（材料学专业论文）低成本高性能混凝土（lchpc）的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文以“十五攻关”课题为依托，对混凝土的工作性、物理力学性能、耐久 性能进行了系统实验研究，通过与微观结构测试相结合，应用材料组成、结构 与性能的规律，考虑生产成本并结合工程应用，提出低成本高性能混凝土 ( l c h p c ) 配制的设计原则与技术路线，为l c h p c 的设计、应用提供了重 要的理论与技术支撑。 通过对影响混凝土工作性、力学性能、耐久性、生产成本的因素分析，指 出混凝土化学外加剂的兼容性、体积稳定性、耐侵蚀能力是l c h p c 配制的关 键，提出了l c h p c 配制原则和技术路线。 在研究了化学外加剂、矿物掺合料与水泥兼容匹配关系的基础上，指出不 同矿物掺合料对混凝土的体积稳定性( 热稳定性、化学收缩、干缩、开裂敏感 性) 的影响不同粉煤灰掺量达到3 0 ，矿粉在4 0 6 0 改善体积稳定性， 硅狄恶化了体积稳定性。氯离予侵蚀是影响混凝土结构安全性最重要因素之一， 不掺加任何矿物掺合料，氯离子渗透电量一般大于2 0 0 0 库仑；粉煤灰掺量在 3 0 4 0 ，渗透电量达到8 0 0 库仑；矿粉掺量在6 0 左右，渗透电量达到5 0 0 库仑，并具有较高的综合性能：硅灰可以改善混凝土氯离子渗透能力，但恶化了 混凝土工作性。同时粉煤灰、硅灰还可以抑制硫酸盐侵蚀及碱集料反应；此外， 分析了混凝土中含气量、胶凝材总量等与混凝土抗冻性的关系。并且，根据相 应影响因素对混凝土耐久性寿命进行了预测。 应用s e m 、m i p 等测试手段，研究l c h p c 组分、结构与性能之间的影 响规律，矿物掺台料的活性、填充等效应，降低了混凝土结构孔隙率，细化了 孔径，减小了c h 晶粒尺寸及定向结晶几率，从而改善界面薄弱过渡区结构。 总结深圳、武汉混凝土生产配合比，分析l c - h p c 配合比设计中各组分关 系，提出降低生产成本措施并将之转化应用，单方成本降低8 元以上。 对某重点大体积混凝土工程施工分析，提出矿粉自催化效应；同时指出采 取的“保温、降温”养护措施是保证混凝土质量的关键因素之一。 关键词：低成本高性能混凝土；矿物掺合料；体积稳定性；耐久性；自催化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e p e n d i n go nt h et e n t hf i v e y e a rp l a nb yc h i n a ，t h ew o r k a b i l i t y , p h y s i c a l m e c h a n i c sp r o p e r t y , d u r a b i l i t i e so fc o n c r e t ew e r es y s t e m a t i cs t u d i e d c o m b i n i n g w i t hm i c r o s t r u c t u r et e s ta n da p p l y i n gt h el a w sb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r e ， q u a l i t i yo fm a t e r i a l sa n dc o n s i d e r i n gt h ep r o d u c t i o nc o s to fe n g i n e e r i n g ，t h e p r i n c i p l eo ft h ed e s i g na n dt e c h n i q u er o u t eo fm a r n u f a c t u r i n gl o w c o s th i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ( l c h p c ) w a sp u tf o r w a r d t h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rt h ed e s i g n , a p p l i c a t i o no f l c h p ci sp r o v i d e d a n a l y z i n gt h ef a c t o r so fc o n c r e t ew o r k a b i l i t y , m e c h a n i c sq u a l i t y , d u r a b i l i t y , c o s t ，t h ek e yo fm a m u f a c t u r i n gl c h p ca r ec o m p a t i b l eo fc h e m i c a la d m i x t u r e ， s t a b i i t yo fv o l u m ed u r a b i l i t ya r ep o i n t e do u t ，a tt h es a m et i m et h ep r i n c i p l ea n dt h e t e c h n i q u er o u t eo fl c h p c i sp u tf o r w a r d o nt h eb a s eo fs t u d y i n gt h ec o m p a t i b l eo fc h e m i c a la d m i x t u r ea n dm i n e r a l a d m i x t u r ew i t hc e m e n t ，a c c o r d i n gt oh e a to fh y d r a t i o n ，c h e m i c a ls h r i n k a g ea n d e n v i r o n m e n tc o n d i t i o ni nt h ec o u l s eo fc o n c r e t i n ga n dr e s t r a i n e dc r a c k i n gs e n s i t i v i t y i n d i c a t e sd i f f e r e n tq u a n t i t yo fm i n e r a la d m i x t u r e sl e a dt od i f f e r e n te f f e c tt ot h e s t a b i l i t yo fc o n c r e t e ，s u c ha s3 0 f l ya s ha n d4 0 6 0 m i c r o s l a gc a ni m p r o v et h e s t a b i l i t y , b u ts i l i c af u m ed e t e r i o r a t e st h es t a b i l i t y t h eo n eo fm o s ti m p o r t a n tf a c t o o fa f f e c t i n gd u r a b i l i t i e si nc o n s t r u c t i o nc o n c r e t ei sc h l o r i d ed e t e r i o r a t i o n t h e c h l o r i d ep e n e t r a t i o nc u r r e n te x c e e d s2 ，0 0 0c o u l o r n bi nt h en om i n e r a la d m i x t u r e 5 s i l i c a t ec e m e r t t ，u s i n g3 0 4 0 f l ya s hi tf a l l st o8 0 0c o u l o m ba n dt h e6 0 6 a m i c r o s l a gf a l l st o5 0 0c o u l o m b ；t h o u g hs i l i c af u m er e d u c e sp e n e t r a t i o nc u r r e n t ，i l d e t e r i o r a t e st h ew o r k a b i l i t yo fc o n c r e t e a tt h es a m et i m ef l ya s ha n ds i l i c am m t a l s oc a nr e p r e s st h ea n t i s u l f a t ea t t a c ka n dt h ea l k a l i a g g r e g a t er e a c t i o n ；i na d d i t i o n t h er e l a t i o nb e t w e e na i r - e n t r a i n i n ga d m i x t u r e ，c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sq u a n t i t yw i t l f r e e z i n g - t h a wp r o p e r t yo fc o n c r e t ew e r es t u d i e d ；a n da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n a f f e c t i n gf a c t o r st h ed u r a b l el i f eo f c o n c r e t ew a se s t i m a t e d t h el a w sb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r e ，q u a l i t yo fm a t e r i a l so fl c h p ( 武汉理工大学硕士学位论文 i ss t u d i e db ym e a n so fs e m ，m i p , a n ds oo nt e s t i n gm e a s u r e s t h er e a c t i o no f h y d r a t i o na n df i l l i n ge f f e c to fm i n e r a la d m i x t u r en o to n l yr e d u c e st h ep r o p o r t i o no f p o r eo fs t r u c t u r ea n ds i z e sa n do d d sd i r e c t i o n a lc r y s t a lo ft h eu n f a v o r a b l ec r y s t a l p h a s e ss u c ha sc hb u ta l s ol e a d s t ot h et h i n i n go f p o r es i z e ，s oi tt h ee f f e c ti m p r o v e s t h ew e a ks t r u c t u r eo fi n t e r f a c et r a n s i t i o na r e a s u m m a r y i n gs h e n z h e na n dw u h a n sc o n c r e t ec o m p a n i e sp r a c t i c a lp r o p o r t i o n d e s i g no fc o n c r e t ea n da n a l y z i n gr e l a t i o n sb e t w e e ne a c hc o m p o s i t i o ni nt h el c h p c a u t h o rp u t sf o r w a r dt ol o w e rc o s tw a y sa n da p p l i e st oe n g i n e e r i n gt h a tl e a d st o r e d u c i n gc o s to f p r o d u c t i o no v e r8 ￥1 m o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ge n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni ns o m em a s sc o n c r e t e a u t h o rf i r s tp u t sf o r w a r dt h es e l f - c a t a l y s e de f f e c to fm i c r o s l a ga n di n d i c a t e st h eo n e o fk e y so fg u a r a n t e e i n gt h ee n g i n e e r i n gq u a n t i t yi st h er e a s o n a b l em e a s b f eo fh e a t p r e s e r v a t i o na n dd e s c e n t i o n k e yw o r d s ：l c h p c ，m i n e r a la d m i x t u r e ，s t a b i l i t y ，d u r a b i l i t y ，s e l f - c a t a l y s e d 。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 混凝土产业发展现状 当前，我国的国民经济建设正步入一个高速发展的关键时期，我国国民 经济和社会发展“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标纲要中将建材与建筑业列为支 柱产业，高速公路网、房屋建筑体系和超高层建筑物、大深度地下构筑物、大 跨度重载桥梁、大型水利水电工程等重点工程混凝土建设项目越来越多。 水泥混凝土作为一种建筑材料，是现代最重要的工程结构材料之一。与其 他材料相比，水泥混凝土具有来源广泛、制备方便、性能稳定、耐久性优异、 生产成本和综合能耗较低等显著优点，在市政、桥梁、道路、水利、地下、海 洋以及军事等领域发挥着无以替代的作用，成为现代社会文明最重要的物质基 石。据预测：在今后的一、两百年内混凝土仍然是最重要的工程材料之- - “”。 1 2 存在的问题 1 2 1 耐久性问题 国内外经过几十年的建设发现混凝土工业普遍存在建筑物在使用中由于 耐久性较差发生破坏而造成严重经济损失的现象。 美国标准局( n b s ) 0 1 1 9 7 5 年的调查表明，美国全年各种腐蚀损失为7 0 0 亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀损失占4 0 ( 2 8 0 亿美元) 。1 9 9 2 年披露1 4 j ，因 撤除冰盐引起钢筋锈蚀破坏而限载通车的公路桥就占1 4 ，其中不能通车的占 1 ( 约5 0 0 0 座) ，仅这些桥的维修费就高达9 0 0 亿美元。如果加上海工混凝土、 公路、房屋等需要的修补费，则估计高达2 5 8 0 亿美元。在英国【5 j ，英国环保部 门的一份报告估计，“英国建筑工业的年成交额为5 0 0 亿镑，而现在，钢筋混凝 土结构年维修费已达5 5 亿镑( 占1 1 ) ，已成为英国一个沉重的财政负担! ” 我国混凝土结构的耐久性同样令人担忧，北方混凝土结构的破坏形式主要 是冻害加钢筋锈蚀，南方则以钢筋锈蚀为主。我国存在着广泛的“盐害”环境， 武汉理工大学硕士学位论文 北方地区使用除冰盐有增无减，桥梁道路并未采取应有的防护措施。专家们观 察到像三元立交桥、西直门立交桥等多处立交桥的混凝土表面出现了剥蚀、起 砂、露石现象；梁和柱裂纹较严重，表面多处有锈斑，并有顺筋裂纹。到9 0 年代末，仅仅使用不到2 0 年时间的西直门立交桥，由于钢筋锈蚀破坏已十分明 显与严重，不得不于1 9 9 9 年拆除重建。1 9 8 1 1 9 8 5 年，南京水科院、北京水 科院、长江科学院、华东水利学院、交通部一航局、四航局科研所等单位曾相 继对中小型水闸、海港码头进行大面积调查，发现7 2 0 年的水闸、码头破坏 很严重，钢筋混凝土水闸由碳化引起的铡筋锈蚀较严重，海港码头由c i 。引起的 钢筋锈蚀很严重，北方则因再加上盐冻使破坏更严重【6 】。 目前我国正处于建设高峰期，如果不吸取教训，重视提高混凝土耐久性， 延长工程使用寿命，那么若干年后，势必会像现在欧美发达国家一样不堪维修 和重建的严重负担，制约整个经济的健康发展。 1 2 2 成本问题 图l - 1 混凝土破坏图例 f i g1 1 p i c t u r eo f d a m a g e dc o n c r e t e 我国每年基本建设投入达2 万亿元，并且持续发展3 0 年，每年生产混凝 土近2 0 亿m 3 ，如果单方混凝土生产成本降低5 元左右，每年能够节约人民币 近1 0 0 亿元。为此，降低混凝土生产成本，提高产业效益，是目前混凝土产业 武汉理工大学硕士学位论文 中又急需解决的问题之一。 1 2 3 环境问题 尽管传统水泥混凝土作为建筑材料有着其巨大的优势，但它的生产带来的 环境污染及资源和能源消耗的问题却不容忽视。 水泥熟料生产中消耗燃料产生的c 0 2 约4 4 0 k g ，而原料中c a c 0 3 分解释放 的c 0 2 比燃料产生的c 0 2 还要多，加上生产用电转换的c 0 2 ，估计平均每生产 一吨水泥熟料就要排一吨的c 0 2 ，而c 0 2 又是导致全球气候异常产生温室效应 的罪魁祸首，按现有的水泥生产能力及发展趋势，在未来1 5 年里我国的c 0 2 排放量将达到7 5 亿吨【7 1 ：水泥工业排放的有害物质如n o 。，s 0 3 ，h c i ，酸性气体 及h g ，c d ，a s ，c r ，n i ，t i ，z n 等重金属和粉尘都会给自然环境带来不可逆转的破 坏。与此同时，水泥的生产也极大地消耗了我们有限的资源与能源1 8 】，1 9 9 5 年 由于水泥生产消耗了6 3 4 0 万吨标准煤，电耗为4 9 0 亿千瓦，破坏土地面积约 l 1 0 8 m 2 。随着水泥产量的猛增必将对人类造成更大的危害。 1 3 解决问题的方法 随现代材料科学的发展，水泥基材料为适应建筑工程的要求，性能不断改 进以解决混凝土材料中存在的不足各国学者纷纷提出解决的观点。 ”高性能混凝土“这个概念是由美国n s t 和a c i 在1 9 9 0 年5 月首先提出的， 高性能混凝土被定义为具有所要求的性能和均质性的混凝土，这些性能包括： 易于浇捣而不离析；高超的、能长期保持的力学性能；早期强度高、韧性好和 体积稳定性优异；在恶劣的使用条件下寿命长。但是，不同的学派，根据实际 工程的要求对高性能混凝土看法有所不同1 9 1 2 1 ： 1 3 1m e h t a 为代表的美加学派的观点 m e h t a 认为对于近年来建造的暴露于腐蚀性环境下的混凝土结构物，其受 腐蚀的速度之快表明：抗压强度指标不足以保证其长期耐久性，耐久性应当放 在高性能混凝土的首位；m e h t a 还认为高性能混凝土应该满足下列规定： 武汉理工大学硕士学位论文 抗渗性：大多数化学侵蚀是在水分与有害离子渗透进入的条件下产生的， 混凝土的抗渗性是防止化学侵蚀的第一道防线。 尺寸稳定性：尺寸稳定性良好混凝土的主要特征是高弹性模量，低干燥收 缩、徐变及温度应变小。尺寸稳定性好的混凝土可以降低预应力损失，降 低混凝土的原生裂纹。 1 3 2 冈村为代表的一部分日本学派的观点“踟 该学派认为高性能混凝士应具有高工作性( 高流动性、黏聚性与可浇筑 性) 、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。 1 3 3 我国学者的观点1 吴中伟提出“绿色高性能混凝土( g h p c ) ”，指出g h p c 应具有以下特征： 能更多节约熟料，更有效地减少环境污染，同时也能大量降低料耗与能耗。 能更多地掺加工业废渣来节代熟料，改善环境，减少二次污染。 能更大地发挥高性能混凝土的优势，尽量减少水泥与混凝土的用量，达到 节省资源、能源与改善环境的目的等。 1 3 4 研究中的解决办法 本文中采取对混凝土工作性、力学强度、耐久性、生产成本、施工养护相 结合的办法来配制l c h p c 。 混凝土要具有优良耐久性就必须具有较强的耐侵蚀能力，为防止氯离子达 到钢筋表面，使钢筋产生脱钝侵蚀，必须保证混凝土具有较好的藐氯离子渗透 性能；必须使其具有较强的抗化学侵蚀性能，防止不同使用环境下s 0 4 2 、m 9 2 + 、 n a + 、k + 等离子与混凝土组份反应，生成膨胀性产物，导致混凝土的丌裂破坏， 混凝土过早地出现劣化；同时必须具有良好的体积稳定性，减少微裂缝，从而 避免形成侵蚀性介质渗透进入混凝土的快速通道，进而加速混凝土的破坏。 成本是高性能混凝土推广的瓶颈因素，在保证混凝土工作性、力学指标、 耐久性基础上，采取优化矿物掺合料兼容匹配等措施，提高廉价矿物掺合料的 武汉理工大学硕士学位论文 掺量。从而降低混凝土生产成本，扩大高性能混凝土的推广应用。 1 4 研究的背景及内容 1 4 1 研究背景 论文以国家“十五”重点科技攻关项目“新型高性能混凝土的研究和应用” 为依托；同时结合深圳天地集团股份有限公司“海洋高性能混凝土的研究”及 武汉华强混凝土供应公司“低成本高性能混凝土的研究”课题，对低成本高性 能混凝土进行了深入的研究。 1 4 2 研究内容 1 4 2 1 外加剂兼容性分析 由于外加剂与水泥存在兼容匹配关系，分析不同减水剂对混凝土性能的影 响，同时分析粉煤灰对混凝土强度发展的影响规律。 1 4 2 2 体积稳定性 针对目前混凝土行业中较为普遍存在早期工程开裂现象，对水化热稳定 性、化学收缩、自由收缩、约束条件下的收缩开裂敏感性进行系统分析。 1 4 2 3 耐侵蚀性能 对混凝土的各项耐久性进行试验分析，重点研究氯离子渗透、硫酸盐侵蚀、 碱集料反应、冻融破坏等耐久性性能。 1 4 2 4 成本分析 为加强低成本高性能混凝土的推广应用，调整混凝上- i 各胶凝材料的匹 配，在改善混凝土性能的基础上降低生产成本。 1 5 采取的技术路线 实验所采取的技术方案路线见图卜2 。 武汉理工大学硕士学位论文 通过水化热、化学减缩、约束收缩等的系统研究，提出改善混凝土早期收 缩开裂、增强混凝土体积稳定性的措施。 掺加粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料，寻求最佳匹配掺量，来改善混凝 土耐久性寿命，增强混凝土抗侵蚀能力。 应用次第水化、紧密堆积理论，提高矿物掺合料掺量，来综合降低混凝土 生产成本。 图1 - 2l c h p c 制备技术方案图 f i g 1 2 c h a r to fl c h p cm a n u f a c t u r e d 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 取得成果 1 6 1 l c - h p c 设计原则 从胶凝材料的复合、外加剂兼容性等因素考虑，对混凝土材料体系提出了 优化设计：在规范合理的施工振捣、良好的养护条件下，通过对各种介质侵蚀 机理的研究，优化了低成本高性能混凝土的配比设计。 1 6 2 体积稳定性研究 在本文选取原材料条件下，粉煤灰在单掺达到3 0 时，具有较低水化热、 低化学减缩等性能；矿粉掺量在4 0 以内时，不能改善体积稳定性，掺量达到 6 0 时。矿粉能够很好改善体积稳定性；硅灰容易导致混凝土牧缩开裂，恶化 了混凝土体积稳定性。 1 6 3 耐侵蚀。眭能的改善 单掺粉煤灰达到3 0 时氯离子渗透电量最小，掺量过高时，渗透电量反而 升高；矿粉单掺超过4 0 时，氯离子渗透电量下降较明显，达到6 0 左右混凝 土具有最佳强度及渗透电量；采用粉煤灰、矿粉复合，能够配制出5 0 0 库仑的 高性能混凝土。为提高混凝土抗冻害能力，控制混凝土含气量在4 6 范围， 同时研究了胶材总量、矿物掺合料等因素对混凝土抗冻性能的影响；并根据经 验公式预测了各因素条件下混凝土的耐久性寿命。 1 6 4 大体积混凝土施工技术 通过某重点工程施工应用，提出矿粉自催化效应，应用混凝土结构的温度 收缩控制理论，综合考虑内外应力同时作用下混凝土结构应力对混凝土的破坏 作用，经计算表明合理的养护措施是保证大体积混凝土质量的关键因素之一。 1 6 5 经济效益显著 通过近三年研究，武汉、深圳两地混凝土公司混凝土年成本降低8 元方 以上，应用优化过的混凝土配合比约1 2 0 万m 3 ，创造经济效益超千万元。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 原材料 第2 章原材料及实验方法 2 1 1 水泥 水泥：亚东3 2 5 p s 以及韶峰4 2 5 e o 水泥，化学成分、力学性能指标见表 2 1 、表2 2 所示。 表2 - 1 化学成分表( ) t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o n e n to f m a t e r i a l s ( ) 表2 - 2 力学性能指标 t a b l e2 - 2i n d e xo fm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc e m e n t 指标3 天强度( m p a )2 8 天强度( m p a ) 名称 抗压强度抗折强度 抗压强度抗折强度 亚尔e s 1 8 ，44 13 8 37 4 塑竖盥塑：! ：!i ! ：! ：1 2 1 2 粉煤灰 粉煤灰：妈湾电厂i i 级灰细度1 9 ，需水量1 0 2 ，化学成分见表2 - 1 。 2 1 3 矿粉 矿粉：深圳龙岗$ 9 5 磨细矿渣粉，比表面积4 5 0 m 2 蚝，需水量9 4 ，碱 度系数1 7 ，玻璃体含量大于8 5 ，化学成分见表2 - 1 。 r 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 硅灰 硅灰：挪威硅灰，松散体容积为2 0 0 k g m 3 ，平均粒径0 4 u m ，比表面积 2 3 0 0 0 m 2 k g ，化学成分见表2 - 1 。 2 1 5 外加剂 减水剂：萘系高效减水剂f d n i 、天津产j g m 、广东产f d n n 等：引 气剂：上海产s j 2 ，石家庄引气剂；硫酸钠、葡萄糖酸钠等( 化学纯) 。 2 1 6 集料 2 1 6 1砂 砂：东莞河砂，细度模数2 6 2 9 ，含泥量小于1 8 。 2 1 6 2石 石：深圳深康碎石，粒径1 0 3 0 m m ，0 5 m m 。 以上集料符合g b t 1 4 6 8 4 - - 9 3 建筑用砂、g b t 1 4 6 8 5 m 9 3 建筑用卵石、 碎石等规范。 2 2 实验方法 2 2 1 水化热测定方法 温度传感器 “测温电缆 妈畛采集模块 。 r s 4 8 5 通讯线 口现场 图2 一l 高效自动水化热测定仪 f i g 2 - 1h i g he f f i c i e n c ye q u i p m e n to f t e s t i n gh e a to f h y d r a t i o n 水化热测定参照g b 2 0 2 2 - 8 0 进行，采用2 4 通道，通过r s 2 3 2 接口直接与 g 武汉理工大学硕士学位论文 微机联机，自动记录水化热数据，从加水丌始每隔设定时间微机自动记录水化 温度，直至7 2 小时为止，测得水化温升与时间的关系曲线，分析不同矿物掺合 料水泥浆体早期水化放热特性。图2 一l 为仪器示意图。 2 2 2 化学减缩试验方法“印 1 量管( 5 m i o 0 5 m l 中6 m m ) 2 穿孔胶塞 3 液体“蜡 图2 2 化学收缩装置 f i g 2 - 2 f i t t i n go f t e s t i n gc h e m i cs h r i n k a g e 试验装置如图2 - 2 所示，由1 0 0 毫升广口瓶，中心穿孔胶塞及内直径6 毫 米的玻璃量管组成，量管量程为5 毫升，刻度分度值为0 0 5 毫升。试验方法： 取适当比例水泥、矿物掺合料、减水剂、水配制成l o o m l 浆体，放入玻璃瓶中 振实，然后用液体石蜡将玻璃瓶充满，将带量管胶塞塞紧瓶日，并把胶塞与瓶 口接触处用石蜡密封，使液面上升至接近量管的最高刻度处。将仪器置于标准 养护室中，待液面稳定后即可读取液面起始读数，观察浆体体积减缩。 2 2 3自由收缩测定方法 自由收缩的测定是在干燥条件下测定胶砂棒的长度变化来衡定的。与约束 条件下收缩开裂试验同时进行，成型2 5 2 5 x 2 8 5 m m 砂浆试件，两端预埋测头， 试件与椭圆环同时拆模、同条件养护。拆模后立即测定初长，放入干燥室( 相对 湿度5 0 ，2 0 0 ) ，并测定1 d 、2 d 、3 d 、5 d 、7 d 、1 4 d 、2 8 d 的收缩率。 2 2 4 约束条件下的收缩开裂“酗 研究中应用椭圆形环约束开裂自动检测试验装置，来准确评价混凝土在约 武汉理工大学硕士学位论文 束条件下的开裂敏感性以及自动检测裂缝出现的时间，如图2 3 。将材料按试 验配合比搅拌均匀注入椭圆环模具中，成型时注意振动密实、抹平收光，排出 气泡。成型后置于相对湿度大于9 5 、温度1 8 2 2 c 的条件下养护1 8 小时， 拆去外环模，并在试件的上表面涂上环氧树脂( 不含硬化剂) 密封，以便干燥只能 是从外表面发生。然后置于干燥室( 相对湿度5 0 ，2 0 c ) ，采用铅笔沿试件表 面连续画线，注意两接点上下错开。将接点用导电胶分别与导线粘连牢固，并 联一个4 8 0 k 的电阻与信号发生器构成回路。数据采集器( 即信号发生器) 用信号 线与计算机连接，运行m e t e x 程序，对采集的数据进行记录，并借助2 0 0 倍 显微镜观察裂缝。计算机自动记录混凝土的初始开裂时间( 时间从放入养护室时 算起) ，它直接反映混凝土抵抗早期收缩开裂的能力。 图2 3 约束开裂装置 f i g 2 3 a p p a r a t u so f t e s t i n gc r a c ko f r e s t r i c t e d 2 2 5 混凝土成型、养护及工作性实验方法 新拌混凝土的工作性采用g b j 8 0 8 5 坍落度筒法进行。 混凝土搅拌成型采用g b j 8 1 8 5 方法进行。一天后脱模，放入湿度为9 0 以上，温度为2 0 士2 c 养护室养护至规定龄期进行相关物理力学及耐久性试验。 2 2 6 物理力学性能实验方法 抗压强度测定采用g b j 8 1 8 5 标准。试件采用1 5 0 m m x l 5 0 r a m 1 5 0 m m 立 方体试块。试件在标准养护室中( 2 0 。c ) 养护至龄期后，把试块垂直放置在压 武汉理一火学硕十学协论文 力机底座m b 上，披舰定速度加荷，确保加荷过程t i ，无振动，当试块破坏后 记下最大荷载，通过计算即可得到试块的抗f ! _ j i 强度。 2 2 7 耐久性能实验方法 2 2 7 1c l 渗透快速测定 氯离子渗透快速测定方法是采用美 国a s t m c l 2 0 2 9 7 规定的方法，如图2 - 4 所示，混凝1 二试件为西1 0 0 x 5 0 m m 的圆柱 体，每组三个试件，在标准条件下养护至 2 8 天龄期后，真空吸水饱和，在混凝土 试件的轴向施加6 0 v 的直流电压，试件 的币、负极两侧分别放置浓度为o 3 n 的 n a o h , f i l3 纳n a c i 溶液，记录6 小时 内通过试件的电量e ( 库仑) ，来评价混 凝上的密实程度和抵抗氯离子渗透能力。 表2 3 是经验有效扩散系数表。目前常刖 的还有稳念电迁移、非稳念电迁移测试、 掀土渗透性能。 图2 - 4 氯离子快速渗透装置 f i g 2 4e q u i p m e n to ft e s l i n g c h l o r i d ep e n e t r a t i o n 电导测试以及扩散池等力法束评价混 表2 3 通电总量和抗氯离子渗透性能评价 t a b l e2 - 3c o r r e l a t i v eb e t w e e nc o u l o m ba n da n t i c h l o r i d ep e n e t r a t i o n 当前v i ：多研究者都尝试着把电流总量和扩散系数联系起来，一般评价混凝 - _ l ：的抗渗指标为d 棚j f i | c l o l l 一1 ，冯，谦i 与n s b e r k e 、m c 1 l i c k s 9 1 经验 武汉理工大学硕士学位论文 公式可分别计算扩散系数( d 。t f ) 。冯乃谦的扩散系数与导电量表达式为： d 。e r = 2 5 7 7 6 5 + 0 0 0 4 9 2 q ( x 1 0 m 2 s 1 ；n s b e r k e 、m c h i c k s 在研究中指出的扩 散系数与导电量表达式：( 1 ) 普通混凝土d 。旷o 0 1 0 3 q o “( 2 ) 掺有亚钙的混凝 土d e t r = 0 0 0 8 8 q o7 6 ( l o 8c m 2 s ) 。 2 2 7 2 硫酸盐侵蚀性能测定 混凝土抗硫酸盐侵蚀性能评定采用a s t m c l 0 9 2 9 5 a 方法，试件尺寸为 7 5 7 5 2 8 0 m m ，试件为三条。试件成型后，用塑料布密封，放入养护箱中在 3 5 土3 下养护2 3 5 土0 5 h ，脱模，放入饱和石灰水中养护直至同龄期7 5 m m 立方 体试块抗压强度超过1 8 m p a ，记下此时用比长仪测定的试块长度记为初始长 度，然后把试件中的两条放入5 硫酸盐溶液中浸泡，另一条放入纯水中作为 参考试件。至测定龄期，测试并记下参考试件的长度，从浸泡液中拿出待测试 块放入比长仪中进行测定擦干净比长仪的测孔，再对参考试件进行测定， 若误差超过o 0 0 2 m m ，试件必须进行重测。待所有试件测试完后，更换硫酸盐 溶液，把试件放回溶液中浸泡至下一次龄期。试件的膨胀率按下式计算： 膨胀率( ) = 【( l - l 1 ) - ( l o l 0 1 ) l o 1 0 0 式中：l 试件一定龄期长度，m m l 1 参考试件一定龄期长度，m m l o 试件原始长度，m m l 0 1 参考试件原始长度，m m 2 2 7 3 碱集料反应测定 碱集料反应采用a s t m c 2 2 7 9 0 方法，试件尺寸为2 5 x 2 5 2 8 5 m m 。a s t m c 2 2 7 的养护条件用两容器实现，一个容器含有一个温度控制器和电加热装置， 用来保持温度为3 8 。另一个储存容器用来放置试块，两个容器之间用循环泵 连接，通过两容器间水的循环来保持储存容器水温一致为3 8 。c 。为了防止碱从 试块溶出，同时为保持试块相对湿度至少为9 5 ，试块用湿毛巾覆盖，然后用 塑料密封，放在储存容器中。试件测长用一个带有数据盘和参照棒的e l e 型测 量仪，样品测量前，在温度为2 3 、相对湿度为9 5 的养护箱中放置1 6 小时。 测量时，参照棒用来把数据盘调零，然后对棱柱体试块进行测定，试块的长度 武汉理j ：大学硕士学位论文 变化率可按下式计算： l = ( l 。- l i ) g x l 0 0 式中：i 当前试块长度变化率 l 。试块与参考棒长度差，m m l 。试块与参考棒初始长度差，m m g 一脱模后试块初始长度，m m 2 2 7 4 抗冻性测定 采用快冻法，试件尺寸为l o o m m x l o o m m 4 0 0 m m 的棱柱体。实验设备为 北京燕科t d r 1 砼自动快速冻融实验设备，采用测量混凝土试件重量损失及动 弹性模量损失的办法来评价混凝土抗冻性能。当冻融循环达到3 0 0 次、或冻弹 性模量下降到6 0 或重量损失达到5 时，终止实验。 2 2 8 亚、微观结构测试方法 1 孔结构测定( m i p ) ：孔结构及其变化规律测定采用汞压入法( m e r c u r y i n t r u s i o np r e s s u r e ，m i p ) ，汞渗入压力范围为o 2 0 6 m p a ，汞接触角为1 4 0 0 ， 样品破碎为2 5 m m 一5 m m ，经过1 0 5 。c 、2 4 h 干燥后测定。 2 s e m 形貌观察：从破型后的试样中部取出2 5 m m 一5 m m 粒状样品，在 7 4 0 m m h g 真空度6 0 。c 的真空干燥器中干燥到恒重后，用导电胶将样品粘 贴在铜质样品座上，真空镀金后在日本产s x 4 0 型扫描电镜中观察试样断 面微观形貌并照像。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章l c - h p c 设计理论与原则 从混凝土行业发展来看，高性能混凝土应该具有良好的工作性、合理的物 理力学指标、优异的耐久性；同时，要具有良好的推广、应用前景，必然具有 较低的生产成本。为此，本章分析了影响混凝土性能指标的各因素，提出l c h p c 的配制理论与原则，从而为达到l c h p c 的目的提供技术支撑。 3 1 l c h p c 设计理论基础 3 1 1 工作性 混凝土的工作性( 又称工作度或和易性) 是指新拌混凝土易于施工操作( 拌 合、运输、浇灌、捣实) 并能获得质量均匀、成型密实的性能。混凝土工作性好 坏直接影响混凝土的施工质量，与混凝土强度儿乎具有同等重要性。评价混凝 土工作性能方法主要有：坍落度、扩展值、倒坍落筒流出时间、o r i m e t 仪的流 出速度、l 型流动仪等。 3 1 - 2 力学性能 不同商品混凝土公司由于生产控制能力不同，生产的混凝土具有不同富裕 强度，各商混公司应根据自己设备、管理水平，合理控制力学指标。 l c - l p c 破坏的主要原因 i 物理破坏 化学侵蚀介质破坏 体积不稳定性 f ，。1 一 图3 - 1l c h p c 破坏的主要原因分类 f i g 3 - 1c a t e g o r i z a t i o n so fm a i nr e a s o no f t h ed a m a g eo nl c h p c 武汉理：l ：大学硕士学位论文 3 1 3 耐久性能 混凝土结构在运行过程中要遭受各种破坏因素的作用，如钢筋锈蚀、冻融 破坏、化学侵蚀、收缩开裂变形等哪l 。混凝土破坏可分为三种类型：体积稳定 性，介质侵蚀及物理破坏，如图3 一l 所示。 3 1 3 。l 体积稳定性 混凝土凝结硬化后，由于种种原因产生的收缩变形，会形成混凝土的初始 裂缝，对混凝土性能的劣化起很大的促进作用。影响混凝土的收缩的因素很多， 如温度收缩、化学收缩、干燥收缩等。 1 ) 温度收缩 温度收缩又称为冷缩。温度收缩主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升 高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。由于水泥水化放出大量热，使得混 凝土结构内部出现较大的温度梯度，在地基约束及混凝土自身收缩等条件下， 使基础出现表面及贯穿裂缝，影响混凝土的整体强度和耐久性，造成结构隐患 甚至失去使用功能。 2 ) 化学收缩 水泥水化后，固相体积增加，但水泥一水体系的绝对体积减小。因为水化 反应前后的物质平均密度不同，所有的胶凝材料水化以后都有这种减缩作用。 3 ) 干燥收缩 混凝土停止养护后，在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水丽 发生不可逆收缩，随相对湿度下降，水泥浆体干缩增大。影响混凝土干缩的因 素主要有水灰比、水泥组成与用量、矿物掺合料及集料的品利和用量。 4 ) 自收缩 自收缩只发生在毛细孔中，因为凝胶水虽然不是化学结合水，但是作为凝 胶的组成成分，不能参加水化反应。实验表明高性能混凝土内部相对湿度降低 到7 5 左右，就不再降低，但当内部湿度由1 0 0 降低到8 0 时，由k e l v i n p m 方程计算得毛细孔压力从0 增加到3 0 m p a ，因此自收缩对商性能混凝土具有较 大的劣化作用。 武汉理工大学硕士学位论文 3 132 化学侵蚀 1 ) 氯离子侵蚀破坏 氯盐是一种极强的电解质，能以离子形态渗透进混凝土中，与钢筋直接发 生电化学反应，促使钢筋钝化膜破坏，使钢筋产生锈蚀，是混凝土结构遇到的 最危险的破坏因素【2 l 。”。 在氧气和水的持续供应条件下，铁开始离子化形成易溶的f e c l 2 4 h 2 0 ( 呈 浅绿色) ，f e c l 2 4 h 2 0 从钢筋阳极区向含氧量较高的混凝土空隙迁移，分解为褐 色的f e ( o h ) 2 ( 初始铁锈) 沉积于阳极区周围，同时放出h + 和c l 一，反应式为： f e “+ 2 c l _ + 4 h z o - - f e c l 2 4 h 2 0 f e c l 24 4 h 2 0 - - - f e ( o h ) 2 + 2 h + 十2 c 1 。+ 2h 2 0 初始铁锈呈褐色，属过渡型，在h 2 0 和0 2 存在下，经f e ( o h ) 向红褐色的铁 锈f e 2 0 3 迅速转化，反应式为： 4 f e ( o h ) 2 十2 h 2 0 + 0 2 - - * 4 f e ( o h ) 3 2 f e ( o h ) 3 _ f e 2 0 3 十3 h 2 0 钢筋在c l 。侵蚀腐蚀过程中变为不同产物，体积逐渐增大，锈层膨胀，其 膨胀力超过混凝土保护层的抗拉强度时，保护层产生原始微裂缝。c l 通过混凝 土微裂缝向内部大量侵入，同时0 2 也通过裂