（材料学专业论文）混凝土抗冻耐久性数学预测模型的研究与应用.pdf

摘要 混凝土结构的耐久性问题是土木工程学科亟待解决的研究课题。其中，抗冻性是混 凝土耐久性一个重要的方面，特别是我国的三北地区的水工、海工经常处于水位变化的 建筑物，常常由于混凝土的冻融循环造成表面脱落、内部疏松而影响了结构物的使用。 虽然我们在混凝土抗冻机理等方面取得了很大的成果，但有很多理论还是在假设的基础 上建立起来的，而且传统的控制手段主要是从混凝土材料学科入手，研究混凝土组分对 抗冻性能的影响，这些研究都具有一定的片面性。因此本文以建立混凝土抗冻耐久性预 测模型为目的，希望能够实现混凝土抗冻耐久性设计和维修的目的。 由于混凝土抗冻性的影响因素众多，仅仅从实验和材料科学的角度去研究还远远不 够，而需要在材料、结构工程和力学等交叉领域队混凝土的耐久性进行研究。为了建立 一个比较全面的混凝土抗冻耐久性预测模型，本文有机得结合混凝土的亚微和宏观层次 的研究，从结构工程学科的角度，以损伤力学为手段，对混凝土冻融破坏的过程进行了 分析，把混凝土得冻融破坏归结为疲劳损伤。基于l o m l d 模型，以动弹性模量为损伤变 量，建立了能够描述混凝土冻融损伤的数学模型。经实验室数据验证，本文提出的模型 能够较好的反映混凝土的抗冻性，也能在一定程度上反映混凝土内部结构对其的影响， 为以后的研究奠定了基础。 免烧结高性能镁质陶粒是本实验室的专利产品，属于一种新型氯氧镁制品，是以菱 苦土、氯化镁以及粉煤灰等为原料，经磨细、配料、发泡、成球后自然养护而得到的人 造轻集料。由于轻集料混凝土普遍存在吸水率大的问题，造成抗冻性能差，从而限制了 其广泛应用。本文利用一种新的防水剂作为陶粒的封包层，来降低其吸水率。经验证， 此种方法能在一定程度上提高抗冻性，但并不是理想的结果。本文并着重分析了前面提 出的模型在陶粒混凝土中的应用，经验证，我们可以看到，此模型也能对情集料混凝土 的抗冻性进行预测。 本文的研究还属于初步阶段，希望所获得结果能对以后的研究起到积极的作用。 关键词：混凝土， 耐久性， 冻融循环， 损伤力学，疲劳损伤，预测模型 a b s t r a c t t h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t es t r u c t u r ei st h r o u g h o u tap e n d i n gr e s e a r c hs u b j e c ti nc i v i l e n g i n e e ra c a d e m e f r e e z e - t h a wd u r a b i l i t yi sa ni m p o r t a n tp r o p e r t yo fc o n c r e t e s p e c i a l l y , h y d r a u l i ca r c h i t e c t u r ea n dm a r i n es t r u c t u r ei nn o r t ho fc h i n a , o f t e ns u f f e rf r o ms u r f a c e s c a l i n go ri n t e r n a lc r a c k i n gu n d e rf r e e z e - t h a wc y c l e g r e a ta c h i e v e m e n th a v eb e e nm a d ei n 伍e s ef i e l d s ，s u c ha sf r e e z i n gd a m a g em e c h a n i e s ，b u tm a n yt h e o r yi sb a s e do nm a t e r i a l s s c i e n c ea n df o c u s e do nh o wt oi m p r o v et h ed u r a b i l i t yb yr e f o r m i n gt h ec o n c r e t ei n t e r n a l c o m p o n e n t s ，a n dt 1 1 e s em e t h o d sa r eo n e s i d e d n e s s s ot h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st o e s t a b l i s hap r e d i c t i o nm o d e lo ff r e e z e t h a wd u r a b i l i t yt oe n a b l ed e s i g na n dm a i n t e n a n c ea n d o v e r h a u lt h es t r u c t u r ei n t of a c t d u et ot h ef a c tt h a tc o n c r e t ed u r a b i l i t yc a l lb ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，i ti sv e r y d i 伍c u l ta n du n r e a l i s t i cf r o mt h ea n g l eo fe x p e r i m e n ta n dm a t e r i a l s i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h t h ep r o b l e mf r o mt h ei n t e r s e c t i o no fm a t e r i a ls c i e n c e s t r u c t u r ee n g i n e e ra n dm e c h a n i c s i n o r d e rt oc r e a t eao v e r - a 1 1m o d e lo ff r e e z e - t h a w , t h em o d e ls t a r tw i t ha no r g a n i cc o m p o s i t i o no f m i c r o s c o p i cv i e wa n ds u b m i c r o s c o p i cv i e w , f r o mt h ea n g l eo fs t r u c t u r ee n g i n e e ra n db yt h e m e t h o do fd a m a g em e c h a n i c s ，t h ep a p e ra n a l y z eh es p e c i f i cf a i l u r ep r o c e s sa n dc l a s s i f i e st h e d a m a g ed e v e l o p m e n td u r i n gf r e e z e - t h a wc y c l e b a s e do np d ec a lv e w et a k et h el o s so f c o n c r e t ed y n a m i cm o d u l u sa sab r i d g e a n dc r e a t eam o d e lw h oc a nd e s c r i b et h ep r o c e s so f c o n c r e t ef r e e z e - t h a wc y c l eb yf a t i g u ed a m a g et h e o r y a f t e rv e r i f y i n gt h em o d e lb yl a b o r a t o r y d a t a , t h em o d e lc a nr e f l e c tf r e e z e - t h a wd u r a b i l i t yo fc o n c r e t e 。a n da l s oc a nr e f l e c tt h ee f f e c to f c o n c r e t ei n t e r n a lp o r o s i t ys t r u c t u r e 田1 em o d e lc a l lb eu s e dt op r e d i c tt h es e r v i c el i f eo f c o n c r e t ee x p o s e dt of r e e z e t h a wc y c l e - n l cc e r a m i s i t ei sap a t e n tp r o d u c to fo u re x p e r i m e n t , w h i c hi sas o r to fn e wm a g n e s i u m e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm a t e r i a l sw i t hv e r yn i c ep r o s p e c ta n di sm a d eo fm a g n e s i t e m a g n e s i u m , c h l o r i d ea n df l ya s he t c i th a sm a n yv i r t u e sa sl i g h tq u a l i t y , h i 曲s t r e n g t ha n d c o r r o s i v er e s i s t a n c e b u tm o s to fl i g h t - w e i g h ta g g r e g a t eh a v eac o m m o np r o b l e mt h a tt h e w a t e r - a b s o r b i n gc a p a c i t yi st o og r e a t a n dl e a dt ol o wa b i l i t yo ff r o s tr e s i s t a n c ew h i c hr e s t r i c t i t se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s ot h i sp a p e ru s ean e ww a t e rr e d u c i n ga g e n ti no r d e rt or e d u c ei t s w a t e ra b s o r b i n gc a p a c i t y a f t e rv e r i f y i n g ，w ef i n dt h a ti tc a nm c r e a s ef r o s tr e s i s t a n c ei ns o m e e 烈e n t , b u ti t i sn o tt h ep e r f e c tm e t h o d a n dw ea n a l y s i st h em o d e l sa p p l i c a t i o ni n l i g h t - w e i g h t f r o mt h er e s u l tt h a tw ec a nf i n dt h a tt h em o d e la l s oc a nf o r e c a s tt h ef r o s t r e s i s t a n c eo fl i g h t - w e i g h ta g g r e g a t e 1 1 1 i sp a p e ro n l yi sap r e l i m i n a r y 咖d y w eh o p ei tc a l lh a v ea c t i v ee f f e c tt ol a t e r - s t u d y k e yw o r d ：c o n c r e t e ，d u r a b i l i t y , f r e e z e - t h a wc y c l e ，d a m a g em e c h a n i c s ，f a t i g u ed a m a g e ， p r e d i c t i o nm o d e l 一一 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 保密瓯在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 作者签名：斗 指导导师签名： 三生年j 月生e t 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自18 2 4 年发明波特兰水泥，18 5 0 年出现钢筋混凝土，19 4 0 年采用预应 力钢筋混凝土，这些突破性的发展，使得摩天大楼和大跨度桥梁在世界各地 蓬勃发展。在混凝土的1o o 多年中，混凝土技术不断提高，水泥的产量和用 量也增加了几百倍，据不完全统计，当今世界每年消耗的混凝土量不少于4 5 亿立方米，而且在2 1 世纪还将继续增长【l 】。与其他材料相比，混凝土可按要 求浇筑成型、经济、节能，而且是耐久的材料之一，混凝土的这些特点，使 它成为现代土木工程中不可缺少、用量最大、用途最广的建筑材料之一。 近几十年来，混凝土技术有了长足的进展，涌现出高强混凝土、高性能 混凝土、自密实混凝土、活性粉末混凝土等一系列新品种，应用范围不断拓 宽，已成为2 1 世纪基础设施建设的主要建筑材料，成为当今世界除水以外 人均消耗量最大的物质( 1 1 5 t 年) 。 耐久性支配着混凝土结构在整个服役过程的“健康 和“寿命”1 3 ，近 四、五十年，国内外有大量的混凝土结构物因耐久性不足而过早失效甚至彻 底损害的例子据估计在工业发达国家，建筑工业总投资的4 0 以上用于现 有结构的修理和维护，6 0 用于新设施的建设【4 】。在美国，据统计，混凝土 基建工程的总价为6 万亿美元，但今后每年用于维修和重建的费用将高达3 千亿美元，曲艾特所著的美国在破坏中一书估计，包括道路、桥梁、下 水道、供水饮水系统和公共交通在内，美国全部的维修费用将高达3 万亿美 元，比当时美国的一年的国民生产总值还多得多”】。英国英格兰岛中部环形 快车道上1 l 座混凝土高架桥，当初建造费2 8 0 0 万英镑，到19 8 9 年因为维 修而耗资4 5 0 0 万英镑，是造价的1 6 倍，估计以后15 年还要耗资1 2 亿英 镑，累计接近当初造价的6 倍1 6 】，加拿大魁北克省博赫尔洛依斯水电站于19 2 8 年开始兴建，至1 9 6 0 年全部建成，但由于碱集料反应，早在19 4 0 年就发 现南部坝体因出现裂缝而渗漏，1 9 7 2 年又发现上游数英里处两座吊桥严重开 裂和变形1 9 5 8 年建成的北部坝体平均每年向北移动1 9 r a m ，因而导致升降 机顶附件开裂。这都是由于耐久性不足而造成的。 在我国，混凝土结构的耐久性问题也不容乐观，据19 8 6 年国家统计局和 建设部对全国城乡2 8 个省、市、自治区的3 2 3 个城市和5 0 0 0 个镇进行普查 的结果显示：目前我国已有城镇房屋建筑面积4 6 7 6 亿m z ，占全部房屋建筑 面积的6 0 ，已有工业厂房约5 亿r n 2 ，覆盖的国有固定资产超过5 0 0 0 亿元， 这些建筑物中约有2 3 亿m z 需要分期分批进行评估与加固【7 】。而其中半数以 上急需维修加固之后才能正常使用。到本世纪末，我国现有房屋结构将有 5 0 进入老化阶段，也就是说将有2 3 4 亿m z 的建筑面积面临耐久性问题【8 】。 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，成为 了当今土木工程领域的研究热点 改革开放以来，我国的基础设施建设进入了高潮期，带动国民经济的高 第一章绪论 速发展，取得的成就举世瞩目。但是这一期间修建的许多混凝土结构，包括 桥梁、道路、隧道、港口、大坝、建筑物等，在建期间或建成不长时间后就 出现可见裂缝，影响外观和在侵蚀性环境中运行结构的耐久性，还使一些结 构的使用功能受到影响。工作环境严酷的结构物，例如桥梁与桥面板、路面 板、隧道和海港工程，特别是水位变动区的部位等，影响尤其严重。 国外学者曾用“五倍定律 【8 】形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重 要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1 美元，那么就意味着：发现钢筋锈 蚀时采取措施将追加维修费5 美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加 维修费2 5 美元：严重破坏时采取措施将追加维修费l2 5 美元。沉重的代价 使人们认识到，不仅要用耐久性良好的材料及时修复已出现劣化的混凝土工 程，更重要的是必须使今后新建的混凝土工程具有足够的耐久性以保证设计 使用寿命。因此混凝土耐久性成为土木工程界人们最关心的问题之一1 9 】。我 国今后2 0 年的结构工程学科的发展战略已将结构物的损伤积累和耐久性研 究作为优先发展的领域之一【7 】。我国资金、能源短缺，资源也不丰富，就更 应在战略上深谋远虑，重视少投资而又能节约能源的措施。提高混凝土的耐 久性是达到这一目的的最好途径，其经济效益是不言而喻的【1 0 】。 1 2 国内外研究现状与方向 1 2 1 国内外研究现状 最初的混凝土耐久性研究主要是为了了解海上构筑物中混凝土的腐蚀 情况1 1 1 1 ，波特兰水泥早期主要用于兴建海岸防波堤、码头和灯塔等，这些构 筑物长期经受外部波浪冲击、泥砂磨蚀、冰冻等物理作用影响，及海水中矿 物盐与混凝土化学作用的影响，耐久性失效问题比较突出。l9 世纪4 0 年代， 为了探索在那些年代建成的码头被海水毁坏的原因，法国工程师维卡对水硬 性石灰以及石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究，并著有水硬性组分 遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究一书。这是研究海水对混凝 土腐蚀破坏的第一部科研著作】。1 9 4 5 年，p o w e r s 等人，从亚微观入手， 分析了混凝土孔隙水对孔隙壁的作用，提出了渗透压【1 2 】和静水压假说【1 3 】， 开始了冻融破坏机理的研究；1 9 5 1 年，前苏联学者a a 贝科夫和b m 莫斯 科文等较早的开始了混凝土中钢筋锈蚀的研究，其成果为建筑足够耐久的混 凝土和钢筋混凝土结构奠定了基础j 。 进入6 0 年代，混凝土结构的耐久性研究进入了一个高潮，并且开始朝 系统化、国际化方向发展，相继成立了多种国际学术组织以及召开了多次国 际学术会议。例如：国际材料与结构研究所联合会( r i l e m ) ，于1 9 6 0 年成 立了“混凝土中钢筋腐蚀 技术委员会( 12 c r c ) ，推动了混凝土结构耐久性 研究的发展，混凝土结构的轧钢使用问题逐渐成为国际学术机构和国际性学 术会议讨论的重点课题之一。r i l e m 于l9 6 1 年和l9 6 9 年召开的国际混凝土 耐久性学术会议，19 7 0 年在布拉格召开的第六届、第七届国际水泥化学会议， 第一章绪论 l9 7 8 年至1 9 9 3 年连续六次召开的建筑材料与构件的耐久性国际学术会议， l9 8 7 年，国际桥梁与结构学会( i a b s e ) 在巴黎召开“混凝土的未来”国际 会议，l9 8 8 年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估 国际会议，l9 8 9 年 在美国和葡萄牙举办了有关结构耐久性的国际会议，l9 9 1 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，19 9 3 年i a b s e 在丹麦哥 本哈根召开了结构残余能力国际学术会议，这些学术活动的开展大大加强了 各国学术界之间的合作和交流，取得了显著的成果【1 4 1 引。l9 9 3 年1o 月2 6 至2 9 日在日本大宫市召开了第六届建筑材料与构件的耐久性国际会议。l9 9 2 年欧洲委员会i l9 j 颁布的耐久性混凝土结构设计指南( d u r a b l ec o n c r e t e s t r u c t u r ed e s i g ng i d e ) ，混凝土的耐久性研究成为了混凝土研究非常活跃的 领域。 钢筋混凝土结构的耐久性问题在我国也日益受到重视。中国土木工程学 会于19 8 2 、l9 8 3 年连续召开了两次全国耐久性学术会议，为混凝土结构规 范的修订奠定了基础，进一步推动了耐久性研究工作的开展。19 9 0 年4 月， 建设部组织成立全国建筑鉴定与加固委员会，至今已召开三届学术交流会。 l9 9 1 年1 2 月在天津成立了全国混凝土耐久性学会，使混凝土耐久性研究朝 系统化、规范化的方向更进一步。1 9 9 4 年国家科委组织的国家基础性研究重 大项目“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究 促进了我国混凝 土耐久性研究的迅速发展，经过6 年的研究，至2 0 0 0 年已取得了大量的基 础性研究成果 2 0 - 2 2 】，2 0 0 1 年和2 0 0 2 年相继在北京举行了关于混凝土结构安 全性、耐久性及耐久性设计的研讨会 2 3 - 2 4 】，混凝土结构耐久性问题得到了前 所未有的重视。我国今后二十年的结构工程学科发展战略已将结构物的损伤 积累及耐久性研究作为优先发展的领域之一。 这些学术活动的开展大大增强了各国学术界之间的交流与合作，取得了 显著的成果，部分科研成果已经应用于工程实践并指导工程设计、施工、维 护等。美国a c i 委员会于l9 9 1 年提出了“已有混凝土房屋抗力的评估 的 最新报告，以及检测实验的详细方法和步骤，日本土木学会混凝土委员会于 1 9 8 9 年制定了l ：混凝土结构耐久性设计准则( 试行) 。2 0 01 年亚洲混凝土 模式规范委员会公布了亚洲混凝土模式规范( a c m c 2 0 01 ) ，提出了基于 性能的设计方法。 1 2 2 混凝土耐久性研究方向 由于混凝土的耐久性给人们带来了十分沉重的代价，混凝土的耐久性因 此越来越受到人们的重视，从五十年代，各国的科研工作者便开始对混凝土 的耐久性进行了大量的研究。但这些研究一般都是从材料科学的角度出发， 用物理化学的方法分析混凝土在具体的环境因素作用下的失效机理，但这些 研究都有其局限性。高性能混凝土的出现，是人们在总结以往研究的基础上 提出的比较有代表性的例子。所谓高性能混凝土，不仅具有适宜的强度，更 要求混凝土具有高耐久性和工作性，并且耐久性是重中之重。但是，迄今为 第一章绪论 止，对高性能混凝土的研究还局限于材料成分与配制工艺的改进，并未实现 对混凝土耐久性的定量设计与控制。 从材料学方面对混凝土耐久性问题的研究一直无法提供一个指标作为 可分析、演绎的参量，使在设计过程中对耐久性的定量控制得以实现。我国 的结构设计人员对混凝土耐久性的普遍认识不足，在结构设计过程中没有足 够的重视耐久性问题，是造成大量混凝土建筑物出现问题的另一重要原因。 这两种现象的根本原因在于材料学对混凝土耐久性问题的研究与结构工程 学科，特别是工程设计过程脱钩，如果仅仅从材料学科入手，忽略了结构工 程和力学学科的研究工作，那么所谓的高性能混凝土也可能出现耐久性问 题。因为混凝土的耐久性主要取决于其渗透性。而一旦裂缝的产生与发展不 在控制之下，高性能混凝土的优势也会丧失。所以正如针对力学行为建立的 设计规范一样，耐久性的设计概念也必须重新修正【25 1 。 如何对混凝土结构进行寿命预测与评估，如何在设计过程中定量的考虑 耐久性影响因素一直以来都是各国工程和研究人员感兴趣的问题，也是至今 为止国际上尚未解决的重大科技问题。显然，近从材料学科的角度去研究这 个问题是不能满足需要的。 由于混凝土耐久性不足给各国带来了沉重的负担，因此如何提高混凝土 的耐久性，越来越受到人们的关注，本文认为以下几个方面应该成为今后研 究的重点： ( 1 ) 混凝土表面致密：众多学者认为致密化是提高混凝土耐久性能的关 键因素，c a lle g a 认为致密化甚至比选择水泥品种更为重要。冻融必须有水 渗入才可能发生，大气中的c 0 ：以及腐蚀离子的渗透都与致密型有关，所以 表面处理是值得研究的课题。 ( 2 ) 骨料界面：很多学者认为骨料界面区由于疏松多孔，是混凝土结构 耐久性能低下重要原因，骨料界面结构的提高可以使混凝土抵抗冻融、碳化、 钢筋锈蚀等性能的能力大大提高，因此这也是个值得研究的课题。 ( 3 ) 高性能材料的耐久性：包括开发新的高耐久性材料、增强改善现有 材料的耐久性、引入相关学科新的研究成果或引入新的高耐久性材料与现有 材料复合，以提高耐久性。 ( 4 ) 建立混凝土耐久性数据库：中国幅员辽阔，气候差异很大，混凝土 耐久性的要求也很不相同。协调、联合相关单位建立起全国典型地区混凝土 耐久性资料汇集和连续检测网络对研究混凝土耐久性是非常重要的。 ( 5 ) 估算使用寿命现有的评价体系，主要包括：基于可靠度的混凝土 材料寿命的损伤评价方法和基于钢筋锈蚀原理的结构寿命评价方法( 较为完 善、基本统一的碳化理论和研究热点氯离子扩散理论) 模型，今后应该进一 步研究破坏机理，给出耐久性使用寿命。 ( 6 ) 定性定量功能设计耐久性设计：就是按工程要求设计材料的耐久 性，是耐久性研究的发展趋势。根据耐久性设计混凝土结构的使用寿命已经 成为当前最活跃的混凝土研究方向之一。 第一章绪论 1 3混凝土的耐久性 1 3 1 混凝土耐久性的定义 从材料科学的角度而言，按照a c l 2 0 1 委员会的定义，混凝土的耐久性 是指混凝土对气候影响、化学侵蚀、磨蚀或任何其他破坏过程的抵抗能力。 也就是说，耐久的混凝土结构当露置于使用环境时，仍保持原来的形状、质 量和适用性【l l , 2 6 j 。 1 3 2 混凝土耐久性问题突出的原因 混凝土的耐久性不足，有外在原因，也有内部因素。内在因素主要为： 混凝土结构保护层厚度、水灰比、混凝土的强度和密实度、水泥品种、外加 剂类型、结构或构件的构造等，这些因素影响混凝土结构的碳化速度、裂缝 的形式和发展。外部因素主要为：气候、温度、氯离子侵蚀、化学介质( 酸、 碱、海水等) 侵蚀、冻融循环破坏、磨蚀破坏等。外部环境是客观存在的， 因此要提高混凝土的耐久性必须从其内部因素入手，控制混凝土最大可能的 均匀密实度和最小的收缩内应力，科学合理设计其强度、抗渗性、抗冻性、 抗化学侵蚀性等要素，减少混凝土的内部缺陷和改善其组成材料，优化混凝 土的性能。 1 3 2 1 片面强调强度，忽视耐久性 混凝土( 抗压) 强度是混凝土力学性能的考核指标和工程验收标准。一 般地说，混凝土的强度越高，其结构越致密，抵抗外界因素，例如环境作用、 化学侵蚀、磨蚀或其他各种破坏过程的能力越强，即混凝土的强度越高，混 凝土的耐久性越好。这从理论上讲是正确的，然而，实际情况并非如此，尽 管高早强混凝土比以往的混凝土更加密实，却又带来了新问题一一开裂，裂 纹对耐久性是致命伤害。混凝土结构一旦出现裂缝( 纹) ，就有可能由于冻融、 化学腐蚀和其中的钢筋锈蚀等使混凝土的质量劣化。而且混凝土强度提高的 同时，混凝土的弹性模量也相应提高，使混凝土内应力进一步增长，因此高 早强混凝土往往比中等强度和低强混凝土更容易开裂。可见，混凝土的强度 过低固然对耐久性不利，但过高也会给耐久性带来风险i z 。 十多年前出现的高性能混凝土( h p c ) 发展至今，虽然对其涵义或其定义 尚无完全一致的观点，但要求其具有高耐久性，却是全世界一致的看法 2 8 1 ， 而对是否高强却持不同意见，此外，我国的混凝土专家建议应在我国发展 c 2 5 c 3 0 的h p c i 2 9j ，这都足以说明强度虽然与耐久性关系密切，但高强并 不一定就有高耐久性。 第一章绪论 图1 i 混凝土耐久性的主要内容 f i g1 1p r i m a r yc o v e r a g eo fd u r a b i l i t y 一一一 一 一一一 一一 一一一 一 一 法一鹏张 次 ( 次 层 秘 层 料 诣 构 一 一 一 第一章绪论 混凝土的强度固然重要，但不能片面强调强度，忽略耐久性。单纯考虑 强度已不适应当前的发展需要，所以现在提出了高性能混凝土的概念，如何 综合提高混凝土的各项性能，从而达到高耐久性的混凝土是现代混凝土技术 研究的热点。 1 3 2 2 使用环境对混凝土耐久性的影晌 混凝土技术的迅速发展，也使混凝土的应用范围不断扩大。现在，混凝 土不仅仅应用于工业与民用建筑、桥梁、道路等土木工程建筑和结构物，而 且在一些特殊的混凝中也广泛应用，如海上平台、盐区道路等。这些使用环 境往往比一般地区的介质条件更为严酷，对混凝土的侵蚀、破坏作用更强， 而且造价十分昂贵。因此，外部环境对混凝土耐久性的影响是人们长期研究 的课题。 外部环境对混凝土的损害可以分为两类：化学侵蚀和物理侵蚀。 ( 1 ) 化学侵蚀 令碳化 混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使 其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。 混凝土碳化的主要化学反应式如下： c d 2 + 马d 呻c d 3 ( 1 1 ) c a ( o 奶2 + h 2 c 0 3 专c a c 0 3 + 2 h 2 0 众所周知，埋置于新浇混凝土中的钢筋不易锈蚀是因为新浇混凝土具有 强碱性，钢筋在高碱环境下，表面形成致密稳定的y f e 2 0 3 钝化膜，钝化膜 阻止了氧气和水分于钢筋直接接触，而碳化则会降低混凝土的碱度，破坏钢 筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带 来不利的影响。 n i s h i 、阿列克谢耶夫等都建立了混凝土碳化的理论公式【3 1 3 2 】，但其中 一些参数一般很难测定，工程上一般采用如下的碳化公式： d ：k 小 d = n r 形 ( 1 2 ) 。 f 1 式中，l 卜一为碳化系数，他体现了混凝土的抗碳化能力； d 1 ，d 2 一一分别为混凝土的碳化深度； t l ，t 2 一一为测定d l 和预测d 2 时的碳化时间 同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂 缝和结构的破坏。所以说，混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是 衡量钢筋混凝土结构物可靠度的重要指标。 夺硫酸盐侵蚀 固态化学物质基本上不侵蚀混凝土，而一些化学溶液在浓度高于一定值 第一章绪论 时，对混凝土的性能有显著的不良影响，硫酸盐就是一种。 泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏， 使混凝土破坏。 其发生反应式主要有： c a ( o h ) 2 + n a 2 s 0 4 1o h 2 0 一 c a s 0 4 2 h 2 0 + 2 n a o h + 8 h 2 0 硫酸盐溶液和水 产生体积膨胀， ( 1 3 ) 这种反应在流动水中可以一直进行，直到c a ( o h ) 2 完全被反应掉，但如 果n a o h 被聚集，反应可以达到平衡，只有部分沉淀成石膏，从氢氧化钙转 变到石膏，体积要膨胀为原来的两倍，从而产生膨胀力，使混凝土出现裂缝， 甚至破坏。 碱集料反应( a a r ) 水泥中的碱和混凝土中的活性氧化硅发生反应，生成碱一硅酸凝胶并吸 附水产生膨胀压力，致使混凝土开裂的现象称为碱集料反应( 简称a a r ) 。 碱集料反应俗称为混凝土的“癌症 ，这是因为该反应一旦发生，该混 凝土将很难修复，整体结构功能将遭到破坏。在许多国家已经发现了由于碱 集料反应造成的开裂，包括美国、加拿大、丹麦、德国、日本、南非和英国。 有些受碱- 集料反应影响的结构已得到修复：由后张法增强的结构包括j e r s e y 的的v a l d e l am e r e 水坝和日本支撑高架电车道的一个桥墩，在英国p l y m o u t h 的c h a r l e sc r o s s 停车场通过加入双联柱和边梁系统而增强，在南非重修了受 影响的部分港口结构【如j 。 碱集料反应目前可分为碱硅酸盐反应和碱碳酸盐反应两种。碱集料 反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的可溶性碱和混凝 土空隙中及集料中能与碱反应的活性成分在硬化混凝土中逐渐发生的一种 化学反应。必须同时具备如下三种条件才能发生碱集料反应对混凝土结构造 成损坏：一是水泥中碱含量高，以当量n a 2 0 计，大于1 5 ，( 国家规定：水 泥中碱含量应低于0 6 ) ，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境：二是骨料 中夹含活性s i 0 2 成分；三是潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所需要的水 分。三者缺一都不可能发生碱集料反应。 混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破 坏，如空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快， 而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，又会使裂缝扩大；若在 寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这样就造成了混凝土工 程的综合性破坏 今钢筋锈蚀 混凝土在一种或多种外界作用下，材料的耐久性能会发生衰退，而逐渐 失去了对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等 情况，钢筋失去了碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋 不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件 第一章绪论 的承载能力和使用性能。 钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接因素，目前对 影响钢筋锈蚀的因素、锈蚀钢筋材料性能的变化、钢筋锈蚀的防护和检测等 各方面均有较多的研究【3 3 35 1 。一般认为钢筋锈蚀是一电化学过程。其化学反 应原理为： f e f e + 2 + 2 e 。阳极反应 1 0 2 七h 2 0 + 2 e 一2 0 h 阴极反应 ( 1 - 4 ) z 综合起来可以写成： 1 f e + 0 2 + h 2 0 一f e ( o h ) 2 z 1 1 f e c o h ) 2 + 寺0 2 + 0 2 - - f e ( o h ) 3 ( 1 5 ) t 即在水和氧存在时，钢筋个别部位发生氧化反应生成铁的氧化物或氢氧 化物，同时有的部位发生还原反应产生o h 离子，这样便在钢筋中建立起一 些微电池，如此电极反应持续进行，则钢筋将逐渐被腐蚀掉，生成的铁的化 合物由于体积的增大而使混凝土产生沿钢筋的开裂。 ( 2 )物理腐蚀 磨蚀与空蚀 在某些环境下使用的混凝土，如路面、水工结构等，会受到车辆、行人 及水流夹带的泥砂的磨蚀，使混凝土表面骨料突出。混凝土的抗磨性能取决 于水泥石的抗磨性。一般来说，混凝土的抗压强度越高，其抗磨性能越好。 不含固体粒子的水平行界面快速流动时，界面形状的任何变化都会引起 水流分股并在界面形成低压区如果水流的静水压力小于水的蒸汽压，在这 一区域内就会产生气化泡。当气泡流到静水压力大于水的蒸汽压的区域时， 蒸汽在气泡内冷凝，气泡会突然崩塌，对混凝土表面产生冲击，这一过程称 为空蚀，结果形成类似坑蚀和洞穴的破坏。 热应力 在各种类型的混凝土结构中，由于存在温度的差异，混凝土内部产生热 应力，由此引起混凝土的开裂。这类破坏在大体积混凝土中较为常见，必须 考虑。另外，水泥浆体和骨料这间因热膨胀系数不同能引起高的内应力，在 温度变化大的条件下，可能发生危险。 抗冻性 混凝土在大气中遭受冻融破坏的机理还未完全研究清楚，理论上有静水 压假说、渗透压假说等，但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今还无公认的、 完全反应混凝土冻害的机理理论【3 6 】。 混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细多孔体。在拌制混凝土时，为 了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多余的 水，便以游离水的形式滞留于混凝土中，形成连通的毛细孔，并占有一定的 体积。这种鼍细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇 冷冻结冰会发生体积膨胀，墨l 起混凝土内部结构的破坏。应该指出的是，在 正常情况下，毛细孔中的水结冰并不至于便混凝土内部结构遭到严重破坏， 因为混凝土中除了琶细孔之外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔和其他原 因形成的毒毛细孔，这些孔隙中常混有空气。因此，当毛缨孔中的水结冰膨 胀时，这些气孔能起缓冲作用，即能将一部分未结冰的水挤入胶凝孔中，从 而减小膨胀压力，避免混凝土内部结构破坏。但当处于饱和水状态时，情况 就完全两样了，此时毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态。因为混 凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低，胶凝孔中形成冰核的温度在7 8 以下。胶凝孔中处予过冷状态豹水分子因为其蒸汽压高子阕湿度下冰豹蒸 汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压 力。此外，胶凝水向毪细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。 由此可见，处予饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗 透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂 在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐降低，最 后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。混凝土的抗冻性与其内部孔 结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因素有关，其中最主要 的因素是它的孔结构。丽混凝的孔结枣每及强度又取决于混凝土的水灰沈、 有无外加剂和养护方法等。混凝土结构常用的几种抗冻措施有：掺用引气剂、 减水剂或引气减水剂；严格控制水次比，提离混凝土密实度；加强早期养护 或渗入防冻剂，防止混凝翠期受冻。 影响引气剂提高混凝土抗冻融侵蚀能力的因素有空气的体积浓度、气泡 尺寸、气泡间隔和气泡的比表面积，但并不是所有引入混凝土中的空气均能 提高混凝土的抗冻融侵蚀能力。除了高粉煤灰和矿渣掺量的水泥外，同强度 等级的引气混凝土的抗冻融侵蚀性能与胶凝材料种类无关，而对于同强度等 级非弓| 气混凝土，波特兰水泥混凝的抗冻融侵蚀能力最高。 受冻融循环作用而破坏的混凝土一般表现出表面疏松、剥落、骨料外露， 甚至露筋等现象。对于位于寒冷地区的混凝土建筑物，特别是处于干湿交替 环境串的结构，如承壤、桥墩、涵洞等工程，经常盘于冻融循环丽发生耐久 性破坏，不能达到设计的使用寿命。混凝土抗冻耐久性不足的后果也相当严 重的。1 9 8 5 年水电部的一项调查报告表明我国水工混凝土结构的冻融破坏情 况在搿三北帮地区的工程中占1 0 0 ，这些大型工程一般运行3 0 年左右，有 的甚至不到2 0 年。如云峰重力坝，运行1 9 年后下游面受破损显著，表面剥 蚀露出骨料总面积约8 5 0 0 m m 2 ；丰满重力坝囱从运行蜃，就年年维修，运行 3 5 年后，上、下游水面及尾水闸墩破损明显，表面路出钢筋，冻融损伤严重， 致使坝顶抬高l o 余厘米彤1 ，水电部的报告还表明，冻融破坏问题不仅存在 于搿三北 地区，而且在气候比较温和但冬季也有冰冻现象的华东、华中和 华北等地区也广泛存在，多见于中小型水工混凝土建筑物。港口码头工程， 特别是接触海水的工程，其受冻现象受| j 更为严重，破坏结构主要是防波堤、 第一章绪论 码头、栈桥等。地处寒冷地区的道路、桥梁和市政工程的混凝土结构，也经 常发生冻融耐久性破坏哈尔滨工业大学在1 9 9 8 年调查了我国北方某国际 机场使用数年的混凝土停机坪，发现混凝土道路面多数出现剥蚀剥落破坏， 严重影响飞机的正常安全起降。后经分析得知是由于混凝土遭受冻融和除冰 盐侵蚀双重作用所致，。北京、天津等地的钢筋混凝土立交桥，即使没有在 冬季常撤盐化雪，使用时间不长却由于冻融循环的作用，使混凝土逐渐疏松， 降低了混凝土对钢筋的保护作用，结果是出现广泛的钢筋锈蚀和混凝土顺筋 胀裂的破坏现象口9 1 由此可见，混凝土的抗冻性对水利工程，尤其是北方寒冷地区水利工程 的耐久性十分重要。而且，混凝土的抗冻性还是混凝土耐久性中一个非常重 要的方面，在很长的一段时间内，国内外在评价混凝土的耐久性时常以混凝 土的抗冻性作为主要指标或综合指标，甚至有的称混凝土的抗冻性试验为耐 久性试验。鉴于混凝土抗冻性的重要性，本文便以混凝土的抗冻性为研究的 主题，研究混凝土冻融循环的机理和破坏过程，以期待能够达到预测混凝土 抗冻耐久性的目的。 1 4 混凝土的抗冻耐久性 1 4 1 混凝土的冻害机理 混凝土的抗冻性是对国民经济具有举足轻重的课题，特别是对我国三北 地区，由于气候等各方面的原因，更具有科学价值但就目前的情况来看， 理论研究还不够深入，很多研究者和施工单位只是以经验公式来解决实际问 题。早在5 0 年代，国际上就已有批评意见，t c p o w e r s 甚至称为“提供一 幅歪曲的图像，【40 1 。但也应指出，近年来，国内外也开始注意这方面的研究。 对混凝土抗冻耐久性的准确预测应基于对混凝土冻害机理的深刻认识。 关于混凝土冻害机理的研究起始于2 0 世纪3 d 年代，各国的科学家都作了大 量的工作4 0 年代，美国的p o w e r st c 开始深入研究水泥净浆结构及其物 理性质，他对混凝土的抗冻性做出了深入、独到的理论研究，在冻害机制方 面提出了冻胀压和渗透压学说，经过其不断的完善，其理论到五六十年代逐 渐形成完整的体系多年来，在国际学术届受到普遍的重视，被反复引证， 至今，此理论还是最有影响力的理论尽管由于混凝土冻害问题的复杂性， 人们至今还为彻底弄清其机理，但提出的一系列假设，已经在很大程度上指 导了目前混凝土材料的研究和工程实践。 1 4 1 1 静水压假说。4 3 1 1 9 4 5 年，p o w e r s 提出了混凝土受冻破坏的静水压假说。此假说认为，在 冰冻过程中，混凝土中的部分孔溶液结冰膨胀，而多余未结冰的水受水压力 第一章绪论 推动向附近气泡排除时，材料本身将受到推移水分前进的反作用力，因而产 生静水压，形成破坏应力。当含水量超过某一临界饱和度时，就会在冰冻过 程中发生这样的流动。水压力的大小一方面取决于材料组织、多孔性与渗透 性：另方面和出口远近，即最临近逃逸空间的位置有直接关系。对于冰冻破 坏最具有决定意义的是其相邻气泡的距离，即材料内孔隙大小及其位置分 布。 为了模拟水压力的作用，p o w e r s 提出了密闭透水容器模型，假设器壁是 饱和的