（材料学专业论文）苏通大桥连续刚构梁高性能混凝土制备技术与耐久性研究.pdf

摘要 摘要 钢筋混凝土构筑物的破坏往往不是设计不安全所致，而是由于混凝土的质量问题。混凝 土就是钢筋骨架的保护伞，一方面能支撑承重，另一方面能保护钢筋防止锈蚀。当这第一道 防线被突破后。即便是再牢固的结构也变得不可靠。目前在混凝土的配制技术上，强度已不 再是难题，园此高性能混凝的耐久性显得尤为重要， 本文结合苏通长江大桥的工程建设，提出高性能混凝土综合设计法，以抗裂性为前提， 耐久性为主导，制各出满足连续刚构梁设计与施工要求的高性能混凝土，并系统地概括了高 性能混凝土的制各工艺。同时研究了矿物掺合料种类及其掺量对高性能混凝的工作性、力 学性能、抗渗、抗冻，碳化和氯离子扩散系数等的影响，并重点研究了对混凝护筋性的影 响规律。 试验结果表明，所制备的连续剐构粱c 6 0 高性能混凝土工作性良好，力学性能均满足 设计指标，抗渗等级达到p 1 4 ，抗冻等级达到f 1 0 0 ( 快冻法) ，碳化寿命达到百年以上，氯 离子扩散系数小于4 o 1 0 4 2 m 2 s ，具有优良的耐久性。 掺入适量i 级粉煤灰或s 9 5 级矿渣徽粉，既能满足结构对混凝土的安全性要求，又改善 了混凝土的工作性，降低了混凝土的氯离子扩散系数。混凝土渗水高度、抗碳化能力和抗冻 性随着粉煤灰掺量的增加有所下降；适量粉煤灰的掺入能降低混凝土的收缩值，提高抗裂性。 利用加速腐蚀仪研究掺合料对钢筋表面氯离子临界浓度或临界【c r o h 值的影响，结果 表明，对比混凝临界氯离子浓度为0 4 9 ，矿物掺合睾喜的掺入降低了该临界浓度，并随着 掺合料的增加而降低，掺3 0 粉煤灰或4 0 矿渣微粉的临界浓度下降至0 3 8 ；双掺2 0 粉煤灰和2 0 0 , , 矿渣微粉，临界值降至0 3 6 左右。对比混凝土i 晦界 c r o h l 值为0 6 6 ，掺入 矿物掺合料后，此值有所降低，掺2 0 - - 3 0 的粉煤灰试件的临界比值在o 6 2 左右，掺入4 0 矿渣微粉后为0 5 l ，双掺的临界比值为o 5 6 - 矿物掺合料改善了砂浆的孔结构，降低了总孔隙率，减少了有害孔含量并细化了孔径。 掺粉煤灰相比掺矿渣的情况，虽然总的孔障率较大，但在孔径分布上更趋于小孔。 本论文研究成果在苏通大桥连续刚构粱的施工中得到了成功的应用。实践表明，所制各 的连续刚构粱c 6 0 高性能混凝土具有良好的工作性、力学性和耐久性，为满足设计服役寿 命打下坚实鹩根基。 关键词：高性能混凝土粉煤灰矿渣抗渗碳化干湿交替氯离子扩散护筋性氯 离子临界浓度孔结构 东南东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a i lm o s tr e i n f o r c e dc o n c r e t eb u i l d i n g sa r en o td e s t r o y e db yd e s i g n sb u tt h e c o n c r e t e sq u a l i t y c o n c r e t ei sa l lu m b r e l l ao fs t e e lf r a m e o n es i d e i tc o u l ds u p p o r t t h ew e i g h to fb u i l d i n o nt h eo t h e rs i d e ，i tc o u l dp r o t e c ts t e e l sf r o mc o r r o s i o n w h e n t h ef i r s td e f e n c el i n ew a sb r o k e nt h r o u g h , 1 1 0s t r u c t u r e sw o u l db e c o m er e l i a b l ea n y m o r e a tp r e s e n t ，s t r e n g t ho f c o n c r e t eh a s n tb e e nai c c h n o l o g i cp r o b l e m ，s od u r a b i l i t y o f c o n c r e t ew i l lb em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t m sr e s e a r c he o m b i n e dw i t hc o n s t r u c t i o no fs ut 0 n gl o n gr i v e rb r i d g e i nt h i s r e s e a r c h , am i xd e s i g nm e t h o dw h i c he m p h a s i z e do nd u r a b i l i t ya n dc r a c kr e s i s t a n c 七 w a sp u tf o r w a r d t h eh p cp r e p a r e da c c o r d i n gt ot h i sm e t h o dc o u l dm e e tt h e e n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e n tr e q u i r e m e n t a n dp r e p a r a t i o nt e c h n i q u e sf o rm c w a s g a t h e r e du pb yt h en u m b e r s i tw a sa l s or e s e a r c h e dt h a tt h ee f f e c tt om e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e 、p e r m e 曲i l i t y 、f r o z e n t h a wr e s i s t a n c e 、c a r b o n i z a t i o n 、c h l o r i d ed i f f u s i o n t o e 伍c i e n ta n dc h a r a c t e rt op r o t e c tr e i n f o r c e m e n tc a u s e db yd i f f e r e n tv a r i e t i e sa n d a m o u n to f m i n e r a lm i x t u r e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：h p c $ p r e p a r e dh a dg o o dw o r k a b i l i f i e s t h e i rm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l 埘c o u l dm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t p e r m e a b i l i t yg r a d ec o u l da c h i e v e t op 1 4 ；f r o z e n - t h a wr e s i s t a n c eg r a d ec o u l da c h i e v et of 1 0 0 ；l i f eo f c a r b o n i z a t i o nc o u l d b eb e y o n d1 0 0y e a r s ；c h l o r i d ed i f f u s i o nc o e 伍c i e n tc o u l db el e s st h a n4 o x10 - 1 2 m 2 s p r o p e ra m o u n to f h i g hq u a l i t yf l ya s ho rs l a gc o u l dm e e tt h es a f e t yr e q u i x m n e n to f s t r u c t u r e ， i m p r o v ec o n c r e t ew o r k a b i l i t y , a n dr e d u c ec m o f i d ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t n ep e r f o r m a n c eo f p c r m e a b i l i t y 、f i o z e n - t h a wr e s i s t a n c ea n dc a r b o n i z a t i o nw a sd e c r e a s i n gb yi n c r e a s i n g a m o u n to ff l ya s h a n df l ya s hc o u l da l s or e d u c ec o n c r e t e ss h r i n k a g e ，i m p r o v ec r a c k r e s i s t a n c e e 疵c to fm i n e r a la d m i x t u r eo nc r i t i c a lc h l o r i d ec o n t e n to rc r i t i c a l 【c r o - r r a t i o w a ss t u d i e db ya c c e l e r a t e dr u s te q u i p m e n t i ts h o w nt h a tt h ec r i t i c a lc h l o r i d ec o n t e n tw a s 0 4 9 a n dc r i t i c a lf c r o h 3r a t i ow a s0 6 6i nr e f e r e n c e dm o r t a r ；m i n e r a la d m i x t u r er e d u c e d t h i st h r e s h o l d f r o mt h em e r c u r yi n t r u s i o np o r m e t e r ( m p ) ，m i n e r a la d m i x t u r eo p t i m i z e dp o r e d i s t r i b u t i o ni nm o r t a r , r e d u c e dt o t a lp o r o s i t ya n dt h ea m o u n to fh a r m f u lp o r e n e m o r t a rm i x e ds l a gh a dl o w e rp o r o s i t y , b u tm o r t a rm i x e df l ya s hh a db e t t e rp o r e d i s t r i b u t i o n 1 kr e s u l ta t t a i n di nt h i sr e a r c hw e r ea p p l i e ds u c c e s s 彻l yi i ls u t o n gb r i d g e c o n t i n u o u sr i g i df r a m e 孔ep r a c t i c ei n d i c a t e dt h a t ：c o n c r e t ep r e p a r e dh a dg o o d w o r k a b i l i t y 、m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dc r a c kr e s i s t a n c e a n dt h e s ew e r ei m p o r t a n t t or e a c hd e s i g n e ds e r v i c el i f e k e y w o r d s ：脚，cf l ya s h b l a s tf u r n a c es l a g p e r m e a b i l i t y c a r b o n i z a t i o nc h l o r i d e - d i f f u s i o n d r ya n d w e tc y c l e c b 翘急c t e ft op r o t e c tr e i n f o r c e m e n tc r i t i c a lc h l o r i d ec o n t e r l t p o r o s i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 4 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 混凝土是建筑工程中最主要的结构材料，钢筋混凝土结构也是世界上应用最广泛的结构 形式。混凝土能防水，初期费用相对较低，但是当它在使用周期内丧失了致密性，就难免要 经历一种质变。钢筋混凝土构筑物的破坏往往不是设计不安全或缺乏强度所致，而是由于混 凝土的质量问题。钢混结构被人们所认可的安全度是建立在以钢筋为骨架基础上的，混凝土 一方面能起到承重的作用，更重要的一方面是能保护钢筋防止锈蚀。混凝土就是钢筋骨架的 保护伞，当这第一道防线被突破后，即便是再牢固的结构也变得不可靠。目前在混凝土的配 制技术上，强度已不再是难题，因此混凝土的耐久性就显得尤为重要。对于钢混结构耐久性 的全盘处理，必须对结构设计、材料选择、配合比设计以及能够保护混凝土结构在外露环境 的施工方法。都给予同样的重视1 1 j 。随着我国基础建设步伐的加快，每年都有大批国家重点 工程相继开工，如江苏南京地铁、滤扬长江公路大桥、苏通长江公路大桥等。在这些重大工 程中，高性能混凝土的配制与应用，特别是混凝土的耐久性问题得到了广泛关注。主体部位 应用高性能混凝土，以提高施工性能和结构的长期耐久性，延长构筑物服役寿命，这不仅大 大提高项目投资效益，而且功在当代，利及千秋，具有深远的经济效益和社会效益。 图1 1 对钢筋混凝土建筑物耐久性的全盘处理模式 苏通大桥是江苏省继江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥之后的又一座特大型 大桥，全长8 2 0 6 米。主孔跨度( 1 0 8 8 米) 、主塔高度( 3 0 6 米) 、斜拉索的长度( 5 8 0 米) 和群桩基础( 4 2 2 7 1 方) 四项居世界第一。苏通大桥主桥设计使用寿命为1 0 0 年，即在1 0 0 年内仅需一般维护而不需进行大修的期限。辅桥、引桥为6 0 年 按照c c e s 0 1 - 2 0 0 4 标准，江水中、土中及地表地下承中的化学腐蚀环境属b 级，个别 部位为c 级。苏通大桥环境作用等级按b 级( 轻度) 和c 级( 中度) 考虑，环境类别为一 般环境( 无冻融、盐度等作用) 的干湿交替环境( c 级) 和一般冻融环境( 无盐、酸等作用) 的微冻地区( 最冷月的平均气温为3 c 一2 5 ) 及混凝土高度饱水的环境( b 级) 。因此对于 苏通大桥各结构部位混凝土的设计关键技术分别为： ( 1 ) 对于承台大体积混凝土。以减少水化热、绝热温升和避免温度裂缝为主； ( 2 ) 对于墩身、索塔混凝土，在水下部位，混凝土经受淡水侵蚀、夹砂水流冲刷磨损；在 水位变动区以抗水流冲刷磨损、干湿交替、冻融循环作用为主，在空气中以抗腐蚀性氯离子 侵蚀和碳化为主；而且要考虑混凝土的外观质量。 ( 3 ) 对于粱板等预应力混凝土，以限缩阻裂、减少徐变和碳化、防止钢筋锈蚀为主。 苏通大桥连续剐构梁为预应力超长( 2 6 8 米) 超静定结构其腹部为薄壁结构，保护层厚 东南大学硕士学位论文 度最薄处仅达2 5 m m ，因此必须在保证工作性的前提下，要求确保高强度、混凝土收缩徐变小， 具有良好的抗裂性、抗碳化性、抗渗性和护筋性。 根据设计要求，连续刚构梁采用c 6 0 高性能混凝土，确保结构刚度：施工方案中确定 采用泵送混凝土。根据结构设计和施工技术要求，连续刚构梁混凝土的主要特点有以下几点。 强度要求高：设计要求连续刚构粱采用c 6 0 混凝土，c 6 0 泵送混凝土的技术虽然已经 成熟，但对于c 6 0 泵送超长结构，要保证混凝土质量、控制温差、预防开裂，仍有很多问 题需要解决，在水上混凝土搅拌船上生产混凝土并进行长距离泵送施工难度较大，各个 环节必须严格控制。 泵送距离长：水平管长度对于顺利泵送混凝土有重要影响，泵送难度越大，需要的水 平距离越长，苏通大桥连续刚构c 6 0 混凝土施工方案确定的水平泵送距离为2 0 0 m 。长距离 泵送要求混凝土粘聚性好、不离析、泌水小、可泵性好、坍落度经时损失小。 坍落度大、流动性好：连续刚构中预应力钢筋分布很密，不易振捣，要求连续刚构混 凝土坍落度大、流动性好，接近自密实混凝土，同时要求粗骨料最大粒径小( 不大于2 5 r a m ) 。 大流动性的混凝土必须保证其均匀性，要求混凝土不离析、不泌水。 体积稳定性高：连续刚构的结构特殊性，使得其既要考虑到大体积混凝土的温控抗裂， 又要考虑其薄板、薄壁结构的塑性开裂；同时，预应力结构要求其收缩徐交小，弹性模量 高，尽量减少预应力损失。 本文将结合苏通长江大桥的工程建设，对连续刚构粱c 6 0 高性能混凝土的配制技术和耐 久性进行系统研究。 1 2 研究现状 在人们的传统观念中总是认为钢筋混凝土结构是用最为耐久的混凝土材料浇筑而成，虽 然钢筋容易腐蚀，但有混凝土保护层，钢筋也不会发生锈蚀，咽此，对钢筋混凝土结构的使 用寿命期望值也很高，忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题。由于混凝土是脆性材料，静载 作用下极限拉伸约1 1 0 41 3 ，素混凝土在载荷作用下一旦出现裂缝，就会导致结构崩溃。 虽然钢筋混凝土大大改善了混凝土结构的韧性，但钢筋混凝土出现裂缝后，一些侵蚀质能通 过裂缝腐蚀钢筋，并加剧裂缝的发展，最后导致结构破坏。 根据1 9 9 5 年n c h r p 调查结果，r o g a l l a 等得出下列结论： ( 1 ) 早强混凝土典型特点就是水泥含量高，所以在水化作用初期收缩严重，产生更高的热 量，现代水泥都容易产生裂缝，因为现代水泥细度大，硫酸盐和碱含量高； ( 2 ) 一般来说，桥面是高强度混凝土造的，这类混凝土在初期具有高弹性模量因此受到 一定的温度变化或一定量的干燥收缩时，就形成高应力； ( 3 ) 美国有逾1 0 万座混凝土桥桥面的竣工一个月之内出现横向裂缝，大多数裂缝是热收缩 和干燥收缩共同造成的，并不是混凝土硬化过程中交通荷载或振动导致。 目前某些工程中所使用的防腐剂、钢筋环氧层等方法取得了一些成果，但费用普遍较高， 而且一但第一道防线混凝土的水密性遭破坏，那么即使采取了上述昂贵的措施，构筑物 的使用寿命也会大大减少。因此，未雨绸缪防患于未然，预防措施总是要比救治措施更有效。 影响混凝士耐久性的因素很多，包括内在因素和外部环境因素两个方面。内在因素主 要有混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种和用量、外加剂类型、结构、混凝 土和钢筋的应力大小、裂缝等。外部环境因素主要有气候、潮湿、高温、氯离子腐蚀、化学 介质侵蚀、冻融、磨损等。m e h t a e k 认为：混凝土破坏原因按主要性递降顺序排列是钢筋 锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。1 9 8 9 年出版的欧洲混凝土委员会耐 久混凝土结构设计指南确定了影响混凝土耐久性的因素与相互关系，也认为氯离子对钢筋 2 第一章绪论 的锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性的主要因素。2 0 世纪7 0 年代，美国等一些国家发现，2 0 世纪5 0 年代以后修建的混凝土工程设施，尤其是使用在恶劣环境下的混凝土桥面板结构， 出现病害甚至损害的现象比2 0 年前建造的结构还要严重。仅桥梁而言，5 7 5 万座钢筋混凝 土桥中有一半以上出现腐蚀破坏，4 0 e 承载力不足需要修复加固处理。美国标准局1 9 9 8 年 调查表明，美国全年各种腐蚀损失约为2 5 0 0 亿美元，其中混凝土桥梁修复费用为1 5 5 0 亿美 元。北欧、加拿大、澳大利亚都存在以氯盐为主的盐害，据瑞士联邦公路局统计，瑞士公路 系统约有3 0 0 0 座桥梁，每年用于桥面检测及维修的费用高达8 0 0 0 万瑞士法郎。日本目前每 年仅用于房屋结构维修的费用即达4 0 0 亿日元，大约2 1 4 的钢筋混凝土结构损坏是因为钢 筋锈蚀引起的。引以自豪的新干线使用不到l o 年就出现大面积开裂、剥蚀现象p 】。我国近 年每年耗费在混凝土结构上的费用为2 0 0 0 亿元以上。大量工程实践证明1 6 ”，国内钢筋混 凝土结构损坏的主要原因之一是北冻南锈。漫长的海岸线上的海港码头，广阔的盐碱地带以 及北方仍大量使用除冰盐的地区，都潜存盐害条件。对南方地区，钢筋的锈蚀是影响混凝：t 结构服役耐久性最重要的因素钢筋锈蚀的研究是钢筋混凝土结构耐久性研究的最重要内容 之一。要提高钢筋混凝土在氯盐环境中的耐久性，提高混凝土抗氯离子的渗透性是关键。因 此，加强混凝土结构耐久性研究，提高设计质量，延长结构使用寿命，是一个重要的现实课 题。 1 2 1 混凝土的耐久性与抗渗性 ( i ) 耐久性与抗渗性的关系 所谓耐久性好的混凝土是指在设计要求的条件下，经过长期使用而不损坏的混凝土混 凝土耐久性从广义上讲包括：大气对混凝土的腐蚀作用( 如乇湿，温度、冻融及碳化) i 渗 透水对混凝土的作用、碱活性骨料反应的作用、环境水侵蚀，磨损以及钢筋混凝土中钢筋的 锈蚀等。混凝土耐久性的优劣，其抗渗性常为第一道防线。渗透除指液体对棍凝土的渗透外， 还包括外界气体向混凝土内部的扩散或叫做“气渗”。混凝土渗透劣化的原因主要是：在水 饱和的条件下，混凝土中的氢氧化钙不断浸析，析出表面，或被水带走，或沉积于表面上， 蒸发后碳化，在内部造成孔隙；h 2 0 ；, 0 2 、c 0 2 ，a 及各种侵蚀性介质渗透穿过混凝土保护 层，导致钢筋锈蚀，使混凝士胀裂。 在混凝土中，渗透性是一个综合指标。它是指气体、液体或者离子受压力，：化学势或者 电场的作用。在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。混凝土渗透性与耐久性之间有着密 切的关系，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的抗渗性。例如，混凝土发生 硫酸盐腐蚀的必要条件是有水及腐蚀离子进入混凝土内部；发生碱骨料反应需要有水分的参 与；钢筋发生锈蚀破坏，需要有离子去破坏钢筋钝化膜或者二氧化碳气体破坏混凝土的高碱 性环境，以及有水分和氧气的参与；碳化反应需要有二氧化碳和水分的参与等。如果混凝土 抗渗性高，水分及有害离子渗透不到混凝土内部，就不致造成混凝土的损伤破坏。因此，混 凝土要获得高性能长寿命，必须具有高的抗渗性件。 ( 2 ) 高性能混凝渗透性的试验方法与评价 由于混凝土渗透性包括混凝土的透水性、透气性和透离子性等性能，故应该从这几方面 来评价混凝土渗透性。但透气性和透离子性的试验难度较大，且试验方法不太成熟；由于水 分在混凝土耐久性中起着关键作用，通常的混凝土只要具有较好的抗水性就能满足抗渗性要 求，而且水渗透性试验方法比较简单、可靠、直观。在我国，混凝土的渗透性试验方法采用 透水法，包括三种形式：抗渗等级法、渗透系数法及渗水高度法。但是在有抗气性和抗离子 性要求的场合，不能只考虑混凝土的透水性，还应该研究混凝土的透气性与透离子性；而且 对于高性能混凝土而言，由于它基本上不透水( 抗渗等级常常达到p 1 0 以上) ，故应该用其 它方法来研究和评价高性能混凝土的渗透性。对混凝土的抗渗性主要集中在研究氯离子扩散 东南大学硕士学位论文 方面。国际上常采用测定氯离子扩散系数法来检测混凝土的渗透性，并用以评价混凝土的耐 久性和使用寿命。 测试氯离子扩散系数的试验方法有如下几种： ( 1 ) 快速氯离子渗透试验方法，包括电迁移试验方法1 1 1 】、电阻技术、快速迁移试验方 法i l 司等。快速氯离子渗透试验方法具有持续时间短，在实验室可重复使用，操作简单等优 点。但也存在不少争议：a 由于跟电有关，所测得的数据不仅仅跟氯离子相关，而且受到 孔溶液中其他离子的影响；b 测试结束时离子的扩散并没有达到稳定状态等。 ( 2 ) 压力渗透技术l l ”，类似于压力水的渗透性。方法为：混凝土试件先用水预饱和， 然后放在试验装置上，试验必须保证四周完全密封，以免泄漏。将含有氯离子的溶液注入装 置，然后加压，加压至规定时间后，取出混凝土试件，测量氯离子渗透深度及含量。 ( 3 ) 盐溶液长期浸泡法，该方法是先将试件长期浸泡在含氯盐的溶液中，在通过切片 或钻孔取样。用化学分析方法得到不同扩散深度的氯离子浓度，然后用f i c k 扩散定律计算 出氯离子扩散系数。吴中伟先生1 1 4 j 认为，该方法最能反映工程实际情况，因而是一种最常 用的测定混凝土氯离子扩散系数的方法。不过该方法比较繁琐，且试验时间比较漫长。 混凝土耐久性设计的重要指标是电通量或氯离子扩散系数。中国土木工程学会标准 c c e s 0 1 - 2 0 0 4 混凝土结构耐久性设计与施工指南规定了用混凝土抗氯离子侵入性指标来 控制混凝土耐久性。混凝土抗氯离子侵入性指标见表1 1 。 表1 1 混凝土抗氯离子侵入性指标 1 2 2 钢筋锈蚀理论概述 混凝土中钢筋的锈蚀速度受很多因素影响，其中周围环境中对结构有不良作用的介质 ( 气体、液体、固体) 、湿度、湿度、冰冻等是影响钢筋锈蚀速度的外因：混凝土的强度等 级和质量，掺合料品种和掺量、碱度、外加剂的性能、保护层厚度等是影响钢筋锈蚀速度的 内因。 混凝士是一种多孔质材料，当采用波特兰水泥作胶结料时，在混凝土孔隙中是碱度很高 的c a ( o h ) 2 饱和溶液，其p h 值在1 2 4 以上溶液中还有k 2 0 、n a 2 0 ，所以p h 值可能会 超过1 3 2 。在这种介质条件下，钢筋表面氧化，生成一层厚度为( 2 6 ) x 1 0 。岬的水化氧 化膜y 一，如d ，n i l 2 0 i l ”，这层膜很致密，牢固地吸附在钢表面上，使其难以再继续进行 电化学反应。从电化学动力学角度看，钢筋处于钝化态，不发生锈蚀。因此，对于施工质量 好、保护层密实度高、没有裂纹的钢筋混凝土结构物，如能长期保持钢筋链子钝化态，鄂使 处于不利环境，钢筋也不致锈蚀。然而，钢筋表面的这层钝化膜，由于混凝土与大气中的 c c h 作用( 碳化) 或与酸类的反应而使孔溶液p h 值的降低或者氯离子的进入而遭破坏，钢筋 由钝化态转为失钝态，就会开始锈蚀。也就是说碳化、酸性介质侵蚀和由氯离子引起的电化 学腐蚀是混凝土结构中钢筋锈蚀的三个主要原因，其中由氯离子引起的钢筋锈蚀被认为世界 范围内钢筋混凝土结构破坏的首要原因。钢筋钝化膜的破坏( 或称去钝化) 是混凝土中钢筋锈 蚀的先决条件，而诱导钝化膜破坏的原因主要是保护层的碳化和氯离子通过混凝土保护层渗 4 第一章绪论 透到钢筋表面由上述钢筋锈蚀的机理及其过程可知钢筋锈蚀的必要条件为 ( 1 ) 钝化膜的破坏； ( 2 ) 存在电位差； ( 3 ) 有0 2 和h z o 的存在； ( 4 ) 有电通路存在。 氯化物引起钢筋锈蚀过程是一个电化学过程，钢筋在水分和氧气的存在下，会产生原电 池作用而遭到腐蚀。在水泥水化的高碱性环境中，有钝化膜的保护不易被腐蚀。研究表明【】“， 只有当碱度p h 1 1 5 时钝化膜的保护作用才是稳定的。当p h - - - 4 0 7 o 2 3 o 5 2 5 0 6 0 4 - 5 3 6 2 8 8 3 3 8 5 8 0 1 6 8氯离子含量，0 0 60 0 4 3 ( 2 ) 耪煤灰 采用镇江苏源i 级粉煤灰，粉煤灰的化学成分与性能铡试分别依据g b l 5 9 6 9 1 和 g b t 1 7 6 - 1 9 9 6 进行，试验结果见表2 4 、表2 5 。 表2 4 苏源i 级粉煤灰的性能 表2 5 苏源i 级粉煤灰的化学成分 s i 吼 a 1 2 0 ，f e 2 0 ， c a o m g os qk 2 0 n 如0 l o s s 5 4 8 82 6 ，8 964 94 7 71 3 11 1 6 1 0 50 8 8l0 2 ( 3 ) 矿渣微粉 采用江南粉蘑公司的$ 9 5 级矿渣，物理性能测试依据g b r 1 8 0 4 6 - 2 0 0 0 进行，试验结果 见表2 6 3 4 5 6 7 兰三兰! ! 塑墨! 竺堕丝壁望鳖圭盟型鱼垄查 壅! ：! 鎏堕! ! ! 丝芏鎏塑竺里竺丝 序号测试内容 s 9 5 级标准指标铡试结果 l 流动度比 9 09 9 6 2 烧失量 3 01 2 3表观密度( k g m 9 2 8 0 0 2 8 5 0 4 比表面积( n o 0 一3 5 0 4 1 0 5含水量 l0 6 6s o | 肋 30 3 72 8 d 抗压强度比 9 59 6 1 ( 4 ) 细集料 采用赣江中砂，砂的测试依据g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 进行，试验结果如表2 7 所示 表2 7 砂的性能 序号检测内容标准指标测试结果 i 表观密度( k g m ) 2 5 0 02 6 1 0 2 堆积密度( k g m ) 1 3 5 0 1 5 6 3空隙率 4 4 0 4细度模数2 3 2 7 5泥含量 1 00 5 6泥块含量， 1 0 0 5 7有机物含量合格 合格 8碱集料反应合格合格 ( 5 ) 租集料 采用镇江茅迪石灰岩碎石，5 2 5m 连续级配，石子性能测试依据g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 2 进 行。试验结果见表2 8 表2 8 碎石的性能 序号检测内容标准指标 测试结果 表观密度( k g n p ) 堆积密度( k g m ) 空隙率， 颗粒级配 最大粒径m s 含泥量瞄 泥块含量厅 碱集料反应 压碎值， 2 5 0 0 1 3 5 0 4 7 连续级配 2 5 确定水灰比 水灰比是整个配制混凝土过程中的核心参数j 它是控制混凝土质量的重要途径。混凝土 的安全性和耐久性都与水灰比息息相关。水灰比既是混凝土强度等级最重要的控制渠道，又 是影响混凝土中氯离子扩散速度的一个重要因素。随着水灰比的增加，混凝土强度下降，氯 离子的扩散速度增大j 。但水灰比过低，会导致大量胶凝材料来水化，后期继续水化将对 混凝土产生膨胀应力，对结构将产生破坏作用，导致混凝土的强度和耐久性降低。随着永灰 比的增大，未水化水泥减少，其后期水化对混凝土的损伤作用也大大降低，但是增大水灰比 将会显著降低混凝土的强度。 根据水灰比原则，在一定范围内混凝土抗压强度与灰水比成正比，减小水灰比，混凝土 抗压强度和体积稳定性提高。影响混凝土抗压强度的因素很多，其中水灰比是其主要因索， 对c 4 0 以上的高性能混凝土要求w b 兰o 4 0 、( w c0 4 2 ) 。试验与经验表明：水灰比越 小。相应的混凝土强度越高，用降低水灰比的方法来提高混凝土强度是一种有效的途径，因 此以抗压强度确定水灰比是合理的。但为保证混凝土的抗裂性能，水灰比应适当，不宜过小。 w i c 可由式( 2 一z ) 或( 2 - 3 ) 确定。 对碎石混凝土：( w 佗) 卸4 6 岛，( 岛。十0 4 6 叼0 7 + k ) ( 2 2 ) 对卵石混凝土：( w c ) = o 铝k ( 岛p + o 4 8 * 0 3 3 ) ( 2 - 3 ) 式中为水泥的2 8 d 抗压强度岛p 为配制强度： 基于混凝土的耐久性考虑，c c e s o i 一2 0 0 4 中同时限定了最大水灰比和最小水泥用量。 最大水灰比( w b ) 。 最小水泥用量气 ( w b ) 一= o 7 5 - 0 0 5 h ( 2 4 ) c m = 2 7 5 + 2 5 ( h + i ) ( 2 5 ) 式中h 一耐久性等级，耐久性分为a f 六个等级，h 则对应分别取l “；i 配筋情况， 有钢筋i - - - 1 。反之为0 ； 对低强度等级混凝土，当计算( w c ) ( w ，c ) 。取( w c ) = ( w c ) 一； 当 计算出的c o 缸时，取c o = c m 。；对高强度高性能混凝土，应同时控制用水量和水泥用 1 4 第二章刚构粱c 6 0 高性能混凝土的制各技术 景，因为高水泥浆量会带来高的水化热、高坍落度损失、大的塑性收缩和干燥收缩及低弹性 模量，对耐久性不利。根据c c e s 0 1 2 0 0 4 标准，设计使用年限1 0 0 年，环境作用等级d 级 时，最大水胶比为0 4 0 ，最小胶凝材辩用量为3 4 0k m j 。 ( 3 ) 确定单位用水量 根据低用水量原则，在满足工作性条件下应尽量减少用水量。影响单位用水量的因素主 要有混凝土拌合料的工作性，粗集料的品种，表面状况和最大粒径、细集料的粗细程度( 以 细度模数m x 表示) 。 单位用水量与坍落度t ，石子的最大粒径d ，砂子的细度模m x 关系为： 对碎石混凝土： w 庐1 6 4 5 0 4 0 5 0 t - 7 5 0 m x v e 8 1 5 9 1 d 对卵石混凝土：w 庐1 6 6 + o 觚：7 。5 0 m x + 4 0 0 0 0 d 也可从模型( 图2 1 ) 中也可以计算出单位用水量v 。 圪= ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ( 2 - 8 ) 式中：a 、y 分别为粉煤灰、矿渣、硅灰的体积掺量；p 。，p p n 、p 一分别是 粉煤灰、矿渣、硅灰的表观密度。 c c e s 0 1 2 0 0 4 中限定高性能混凝土单位用水量要求不大于1 6 0 k g m 3 ，因此基于混凝土 耐久性考虑，应选取较小的用水量。 ( 4 ) 确定水泥用量及掺合料用量 根据低水泥用量原则，在满足混凝土工作性和强度条件下应尽量减小水泥用量，这是提 高混凝土体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。当确定了单位用水量- 和水灰比，水泥用量 可按下式计算： c 商 ( w c ) ( 2 - 9 ) 水泥用量不宣过多，太多将会使骨科的含量相对减少。会对混凝收缩、水化热及耐久 性等产生负面影响，一般高性能混凝土应将胶凝材料总量控制在5 0 0k g n s 以内。 在新拌混凝土中，浆体具有双重作用，它既可以使骨料颗粒相互分开，防止产生点与点 接触，使它们在离散状态下保持在一起；又可以作为骨料颗粒间的润滑荆，增加新拌混凝土 的塑性变形能力。因此，浆体本身的稠度及其含量是决定混凝土工作性的重要因素。大量研 究表明，高质量的矿物掺合料能改善新拌混凝土的工作度。粉煤灰的颗粒呈球形，且表面光 滑、质地细密 硅灰颗粒非常细，加入适量的硅灰能填充水泥颗粒之间的空隙，起到阻止水 泥颗粒凝聚的效果。矿物掺合料能控制坍落度损失，还能起到提高新拌混凝土的内聚性和稳 定性，减少泌水和离析，有利于泵送施工：而且混凝土轴向抗拉强度有随粉煤灰掺量增加而 增高的趋势”q ，这对提高混凝土的抗裂性有利。 掺合料用量是根据其活性决定的。一般对水泥的取代分为超量取代、等量取代或欠量取 代，对优质粉煤灰而言，一般采用超量取代，以1 2 - i 5 k g 的粉煤灰取代i k g 的水泥，但取 代量不宣过多，否则会导致强度不足。适量的取代，只是早期强度较低，而2 8 d 强度不致下 降，且后期强度将超出相应的不掺粉煤灰的混凝土。超量的粉煤灰体积由砂子来平衡，而石 子用量不变。对矿渣微粉采用等量取代，对硅灰采用欠置取代。 东南大学硕士学位论文 用m 来表示掺合科掺入的质量百分率，掺量用m 表示，则 m = m g( 2 一l o ) 设等效取代系数为k ，其取值见表2 2 ，则水泥用