厦(Two Union Square Building)高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 - 3 - 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现代混凝土配合比设计方法 现代混凝土的强度范围很宽，目前我国的建筑结构设计规范涵盖的钢筋混 凝土强度等级从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 - 4 - 佳浆骨比大约为3565。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 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、SO3含量、可溶碱与SO3比值、熟料中C3A含量、混合材的种类与掺 量等。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GB1752007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 - 5 - 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，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CO2的环境，没有发生碳化的危险，只 要能满足强度要求，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。 - 6 - 1.3 其他特种材料的应用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； - 7 - 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。TC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 c AXR 式中：Rc水泥石的强度； 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01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： 3100)1 ( 7 . 2 PRc 式中：Rc水泥石的强度； 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 - 8 - 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AV(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7080，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。 - 9 - 除了骨料本身的强度外，骨料的性能(如吸水性和亲水性)，对混凝土的强 度也有较大的影响。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，并引用了艾布拉姆斯的混凝土强度计算公式： CW KKR / 21/ n c AXR 式中：R混凝土的强度； W/C水灰比； K1，K2经验常数。 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。 - 10 - 第二章第二章 道路混凝土耐久性的实验性研究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 原材料与试验方法原材料与试验方法 2.1.1 原材料原材料 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12；粉 煤灰：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 650m2/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 洲坝股份有限公司提供，密度2.87g/cm，比表面积560m2/kg，需水量比为 98；粗骨料：碎石，符合5-20mm连续级配，压碎指标8.69.5，含泥量 0.5，表观密度276g/cm3，松散表观密度1610kg/m3，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91HN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。 表表1 水泥粉煤灰及矿渣的化学组成水泥粉煤灰及矿渣的化学组成 - 11 - 材料SiO2Al2O3CaOMgO SO3Fe2O3烧失量 越秀牌水 泥 22.54.3462.684.582.212.062.63 湘潭 FA50.1530.517.500.100.656.781.69 三峡 SG21.487.2149.830.353.251.491.99 表表2 普通硅酸盐水泥的性能指标普通硅酸盐水泥的性能指标 强度细度凝结时间/min3d强度/MPa28d强度/MPa 等级% 体积 稳定性 初凝终凝 抗折强 度 抗压强 度 抗折强 度 抗压强 度 42.55.1合格17534533.85.659.48.6 2.1.2 试验方法试验方法 混凝土工作性试验根据GBT 500802002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GBT 500812002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 E302005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 8285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 试验结果及分析试验结果及分析 2.2.1 力学性能力学性能 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 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 240320kg/m3的粤秀牌42.5级普通硅酸盐水泥，并以2040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47.758.2MPa，28d抗折 强度达6.547.16MPa，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。 - 12 - 2.2.2 耐磨性能耐磨性能 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 3.6kg/m2，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)2的二次水化反应速度加剧，生成了更多的晶体和 凝胶，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。 表表3 道路高性能混凝土的实验结果道路高性能混凝土的实验结果 fcu/MPafts/MPaff/MPa 编号 水泥 /(kg/m 3) 水 /(kg/m 3) 矿物掺合物 /% 坍落 度 /mm 2d28d28d28d 备注 140012801032.858.74.426.37 232012820（FA）3030.958.24.256.94 328012830（FA）4528.155.84.347.05 428012830（SG）5532.356.44.557.16 524012040（SG）3027.649.44.126.54 624012040（CUFA）2524.147.74.206.78 高效减 水剂为 TQN， 掺量为 0.7% 2.2.3 干缩性能干缩性能 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 - 13 - 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。 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。 表表4 道路高性能混凝土耐磨性和干缩性能试验配合比道路高性能混凝土耐磨性和干缩性能试验配合比 配合比/(kg/m3)编号 CFASGWGSFDN 塌落度 /mm A1400-12812176553.620 A2280120012812176553.680 A3280012012812176553.640 A4280408012812176553.655 2.2.4 抗裂性能抗裂性能 本文抗裂性试验采用平板法，使用模具参考YKasai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。 - 14 - 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 单位面积的总开裂面积为18.6mm2m2，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。 2.3 工程应用工程应用 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 - 15 - 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4050mm，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。 表表5 抗裂性能试验记录抗裂性能试验记录 编号7h9h11h24h26h A1无裂缝无裂缝出现第一条裂纹，长 39.8mm，宽0.11m 出现第二条裂纹，长 12.3mm，宽0.91mm 无裂纹 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。 表表6 抗裂性能试验评定结果抗裂性能试验评定结果 序号W/B塌落度 /cm 首次开裂 时间 /h 平均开裂 面积 /mm2 单位面积 开裂数 /(条 /mm2) 单位面积 总开裂面 积 /(mm2/m2 ) 开裂 等级 A10.3220113.365.5518.6481 A20.328000001 表表7 道路高性能混凝土现场施工配合比及检测结果道路高性能混凝土现场施工配合比及检测结果 水泥CUFA砂碎石水塌落 度 3d28d /(kg/m3 ) /(kg/m3 ) /(kg/m3 ) /(kg/m3 ) /(kg/m3 ) /mmfcu/MP a ff/MPafcu/MPaff/MPa 28012067012451354523.23.6749.36.12 2.4 结论结论 （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6.547.16MPa，能满足重交通和特重交通开放交通的要求。 - 16 - （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 3.6kgm2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。 （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。 - 17 - 第三章第三章 当今混凝土耐久性的研究现状和研究方向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 入老化阶段, 也就是说将有23.4亿m2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