混凝土耐久性综述.doc

.道路与铁道工程中水泥混凝土耐久性研究综述专 业： 道路与铁道工程 姓 名： 苏立平 学 号： 0212286 日 期： 2012年12月 部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！摘 要路用混凝土的耐久性不足是影响路面使用性能、缩短路面使用寿命的主要因素。混凝土耐久性评价包括抗渗性、抗冻性、混凝土碳化、钢筋锈蚀和碱集料反应等，抗渗性只是其中之一，但是抗渗性对其它耐久性评价均有影响，几乎所有的混凝土耐久性破坏都与混凝土的渗透性有关，可以通过混凝土的抗渗性来评价混凝土的耐久性。故由于时间关系，本文仅对混凝土抗渗性研究进行归纳，整理了水及氯离子在混凝土中的渗透机理、抗渗性与耐久性的关系、抗渗性评价方法和影响抗渗性的因素。随着我国大规模建设高速铁路，无砟轨道结构大量使用，耐久性作为无砟轨道结构的一个重要研究方向刚刚起步。本文归纳了国内外无砟轨道耐久性的研究成果，以期对无砟轨道结构耐久性有进一步的认识。关键词：路用混凝土；无砟轨道；耐久性；抗渗性部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！目 录摘 要I1 绪论11.1 引言11.2 本文的主要内容22 道路水泥混凝土耐久性研究32.1 概述32.2 国内外道路水泥混凝土耐久性研究现状32.3 道路水泥混凝土抗渗性研究42.3.1 水在混凝土中的渗透机理42.3.2 氯离子在混凝土中的渗透机理42.3.3 混凝土抗渗性与耐久性的关系52.3.4 道路混凝土抗渗性评价方法62.3.5 影响混凝土抗渗性的因素103 铁路无砟轨道耐久性研究123.1 概述123.2 国内外无砟轨道耐久性研究现状123.2.1 国外无砟轨道耐久性研究123.2.2 国内无砟轨道耐久性研究134 结论16参考文献18部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！.1 绪论1.1 引言混凝土是近现代使用最广泛的建筑材料。长期以来，人们一直以为混凝土是一种非常耐久的材料，从而忽视了它的耐久性问题。然而，近四五十年来，混凝土结构物因材料耐久性不足而过早劣化的事例在国内外屡见不鲜，各国为此付出了惨重代价。为提高混凝土的耐久性，发达国家自20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并取得了一些可喜的研究成果，这些成果被不断地应用于工程实践并指导混凝土结构的耐久性设计。日本于1986年提出“考虑耐久性的建筑物设计、施工维护大纲”，在1989年制定了混凝土结构耐久性设计准则（试行）。欧洲混凝土委员会也于1989年提出了“耐久性混凝土结构设计指南”。美国ACI201委员会于1992年提出了耐久性混凝上指南的技术报告，2000年又对该报告进行了修改。1995年欧共体资助了一项名为DuraCrete的研究项目，出版了许多研究报告，这一项目于1999年结束并在2000年出版了一份名为混凝土结构耐久性设计指南的技术文件。不仅如此，为确保混凝土结构的设计使用寿命，各国的标准规范中也都纳入了混凝土耐久性设计的内容。如欧洲标准EN206-1:2000，从混凝土的耐久性出发，根据结构所处的不同环境条件，对混凝土的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级以及骨料要求等均作了规定，欧洲各国在此基础上作了适当补充。在我国，交通部颁布的海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范（JTJ2752000）也是从混凝土的耐久性出发，对处于海水环境不同暴露部位的混凝土，提出了最大水灰比、最低水泥用量以及最低强度等级的要求。我国现行的混凝土结构设计规范（GB500102010）对混凝土耐久性做出了相关规定。在公路系统，公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）和公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTG F302003）从抗冻性和耐腐蚀性两方面对混凝土耐久性提出了要求。在铁路系统，铁道部于2004年提出了“混凝土耐久性技术标准”的研究项目，并于2005于发布了混凝土结构耐久性设计的行业标准铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定（铁建设2005157号）。由此可见，按耐久性设计混凝土，已成为混凝土界发展的趋势，并逐渐成为主流，而混凝土的耐久性设计也已成为确保混凝土结构达到设计使用年限的前提和基础。1.2 本文的主要内容混凝土耐久性的重要性不言而喻，随着我国经济的发展，交通运输对国民经济的影响日益突显。在道路与铁道工程领域，耐久性也越来越受到重视，本文试对道路领域和铁路领域混凝土耐久性研究成果进行归纳，以期对道路与铁道工程中混凝土耐久性有一步认识。在道路方面，由于时间关系，参考相关文献主要对路用混凝土的抗渗性研究进行了归纳。在铁路方面，对国内外无砟轨道的耐久性研究行进了整理。希望通过本文的工作，为以后学习打下基础，并找到一些研究的思路。2 道路水泥混凝土耐久性研究2.1 概述水泥混凝土路面是高级路面的重要结构形式，具有结构承载能力高、能源消耗以及对交通等级和环境适应性强等优点，长期以来在世界各国得到广泛应用。在我国水泥路面具有明显的资源和造价优势，发展势头相当迅猛。水泥混凝土路面飞速发展的同时也暴露除了一些问题。从已修筑的水泥混凝土路面使用情况来看，混凝土路面的开裂和断板现象相当严重，如果不及时修复，开裂破损面将进一步扩展，影响行车的安全性、舒适性及行车速度。大量的现有资料表明，耐久性不足是道路用混凝土材料破坏的主要原因。目前对水泥路面耐久性领域研究存在的问题，一方面是认识不够，另外一方面是评价指标不全面、缺乏系统性和针对性。在公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）和水泥混凝土路面施工规范（JTG F302003）中对材料耐久性的要求均以抗冻性能作为代替，对抗渗、碱集料反应以及路面抗裂、抗冲击、抗疲劳等和混凝土路面耐久性密切相关的指标并没有考虑，造成这一现状的原因一方面是由于影响混凝土耐久性因素众多，各个指标对混凝土路面耐久性的影响程度不一，另外一方面是针对某一技术指标的评价方法不统一，有的参照国外，有的自行设计没有统一的规范。2.2 国内外道路水泥混凝土耐久性研究现状上世纪80年代，美国公路战略研究计划（简称SHRP）系统的研究了混凝土路面耐久性问题产生的原因及解决方法。与此同时，美国联邦公路管理局也制定计划，研究桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。欧洲也投入了大量人力财力研究混凝土的耐久性。1992年，欧洲混凝土委员会颁布了耐久性混凝土结构设计指南，它反映了当今欧洲混凝土结构的耐久性研究水平。从90年代以来，国内充分认识到由于混凝土耐久性问题会带来的巨大经济损失。建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。“七五”攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限”，包括结构耐久性的调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响；“八五”攻关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”研究内容有已建混凝土结构耐久性设计方法、混凝土结构的耐久性检测和评估方法等。2.3 道路水泥混凝土抗渗性研究抗渗性是多孔类材料的一种特性，表征其在外加压力或浓度梯度作用下流体（离子）传输的难易程度。由于直接暴露在外界环境下，道路混凝上易为水和氯离子进入，最终导致了内部密实度降低和裂隙增多，从而发生耐久性破坏。几乎所有的混凝土耐久性破坏都与混凝土的渗透性有关，因此可以通过混凝土的抗渗性来评价混凝土的耐久性。2.3.1 水在混凝土中的渗透机理水是最容易和混凝土接触的介质，而混凝土又是一种多孔的材料，水分子很容易通过混凝土的孔隙进入混凝土内部，降低混凝土孔隙液体的PH值；此外，水又充当了携带其他有害离子的载体，如氯离子、硫酸根离子等，造成混凝土中的钢筋锈蚀、碱集料反应，最终引起混凝土的破坏。水在混凝土中的渗透速度，在某种程度上决定了混凝土的劣化速度。因此研究水在混凝土中的渗透具有普遍的意义。水对混凝土的渗透原理如下：水与混凝土表面接触时，有两种力不断促使水分向混凝土内部迁移，即压力差P和毛细孔压力P0。随着水分迁移的深入，水与毛细孔壁摩擦阻力增大，渗水速度随渗透深度的增加成比例下降。当水达到混凝土相反的一侧时，毛细孔压力变更了方向，阻碍水分的渗出。若压力差大于孔壁摩擦阻力和毛细阻力，则水将从混凝土相反的一侧滴出；若压力差小于摩擦阻力和毛细孔阻力，则水的迁移为毛细孔迁移，此时的迁移速度取决于混凝土背面水的蒸发速度。2.3.2 氯离子在混凝土中的渗透机理水泥混凝土路面作为一种直接与大气接触的结构物，向其内部渗入的物质除了水之外，还包括气体（氧气或二氧化碳）及氯离子、硫酸根离子、镁离子等。其中以氯离子的渗透危害最大和最具有代表性。氯离子的传输过程是一个复杂的过程。氯离子通过混凝土内部的孔隙和微裂缝体系从周围环境向混凝土内部传递，涉及到许多机理，目前己经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种：毛细管作用，即盐水向混凝土内部干燥的部分移动；渗透作用，即在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动；扩散作用，即由于浓度差的作用，氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动；电化学迁移，即氯离子向电位较高的方向移动。通常，氯离子的侵入是几种方式的组合，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件，其中的一种侵入方式是主要的。尽管氯离子在混凝土中传输的机理非常复杂，在许多情况下，扩散仍然被认为是一个最主要的传输方式之一。2.3.3 混凝土抗渗性与耐久性的关系混凝土的抗渗性决定了液体、气体以及可溶性有害物质侵入混凝土的难易程度，所以它直接决定了混凝土的抗碳化、侵蚀、抗冻融性能和钢筋锈蚀性能，是影响混凝土路面耐久性最重要的因素之一，可以通过测定混凝土的抗渗性来评价混凝土的耐久性。1. 抗渗性与混凝土碳化由于混凝土的多孔性，大气中的CO2在浓度差的作用下，通过混凝土的孔隙由外向内扩散，并与混凝土中的碱性物质发生反应，体积膨胀，这个过程称为混凝土的碳化。混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土的孔隙水中，再和各种水化物发生碳化反应，这样一个复杂的物理化学过程。混凝土表面吸水率、渗水速度是混凝土渗透性的直接体现。混凝土表面吸水率越大、渗水速度越快，则CO2在混凝土中扩散的速度也就越快，深度越深。所以，混凝土的渗透性和碳化存在的联系是可以预测的，多位学者都建立了预测混凝土碳化的数学模型。青岛建筑工程学院的李淑进和赵铁军7根据张誉8建立的碳化模型预测了某组混凝土的的碳化深度。预测结果如下表2.1。从表2.1可以看出，混凝土的渗透深度和碳化深度之间的相关性很好，这表明混凝土的抗渗性和抗碳化性能之间的关系密切。表2.1 混凝土的渗透性与碳化性能预测结果试件系列123456789渗透深度X/mm8.59.010.410.410.512.212.414.114.5碳化深度Dc/m9.37.910.78.78.712.911.711.913.72. 抗渗性与混凝土抗冻性干燥的混凝土不会遭受冰冻破坏。当混凝土含水率超过某一临界值（约91. 7%），周围温度降低到一定程度时，部分孔隙中的水将会受冻结冰，体积膨胀（约膨胀9 %），迫使未结冰的水从结冰区向外迁移，因而产生静水压力。静水压力超过混凝土的细观强度时，混凝土孔壁结构破坏，内部开裂并逐步向外延伸。周围环境的周期性降低和升高，使混凝土内部的水结成冰，冰融成水，反复循环。每次循环使混凝土内部结构的损伤不断积累，微裂缝和内部孔隙继续扩展延伸并互相贯通，最终导致混凝土结构破坏。而这些机理都和混凝土的渗透性能紧密相关。有研究表明10，混凝土的吸水能力的对数和混凝土的抗冻融循环能力的对数呈反比，即混凝土的吸水能力越低，混凝土的抗冻融循环能力越高，也即混凝土的抗渗性能越好，其抗冻融循环能力越好。因此，从混凝土抗渗性可以反映出混凝土的抗冻融循环能力。 3. 抗渗性与钢筋锈蚀混凝土的高碱性使内部钢筋表面形成一层致密的钝化膜，保护钢筋不受腐蚀。CO2通过表面渗入混凝土以后，同混凝土中的Ca(OH)2反应使之碳化，从而使混凝土碱性大大降低。随着混凝土碱性的降低，钢筋表面的钝化膜将变得不稳定，直至破坏。这样失去保护的钢筋会在氧和水分渗入的情况下发生电化学腐蚀。而氯离子的侵入是诱发钢筋锈蚀的又一个重要因素，当氯离子侵蚀至钢筋表面，且含量超过临界值时，会使钢筋的钝化膜溶解，在水和氧气存在的条件下，会促使钢筋产生电化学腐蚀。由于氯离子需要通过混凝土中的孔隙进入混凝土内部，而且发生钢筋锈蚀反应所需要的氧也需要从混凝土中的孔隙进入混凝土中，所以混凝土的渗透性和钢筋锈蚀必然存在密切的关系。混凝土的渗透性越强，水分、氯离子和氧在混凝土中侵入的速度越快，侵入深度越深，必然加快钢筋的锈蚀。所以，混凝土的抗渗性也可反应混凝土抵抗钢筋锈蚀的能力。由此可见，混凝土的抗渗性是混凝土的耐久性的一个主要特征，混凝土的抗渗性能是反应混凝土耐久性的一个重要指标。2.3.4 道路混凝土抗渗性评价方法1. 抗渗等级法试件采用顶面直径为175mm，底面直径为185mm，高度为150mm的圆台体，每组取6个试件，成型24小时后脱模，试件经标准养护至28天龄期进行抗渗试验。从试件底部施加0.2MPa水压开始试验，每隔8h 增加水压0.1MPa，直至6个试件中有3个被压力水穿透，停止试验，以每组6个试件中4个未发现有渗水现象时的最大水压称为混凝土的抗渗标号。抗渗标号按下式计算： （2.1）式中：混凝土抗渗标号； 第三个试件顶面开始有渗水时的水压力（MPa）。抗渗标号法的优点是简单、直观，因此该方法在工程领域广泛较广。但是抗渗标号法也有不足，比如该法操作烦琐，劳动强度大，噪音大，测试时间长，最长14d，而且经常中途由于管道漏水、密封试块漏水、停电而使试验停止或报废，并且该法不适用于低渗透性的混凝土。2. ASTM Cl202电量法ASTM C1202电量法是目前广为人知的电测方法。此法将97mm50mm的混凝土试样经真空饱水后，在标准夹具下，通过NaOH溶液和质量浓度3%的NaCl溶液给混凝土试样施加60V直流电，通电6小时，记录流过的电量。图2.1 ASTM C1202测试装置简图ASTMC1202在多数情况下具有良好的适用性，尤其适用于不掺掺和料的中等强度的混凝土，其优点是能快速大致反映一般混凝土的渗透性。其缺点也相当多。如(1)使用60V高的电压，容易发生极化反映，使溶液温度升高，试验数据受到干扰，而且对高渗透性混凝土有时不得不中断试验；(2)测量结果是在非稳定下获得的，不能说明混凝土的渗透性；(3)测量值是总体离子运动的结果，而非只是氯离子运动；(4)孔溶液的化学成分影响测量结果；(5)试件的真空饱水及密封处理复杂。3. 混凝土氯离子扩散系数快速测定的RCM法方法所用试件的标准尺寸为直径1001mm，高度h=502mm，试件加工时至少切除混凝土表面20mm，试验室的温度控制在205。RCM测定仪（图2.2所示）的试验槽在试验前需用402的饮用水冲洗干净，然后把试件装入橡胶筒内，置于筒的底部。在橡胶筒体外侧与试件齐高处安装两个环箍并拧紧，使试件的侧面处于密封状态，防止液体渗漏到试件表面。把橡胶筒安装到试验槽中。试验槽中放有KOH和NaCl的溶液，橡胶筒内放有KOH溶液，安装好电极板打开电源，开始试验。试验时，试验室温度控制在205，在无负荷状态下，给试件两端加上300.2V的直流电压，并同步测定初始串联电流和电解液初始温度。试验时间按测定的初始电流确定（见表2.2）。试验结束时，先关闭电源，测定阳极电解液最终温度。试验结束后，从橡胶筒中取出试件，立即在压力试验机上劈成两半，在劈开的试件表面喷涂显色指示剂，然后再喷0.1mol/L的AgNO3溶液，15min后观测试件表面的颜色变化，并测定氯离子扩散深度，按照公式（2.2）计算氯离子扩散系数。 （2.2）式中：辅助变量，取为； RCM法测定的混凝土氯离子扩散系数（m2/s）； 电解液初始和最终温度的平均值（K）； 试件高度； 氯离子扩散深度（m）； 通电时间（s）。图2.2 RCM测定仪表2.2 初始电流与试验时间的关系初始电流10/mA应选定的通电试验时间/hI051685I0109610I0304830I0602460I01000很高5001000高100500中50100低1050很低1020次），即钢筋一直没发生疲劳破坏，故可认为在轮轨垂向力作用下，道床板主要破坏形式是道床板混凝土受压破坏，按照混凝土损伤（变形）累积三个阶段发展规律可知，受压区混凝土在疲劳荷载作用下，混凝土的内部损伤增加，变形随荷载循环次数的增加而增大。此外，道床板板面与轨枕结合面受拉区域是拉应力较大的区域，受拉区钢筋和混凝土在重复荷载作用下粘结将发生退化，钢筋和混凝土之间的滑移量不断增大，其在疲劳荷载作用下残余变形不断增加，都将导致道床板刚度降低，应变和裂缝宽度增大。当列车以不同速度通过道床板时，若列车速度增快，由于动载效应，将有更大的压应力作用在道床板上，这将使得道床板的疲劳寿命减短。Rheda2000型无砟轨道道床板在使用约61.5年后，在道床板与轨枕的新旧混凝土结合面处会出现疲劳破坏并扩展，由于新旧混凝土的粘结不良，在道床板和轨枕交接处的4个角端会出现40左右的角裂缝。随着列车运营次数的增加，裂缝将逐渐发展扩大，在设计和施工中应该加强此处的结构强度及提高此处耐久性。2. 北京交通大学的滕东宇21针对桥上纵连板式无砟轨道底座板，以其裂缝和疲劳为研究重点，从设计和检算两个方面对底座板耐久性进行了初步研究。基于刚度折减设计方法结合我国相关规范对底座板最大裂缝宽度进行了检算。同时，建立了依据应变发展情况的轴力变化计算模型，以此研究底座板裂缝数量规律。以客运专线无砟轨道再创新阶段性成果为基础，利用有限元软件ANSYS对底座板混凝土和钢筋应力进行了疲劳检算，通过分析，得出的结论如下面所述。建立了刚度折减模型，分析计算了轴力随结构平均应变的变化规律和结构的有效折减刚度。通过计算得到温度荷载主导作用性爱的底座板最大裂缝宽度，结果表明，德国规范规定的0.3mm较容易满足，若要满足轨内规范要求，则需要约4%的配筋率，经济性不是很好。考虑每次结构出现开裂，混凝土轴向力会有所释放，刚度会有一定折减。根据此种方法研究配筋率对轨道结构裂缝数目的影响。结果显示，配筋率增大，结构开裂时释放的轴力变小，裂缝宽度减小，裂缝数目会增加，即提高配筋率会使少量宽裂缝演变为较多的细小裂缝。3. 西南交通大学刘扬22依据铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定，考虑处于不同外部环境下的无砟轨道承载层碳化状态结合Fick扩散规律，对轨道结构碳化深度进行了预测，并依据分析结果提出了处于不同外部环境下的结构钢筋混凝土保护层厚度的参考取值及不同水泥材料的选择。主要研究结果如下面所述。对无砟轨道耐久年限影响比较大的是混凝土保护层厚度和裂缝宽度限值。若采用C40混凝土，保护层厚度取为50mm，裂缝宽度限值为0.3mm，则勉强可以满足60年的使用寿命要求；若保护层厚度取为60mm，裂缝宽度限值在0.20.4mm之间，则可使轨道结构有一定耐久寿命富余。4 结论道路领域：路用混凝土的耐久性包括很多方面，如抗冻性、混凝土碳化、碱集料反应，而抗渗性只是其中之一，但是，几乎所有的耐久性破坏都与抗渗性有关，由于时间关系，本文只对路用混凝土的抗渗性研究进行了归纳。通过归纳得到以下结论：1. 目前，水在混凝土中的渗透机理主要为压力差和毛细孔压力；氯离子的渗透机理有：毛细管作用、扩散作用、渗透作用和电化学作用。这些机理可以解释水和氯离子在混凝土中的渗透；2. 通过对混凝土抗渗性与混凝土碳化、混凝土抗冻、钢筋锈蚀关系的归纳，进一步证明抗渗性是混凝土耐久性的重要原因；3. 介绍了5种常用的评价混凝土渗透性的试验，并总结了每种试验的优缺点。但是，这些测试方法大多参考美国或欧洲的标准进行，不一定适合我国工程的实际情况，因此有必要尽快推出我国在这方面的自己的试验方法标准；4. 归纳了水灰比、粗集料NMPS、引气和龄期对混凝土抗渗性的影响，同时得到了各种因素的最佳值，对路用影响混凝土耐久性的因素有了初步认识。铁路领域：混凝土耐久性破坏导致混凝土结构达不到服役年限，在各个领域，耐久性研究越来越受到重视。耐久性研究也是无砟轨道的一个重要研究方向，刚刚起步。本文归纳了国内外无砟轨道耐久性研究的进展，重点对国内相关高校和个人的研究成果进行了介绍，通过这些总结，对无砟轨道的耐久性研究有了初步认识。几点想法：1. 水泥混凝土路面在使用过程中，受到行车荷载的作用，混凝土的耐荷载性指标，如抗冲击、耐磨性、抗荷载疲劳等，这些指标与混凝土路面实际受力情况有关，这些模拟水泥路面实际受力情况的试验方法，基本上没有统一的规范，目前开展的都是一些定性的研究，有必要随着研究的深入，建立统一的规范。2. 混凝土耐久性的研究应该考虑各种因素的耦合作用，不能仅仅为追求一种耐久性指标，而忽略了其它耐久性指标。3. 随着我国无砟轨道通车里程越来越多，有必要对已建线路的耐久性检测数据的统计分析，建立完整的无砟轨道系统耐久性评估模型。无砟轨道是一个系统，有必要建立更合理完善的考虑各结构层之间相互影响作用、环境作用、裂缝发展等的无砟轨道耐久性模型，以达到无砟轨道耐久性设计满足各部件耐久性相协调的目的。4. 无砟轨道轨道板与水泥混凝土路面特别是连续配筋水泥混凝土路面（CRCP）结构十分相似，在进行无砟轨道结构耐久性研究时，应借鉴道路混凝土耐久性的研究成果。参考文献1 申爱琴.水泥与水泥混凝土M.北京:人民