高能混凝土耐久机理分析.doc

绍兴市曹娥江大闸高性能混凝土试验及耐久性机理分析傅森彪(绍兴市曹娥江大闸建设管理委员会 绍兴市) 摘要：由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点，其结构存在着严重的耐久性问题。由于混凝土结构耐久性病害而导致的经济损失是非常巨大的，并且随着环境的变迁和功能要求的提高，耐久性问题愈来愈突出。曹娥江大闸枢纽工程通过对高性能混凝土配合比及其工作性能和力学性能的试验研究，分析了影响混凝土耐久性的机理，并预测了工程的使用寿命，提出高性能混凝土是提高大型工程百年耐久性的有力保证。关键词：高性能混凝土 耐久性 试验 研究 自从波特兰水泥问世以来，混凝土结构已成为工程基本建设中最为常用的建筑形式之一。但是，由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点，其结构存在着严重的耐久性问题。国内外有关统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的经济损失是非常巨大的，并且随着环境的变迁和功能要求的提高，耐久性问题愈来愈突出。国内外工程实践表明，高性能混凝土是提高大型工程百年耐久性的有力保证。我国自上个世纪八十年代开始研究高性能混凝土，二十多年来发展迅速，成果显著，但还处于具体工程具体试验研究论证阶段，还没有系统的设计理论和规范依据。曹娥江大闸枢纽工程作为I等工程，是国家重大水利基础设施项目，工程规模大，建设周期长，质量要求高，其设计寿命要求达到一百年，在国内挡潮闸建设中前所未有。工程优先考虑使用高性能混凝土，对提高结构耐久性、降低工程造价、减少工程服役期的维修加固费用、保护环境有重要意义。1 工程概况 浙江省曹娥江大闸枢纽工程曹娥江大闸枢纽工程位于浙江省绍兴市，钱塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，距绍兴30公里。主要建筑物有：挡潮泄洪闸、堵坝、岸墙、翼墙等，挡潮泄洪闸垂直水流方向总长705m，顺水流方向长636.5m。工程以防洪（潮）、治涝为主，兼顾水资源开发利用、水环境保护和航运等综合利用功能，总投资12.76亿元，计划于2008年建成。曹娥江大闸的修建，将使曹娥江92公里的感潮河段成为内陆河，使两岸的防洪标准提高到100年一遇以上。据专家测算，曹娥江大闸建成后，每年可增加淡水资源40亿立方米，同时将使曹娥江河口段500吨级通航保证率提高40%以上。曹娥江流域属亚热带季风气候区，冬夏季风交替显著，年温适中，四季分明，雨量丰沛。曹娥江河口的潮汐为非正规半日潮，平均高潮位3.6m，平均低潮位-2.0m，平均潮位0.7m。绍兴气象站多年平均气温16.5，平均相对湿度81%，极端最高气温39.5，极端最低气温-10.1。曹娥江河口地表水中SO42-离子、HCO3-离子、氯离子含量较高，对混凝土和钢筋混凝土结构中钢筋具有中等腐蚀性。2 水工高性能混凝土配合比经过试拌，确定水工高性能混凝土配合比，如表1所示。高性能混凝土配合比 （单位：kg/m3) 表1配合比编号胶凝材料组合方案水泥粉煤灰矿渣硅粉体积稳定剂砂石水NAF2(B)IA440665998198.04.40B219441756901036153.37.00C16287175136891035153.07.87D285132226921040153.710.54E154269186961045154.46.62注：1、用水量包含外加剂中的水，骨料为自然干燥状态。2、高性能混凝土水胶比选定0.35，普通混凝土水灰比为0.45。3、粗细骨料均为工程所在地的非碱活性的材料。4、水泥采用虎山P.O42.5级低碱水泥，粉煤灰采用级粉煤灰，磨细矿渣采用上海宝田公司的S95级磨细矿渣粉，硅粉采用遵义圣达铁合金有限公司的硅粉。3 水工高性能混凝土试验性能对比分析3.1施工性能配合比的水工高性能混凝土1小时后坍落度没有损失，反而有稍许增加，含气量2.2%，和易性中等，适于车送施工。配合比的水工高性能混凝土1小时后坍落度没有损失，含气量2.8%，因为多种矿物掺合料共掺，和易性较好，适于泵送混凝土施工。配合比的水工高性能混凝土1小时后坍落度没有损失，反而有稍许增加，含气量2.3%，因为掺加了5%硅粉和30%粉煤灰，所以混凝土和易性很好，适于泵送混凝土施工。配合比的水工高性能混凝土1小时后坍落度损失很小，含气量2.3%；由于磨细矿渣颗粒表面不光滑，“滚珠”效果较差，在坍落度较大的情况下，混凝土和易性较差，适用于车送施工。3.2混凝土力学、变形性能及耐久性 各方案混凝土技术性能指标汇总表 表2 技术性能配合比编号抗压强度/MPa7天34.447.443.841.945.728天41.961.858.353.650.728天抗压弹性模量/GPa32.035.336.038.436.828天劈裂抗拉强度/MPa 2.463.723.314.432.7628天抗拉强度/MPa 3.824.213.994.524.32极限拉伸值/10-6128142150138120抑制骨料碱活性效能（14天膨胀率降低率/%）75.092.590.087.5抗氯离子渗透快速试验（相对氯离子扩散系数D/（10-12m2/s）3.652.001.681.021.25浸泡法氯离子有效扩散系数D/（10-12m2/s）5.871.641.881.421.7915次浸烘循环钢筋锈积率/%50.117.44.100钢筋失重率/%1.030.160.0500抗硫酸盐侵蚀抗蚀系数K0.971.021.151.101.0612个月膨胀率/%0.0520.012000干缩率/10-6（采取措施后）28天32936037518933960天622604592420528180天73377262749757728天碳化深度/mm4.501.193.503.295.44抗冻融等级F100F200F200F200F20056天气体扩散系数/（10-7m2/s）3.612.692.302.352.83抗渗透性相对渗透系数/（10-8cm/h）652.0148.946.03.3510.64水工高性能混凝土耐久性机理分析4.1抑制碱骨料反应机理碱骨料反应是指混凝土中来自水泥、外加剂等的可溶性碱在水的作用下和骨料中某些组分之间的反应。发生碱骨料反应会在界面生成可吸水肿胀的凝胶或体积膨胀晶体，使混凝土产生体积膨胀，严重时会发生开裂破坏。碱溶液还会进入骨料在破碎时产生的裂隙中，和骨料中某些组分发生发应，使骨料受肿胀力破坏。一般把碱骨料反应分为两类：一类是碱硅酸反应，是指碱与骨料中活性SiO2反应，生成碱硅凝胶，凝胶吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂。另一类是碱碳酸盐反应，指碱与骨料中微晶白云石反应生成水镁石和方解石，在白云石表面和周围基质之间的空间内结晶生长，使骨料膨胀，进而使混凝土开裂。曹娥江大闸枢纽工程附近的料场中石料主要含有微晶质至隐晶质石英为活性成分，所以对曹娥江大闸枢纽工程来说，碱骨料反应主要是碱硅酸反应。抑制碱骨料活性效能试验和压滤试验分析表明，水工高性能混凝土能够降低碱硅酸反应发生的可能性，其主要原因是：（1）矿物掺合料的加入降低了水泥石孔溶液中K+、Na+离子浓度和pH值；（2）矿物掺合料的掺入对碱的物理稀释，矿物掺合料释放的碱大部分参与了水化反应和火山灰反应，仅有一部分参与碱骨料反应；（3）火山灰反应生成低CaO/SiO2的C-S-H凝胶，增加了结合Na+、K+的能力；（4）低水胶比和矿物掺合料的掺入增加了混凝土微结构的密实性，降低了混凝土渗透性，降低了碱在混凝土内部的迁移速率，也降低了碱硅凝胶吸附水的量，降低了膨胀。4.2 抗硫酸盐侵蚀机理硫酸盐侵蚀是硫酸盐与水泥中的含铝相、含钙成分，或者与早期生产的单硫型水化硫铝酸盐反应，生产体积膨胀的钙矾石（3CaOAl2O33 CaSO431H2O），当还有CO32-存在并处于高湿度的低温下时，硫酸盐还会侵蚀和分解水泥的主要水化物C-S-H，生成硅灰石膏（thaumasite, CaOSiO2CaCO3CaSO415H2O），从而破坏混凝土。无论是外部还是内部硫酸盐侵蚀，其必要条件是环境，即水能进入混凝土中；其充分条件是水泥中含有铝相或游离Al2O3、CaO的存在。硫酸盐侵蚀快速试验方法和测量膨胀值法试验结果显示：水工高性能混凝土具有优良的抗硫酸盐侵蚀性能，主要原因是：（1）掺加粉煤灰等活性掺合料后，相对降低了C3A的含量；（2）矿物掺合料二次水化的产物大多在硬化后的水泥石内形成，因而主要填充水泥石的毛细孔，降低水泥石的孔隙率，增大水泥石的密实性，低水胶比又进一步增加混凝土密实性，硫酸盐侵入混凝土内部变得十分困难；（3）硬化水泥石中的石灰浓度由于Ca(OH)2被吸收而迅速降低，还会导致一些极限石灰浓度较高的水化产物的进一步分解，其中最重要的是高盐基的水化铝酸钙水解成为极限石灰浓度较低的低盐基水化铝酸钙，因而消除或减小了高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）形成的可能性，而主要形成低硫型水化硫铝酸钙。高硫型水化硫铝酸钙是在石灰浓度较高时，在水化铝酸四钙（或水化铝酸三钙）固相表面生成并以细小晶体成刺状折出，放射状向四方展开，交叉搭空，互相挤压而产生显著的膨胀应力，而在石灰浓度较低，高盐基水化铝酸钙发生水解而成为低盐基水化铝酸钙的情况下，低硫型水化硫铝酸钙（3CaOAl2O3CaSO412H2O）在远离含铝固相表面的液相中以分散状析出结晶。由于它在液相中析出结晶，填充原来的充水空间，不仅不会产生有害的内应力，而且还可作为水泥石的有效组织结构，增强水泥石的密实性和强度；（4）水泥石中Ca(OH)2成分的减少和毛细孔中液相石灰浓度的降低，还会使石膏结晶型侵蚀强烈受阻。因为石膏结晶析出只有在Ca2和SO42-的浓度积达到石膏的溶度积时才可能发生，并且只有在石膏结晶量超过一定数值时才能对混凝土产生明显的侵蚀作用。由于火山灰反应吸收了大量的Ca(OH)2，基本上消除或减少了石膏结晶的可能性，即使在SO42-浓度很高的情况下，石膏结晶的数量也非常有限。4.3 抗氯离子侵蚀机理混凝土中Cl-的渗透由两个基本因素决定，一是混凝土对Cl-渗透的扩散阻碍能力，这种阻碍能力决定于混凝土的孔隙率及孔径分布；二是混凝土对Cl-的物理或化学结合能力，即固化能力，这种固化能力既影响渗透速率，又影响水中游离Cl-的结合速率。水工高性能混凝土中Cl-的迁移虽然同普通混凝土一样存在着三种方式扩散、毛细管吸附和渗透，但由于水工高性能混凝土结构一定程度上的改善，使其氯离子渗透机理与普通混凝土表现得有所不同。混凝土抗氯离子渗透快速试验和自然浸泡法试验证明，水工高性能混凝土具有比普通混凝土优异的抗氯离子侵蚀性能，其机理主要包括：（1）水工高性能混凝土水胶比小，混凝土更为密实，孔隙率降低，多害孔和有害孔比普通混凝土减少，氯离子渗透进入混凝土内部变得困难，氯离子渗透入混凝土内部的数量减少；（2）矿物掺合料改善了混凝土微观结构和水化产物组成。由于稀释效应，特别是火山灰效应，减少了粗大结晶、稳定性极差、很容易遭到氯盐等侵蚀介质腐蚀的水化产物Ca(OH)2的数量，也减少了Ca(OH)2在水泥石骨料界面过渡区上的富集与定向排列，从而优化了界面结构，并生成增强、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙凝胶，极大提高水工高性能混凝土抗氯离子渗透性能；（3）由于矿物掺合料对Cl-的物理吸附（初始固化）和二次水化产物的化学固化与物理化学吸附，这部分被结合的Cl-通常不会对钢筋构成危害，从而减少了混凝土孔隙液中有害的游离Cl-数量。对矿物功能材料的氯离子固化机理研究表明：高性能混凝土水化早期的氯离子固化主要与矿物功能材料的初始固化力（物理吸附）有关，该能力的大小与材料种类有关；到了混凝土水化的中、后期，则是由于二次水化反应形成较多的CSH凝胶对Cl-强烈的物理化学吸附和水化铝酸钙与Cl-反应生成水化氯铝酸钙的化学固化，对Cl-的中、后期固化发挥着重要作用。5工程寿命分析5.1基于碳化深度的寿命预测国内外很多学者早已证实，在正常的大气介质中，混凝土的碳化深度可用下式表示： （5.1）式中： 混凝土的碳化深度(mm)； 碳化速度系数； 碳化龄期（d）。中国建筑科学研究院混凝土研究所等单位组成的混凝土耐久性专题研究小组认为：必须考虑不同材料因素对混凝土碳化的影响，从而提出了在周围介质及施工条件基本不变的情况下，混凝土碳化深度可用多系数方程来表示，即： （5.2）式中： 水泥用量影响系数；水灰比影响系数；粉煤灰掺量影响系数；水泥品种影响系数；集料品种影响系数；养护方法影响系数。在现场施工中，如果所用原材料、混凝土配合比等内容和室内试验一致，且养护充分，则、等系数也和室内试验下一致，则利用（5.2）式可以推出预测任何龄期混凝土自然碳化深度的如下公式： （5.3） 式中 ：预测某龄期混凝土的自然碳化深度(mm)；快速碳化时的混凝土碳化深度(mm)；混凝土快速碳化龄期（年）；预测的自然碳化龄期（年）；快速碳化时二氧化碳的浓度，为20%；预测对象周围介质的二氧化碳浓度，在大气中，一般可取为0. 03%。根据表3选取。快速试验中，为28天，即0.0767年。表4列出保护层厚度分别为40mm时，基于碳化深度的工程预测寿命。 混凝土碳化深度 表3配合比编号28天碳化深度/mm4.501.193.503.295.44 基于碳化深度的工程预测寿命（保护层厚度40mm） 表 4配合比编号工程预测寿命/年4040100006679755827655.2基于氯离子有效扩散系数的寿命预测实际上，氯离子扩散系数并不是固定不变的，而是随着养护龄期的增长呈递减变化，还受到矿物掺合料的影响，文献1中，认为经验氯离子扩散系数和有效扩散系数之间的关系式为 （5.4）公式（5.4）中，是在时间等于1秒时的有效扩散系数，如果时间不等于1秒时，则公式（5.4）变为下式 （5.5）考虑公式（5.5），则公式（5.6）变为 （5.6）式中：经过时间后，深处混凝土的氯离子含量，%；氯离子扩散深度，m；氯离子扩散时间，s；表面混凝土氯离子含量；误差函数。时间的氯离子扩散系数，m2/s；拟合的指数，反应混凝土渗透性对时间的依赖程度；水化龄期，此处取为五个月，1.296107s。确定钢筋腐蚀的临界浓度C后，代入（5.6）式，以混凝土保护层厚度作为，当确定氯离子扩散系数（按照表5选取）后，即可推测混凝土中钢筋开始腐蚀的使用寿命。 混凝土水溶性氯离子有效扩散系数 表5 配合比编号有效扩散系数D(10-12m2/s)5.871.641.881.421.79普通混凝土的值在0.200.30之间，此处取为0.25；矿渣混凝土的值在0.600.67之间，粉煤灰混凝土在0.790.86之间，硅粉混凝土的值在0.810.89之间2。为偏于保守，此处取水工高性能混凝土的为0.3。曹娥江大闸周围水中氯离子浓度较低，约3000mg/L， 远小于一般海水（约15000mg/L），不能根据常规海洋环境选取C0。距曹娥江大闸上游3.6km的绍兴县迎阳闸（建成12年）所处的环境和曹娥江大闸相近，我们以该工程表面砂浆的C0值作为曹娥江大闸的C0值。取样地点分别在迎阳闸翼墙标高3.2m（黄海标高，水位变动区）和标高5.0m（黄海标高，浪溅区）处，所测得的水溶性氯离子含量分别为0.046%和0.34%