混凝土耐久性设计的理念和方法.ppt

混凝土耐久性设计的理念和方法黄士元 同济大学 地址 上海200433武东路100号同济大学武东校区电话 021 65901021 O 55137149 h 1 什么叫高性能混凝土 高性能混凝土不是混凝土的一个品种高性能混凝土是个学术性名词据现在的理解 高性能混凝土必须具备的性能 1 针对具体环境下的高耐久性 2 不易开裂性 特别是早期抗裂性 3 适当的较高强度 4 良好的工作性因为 3 4 两个要求 目前混凝土技术都能达到 因此所谓高性能主要是耐久性和抗裂性 2 混凝土的早期抗裂性 2 1问题的提出过去只有大体积混凝土 由于内外温差引起的裂缝受到重视 现在早期裂纹是常见病多发病 背景 现代水泥比表面大3300cm2 g 早期强度高 混凝土施工的传统要求早强 早脱模 现代混凝土工艺 高级水泥 高效减水剂 高坍落度 但又不重视早期养护 2 2早期裂纹的原因在完全约束条件下 E Rp时 混凝土开裂 混凝土变形 收缩 温度变形等 E 弹性模量Rp 抵抗力是抗拉强度或者当 Rp E 极限时 混凝土开裂混凝土收缩值 大致在0 5 10 3 极限拉伸 极限大致在0 1 0 2 10 3所以 完全约束下 混凝土都开裂 在实际构件 最大拉应力决定于温度 湿度分布 E Rp 极限 与养护条件和水化热有关过去的水泥和混凝土 早期收缩值小 收缩值测试原点是3天 现在的混凝土 早期收缩 干缩 自收缩很大 可达0 05 10 3因此必须研究混凝土最早期性能 图1最早期弹性模量随时间的变化 图2最早期极限拉应变随时间的变化 从图1和图2可见 从成型后4小时至8 10小时 E升至104Mpa 而此时的Rp却还很小 极限降至最低值0 05 10 3这是现代混凝土早期开裂最危险的时间越是早强混凝土 越早失去塑粘性 弹性模量增长越快 越易开裂 2 3防止早期开裂最主要两点 1 降低早期强度R12h 6MPa或R24h 12MPa这是材料本身的因素 混凝土配合比设计问题 2 注意最早期的养护及表面保温减小温 湿度分布梯度 减小拉应力 3 混凝土耐久性问题 3 1发达国家从20世纪70年代开始很重视耐久性问题背景 二战后开始大规模建设 70年代出现大量混凝土劣化和结构破坏事例 比较全面的工程结构破坏的调查和分析 70年代开始重视混凝土耐久性的科研 修订结构 施工规范 对耐久性作了明确严格的规定 3 2我国对混凝土结构耐久性的认识经历了几个阶段 20世纪80年代末以前政府部门 工程界 技术界对耐久性普遍不够重视个别学者 高等院校 科研院所坚守自己阵地 进行单个破坏因素的耐久性研究 做基础工作 20世纪90年代专家呼吁 学术界 工程界开始重视耐久性问题背景 大量结构过早破坏事例 20世纪末和21世纪以来开始实行混凝土耐久性设计三峡工程青藏铁路工程2004年 混凝土结构耐久性设计指南 颁布我国比发达国家落后15 20年后果 许多重大工程存在隐患 今后我国将出现混凝土结构修补 加固 拆了重建的高潮 几点经验教训 1 混凝土随时间劣化是混凝土结构过早破坏的主要原因 2 绝大部分破坏事故是 人为错误 知识结构的错位 应该可以避免的 结构与材料的分隔 3 从材料研究领域 各专家钻研某单项破坏的研究 分工过细 钻研很深 但缺乏综合考虑 顾此失彼 近几年来 材料人员结合重大工程的材料设计和研究 效果好 大有用武之地 3 3按机构物服务年限设计混凝土国务院颁布的 建设工程管理条例 中规定设计文件上要注明工程的使用年限 按结构物的重要程度 如30 50 100年等 这是对混凝土耐久性设计的一个重大挑战 过去按强度要求设计混凝土 现在除强度外 还要按耐久性设计混凝土是一个重大改变 不单单是配比设计 涉及质量控制 监理 要做一系列的有关耐久性能的现场测试 结构工程师提出一个问题 结构设计基于力学计算 因此是可靠的 混凝土耐久性设计可靠吗 结构设计构件设计基础是力学计算 可靠安全度或安全系数 模糊概念 经验也重要整体设计主要靠经验 设计人员素质 材料耐久性设计单项破坏因素研究较深入 指标和防止措施也较明确 因此较可靠综合设计 分析环境 分析可能的破坏主要因素和次要因素确定耐久性指标 采取综合措施 包括防裂措施 已有发达国家经验 他们比较成熟的耐久性设计标准和规范 我们可以借用我国已颁布与国际接轨的 混凝土耐久性设计指南 该指南吸取了我国研究成果和经验教训 4 混凝土耐久性设计的方法 4 1设计的任务 要求和步骤投资方提出服务年限的要求设计方对工程的服务年限负责设计方委托材料试验研究做混凝土耐久性设计材料研究方对设计方负责 任务 1 对不同构件 不同的工作环境 大环境 小环境 设计相应的最佳混凝土配比 以满足服务年限的要求 2 提出相应的混凝土耐久性指标 作为质量检查和判断的依据 3 提出对原材料的要求和施工的特殊要求 步骤 1 查明结构物及其各构件的详细环境资料 气象资料 地下水和土壤化学分析等等 2 分析可能导致混凝土破坏的主要因素和次要因素 很重要 3 提出各种混凝土配比的耐久性指标要求 4 确立主要技术措施 包括防裂措施 如强度标号 可能高于结构设计的要求 工作性 耐久性能指标如水泥品种 砂石质量要求 矿物掺合料及其质量要求 外加剂 含气量等 5 试验方案设计 工作量很大的试验研究工作以及试验结果的汇总及分析 6 最后得到最优化的指导性配比 7 根据指导性配比 施工方对配合比的复核和微调 必要时对某些耐久性指标复核 4 2环境对混凝土破坏原因的分类炎热干燥气候收缩引起开裂水泥水化不充分 混凝土强度降低干湿循环各种破坏因素的促进作用孔溶液中某些化合物结晶产生的结晶压物理作用水的渗透渗水影响结构物的使用功能冻融交替引起从混凝土表面剥落开始的破坏盐的结晶结晶压导致开裂盐冻盐和冻融的综合作用 产生裂纹和剥落后加速Cl 离子的渗透 硫酸盐侵蚀膨胀 开裂 强度下降化学介质侵蚀置换反应酸性介质破坏软水 溶蚀化学作用碱 集料反应混凝土本身的原因胶凝材料中CaO和MgO的水化生成水化物中过量的钙矾石膨胀性水化物大气中CO2引起的钢筋锈蚀海水 除冰盐和混凝土内部由海砂 外加剂带入的Cl 离子引起的注 钢筋锈蚀本身是电化学作用 但从混凝土保护层的护筋性讨论主要是物理作用 碳化也有化学作用 4 3单项破坏因素的防止措施 4 4设计和配制耐久防裂混凝土的一般通用途径耐久混凝土应该是抗裂性好的混凝土 耐久混凝土应该考虑防止裂缝措施 而耐久和防裂措施许多是一致的 1 选用水泥低早强 防裂要求R24h 10 12Mpa 低水化热 低C3A含量 低含碱量 2 坚固耐久的集料 用锤式破碎机破碎的碎石 级配和粒形较好 冲洗干净 3 尽可能减少胶凝材料总量 为此尽可能降低单方拌和水量 为此 选择合适的坍落度 纠正现在不管场合追求20 22cm高坍落度 4 掺加粉煤灰 矿粉或两者复掺 5 掺加优质引起剂 5 矿物掺合料 粉煤灰 矿粉 硅灰 沸石粉等 现在主要用粉煤灰 矿粉 硅灰对耐久性是很好的掺合料 很容易裂纹 所以要慎用 这里主要讲粉煤灰和矿粉 掺粉煤灰 矿粉对多种破坏因素的耐久性是必不可少或有利的 5 1粉煤灰掺粉煤灰技术是现在已普遍推广对耐久性的好处 1 提高抗Cl 离子渗透 必需 2 提高抗碱 集料反应 3 提高抗硫酸盐侵蚀 必需 4 提高抗渗性 5 防止早期裂纹 必需 对拌合物工作性的好处 工作性好 尤其可泵性好 滚珠效应 京沪沿线建立粉煤灰加工厂 通灰风选 级灰或准 级灰球磨 级灰粉煤灰的缺点 1 强度发展慢 用超量取代设计 28天等强度 2 碳化速度有所增加 后期碳化稳定 3 质量不太稳定 5 2矿粉是最近几年 2000年以来 新兴建材行业目前有宝钢 2条 首钢 唐钢 鞍钢 芜湖等7条自动化生产线已投产 每条生产线年产60万吨 预期最近几年内全国能达到年产600万吨的生产能力 优点 1 比粉煤灰强度增长快 有自硬性 C2S 能等量取代水泥 2 耐久性的好处与粉煤灰相同缺点 1 收缩较普通混凝土稍大 随矿粉比表面积增大 收缩值增大 因此矿粉比表面不宜超过4500cm2 g 虽然收缩大 但早期抗裂性却不低于普通混凝土 2 拌合料在同坍落度条件下 粘度大 工作性 可泵性不如粉煤灰 应用趋势 矿粉 粉煤灰两者复掺 比例大致1 1 取长补短 强度发展适中 解决了单掺矿粉的工作性问题 6 引气混凝土 以前的认识 引气是大幅度提高抗冻性和抗盐冻的唯一最好方法 实际上 引气混凝土是提高多种耐久性的最有效措施 大幅度提高抗冻 抗盐冻性 必不可少 提高所有因膨胀破坏的耐久性 结晶压破坏 必需 碱 集料反应 抗硫酸盐侵蚀 必需 机理 大量小气泡成为膨胀的缓冲器 减小膨胀值 提高抗Cl 渗透及抗水渗透性原因切断毛细管通道除耐久性外 提高工作性 可泵性小气泡的滚珠效应 有减水效应 减水率6 以上 提高拉压比 即增加韧性 缺点 随着含气量的增大 强度降低优质引气剂每增大1 含气量 强度降低3 劣质引气剂 气泡半径大 强降更大 在配合比设计中 利用其减水效应 可降低水灰比 弥补一部分强度损失 施工现场必须随时测含气量 加强质量监控 强调必须用优质引气剂 目前引气剂市场较乱 假冒伪劣商品鱼目混珠 劣质引气剂气泡稳定性差 气