寒冷地区高性能混凝土病害与防治

1 寒冷地区高性能混凝土病害与防治 黑龙江省混凝土及外加剂专家委员会 前言前言 水泥混凝土是近现代最广泛使用的建筑材料 也是当前最大宗的人造材料 进入 20 世纪以来 以混凝土为建筑材料的工程结构物得到飞速发展 与其他建筑材料相比 混凝 土以其良好的综合性能已成为楼宇 桥梁 大坝 公路和城市运输系统等现代化标志的首 选材料 据不完全统计 当今世界每年消耗的混凝土量不少于 45 亿立方米 而且在 21 世 纪将继续稳定增长 1 水泥混凝土从问世以来 经历了低强度 中等强度 高强度乃至超高强度的发展历程 似乎人们总是乐于追求强度的不断提高 但是近四五十年以来 混凝土结构物因材质劣化 造成过早失效以至破坏坍塌的事故在国内外都屡见不鲜 并有愈演愈烈之势 这些混凝土 工程的过早破坏 其原因不是由于强度不足 而是由于混凝土耐久性不良 例如 在日本 海沿岸 许多港湾建筑 桥梁等 建成后不到 10 年的时间 混凝土表面即出现开裂 剥 落 钢筋锈蚀外露 美国国家材料顾问委员会 1987 年提交的报告报道 约有 25 3 万座混 凝土桥面板出现不同程度的破坏 其中部分仅使用不到 20 年 而且每年还将增加 3 5 万座 同年 Litvan 和 Bickley 发表了对加拿大停车场的检测报告 他们发现大量停车场在远比预 计的服务寿命要早得多就出现破坏 2 美国 1991 年在提交国会的报告 国家公路和桥梁 现状 中指出 美国当时的全部混凝土工程价值约 6 万亿美元 而每年用于维修的费用高 达 300 亿美元 南非 1981 年用于拆换桥梁 挡土墙 墩柱 路面 路缘 蓄水坝 系桩 柱 防波堤 电杆基础等的经费就超过 2700 万英镑 这些结构物多是在建成后 3 10 年 内就发现开裂破坏 英格兰岛中部环形线的 21km 快车道 11 座混凝土高架桥的建造费是 2800 万英镑 1972 年 因冬季撒盐化冰雪 两年后就发现钢筋锈蚀将混凝土顺筋胀裂 到 1989 年的 15 年间 修补费高达 4500 万英镑 即为造价的 1 6 倍 估计以后 15 年 到 2004 年 还要耗费 1 2 亿英镑 累计接近造价的 6 倍 3 日本目前每年仅用于房屋结构维修 的费用即达 400 亿日元以上 日本引以自豪的 新干线 使用不到 10 年就出现大面积混 凝土开裂 剥蚀现象 4 我国基本建设比发达国家迟三十多年 但已建的一些工程也有类似令人堪忧的状况 有不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求 据统计 我国现有建筑面积 50 亿平方米 其中约 23 亿平方米需分期分批进行鉴定加固 近 10 亿平方米急需维修加固 1989 年 2 建设部科技发展司组织调查组对北京 西宁 贵阳等地的一些建筑物进行了调查 结果表 明 建国初期的建筑均已达到必须大修的状态 现有大多数工业建筑不能满足安全使用 50 年的要求 一般使用 25 30 年就需大修和加固 4 我国在 50 年代兴建的大坝有许多已 经成为陷入危境的 病坝 截至 1997 年年底 驰名中外的安徽佛子岭 梅山 响洪甸 三座老坝共亏损 1 亿多元 仅佛子岭 1997 年一年就亏损 1700 万元 而在修补佛子岭的设 计预算中 只修两个拱就需要 1400 万元 1985 年水电部调查报告表明 我国水工混凝土 的冻融破坏在 三北 地区的工程中占 100 这些大型混凝土工程一般运行也就 30 年左 右 有的甚至不到 20 年 如云峰宽缝重力坝 运行 19 年后下游面受破损显著 表面剥蚀 露出骨料 总面积约 8500 平方米 而丰满重力坝自从运行后就年年维修 运行 33 年后 上 下游面及尾水闸墩破损明显 表面露出钢筋 冻害严重 致使坝顶抬高 10 余厘米 港口码头工程 特别是接触海水工程 其受冻破坏的现象更为严重 破坏的结构主要是防 波堤 胸墙 码头 栈桥等 如天津新港的防波堤 采用普通混凝土的部分 经十几年左 右的运行 就被冻融破坏以致不能发挥作用了 地处寒冷地区的水电站 工业厂房 铁道 桥涵 交通部门的混凝土路面 桥梁及市政工程等的混凝土 接触雨水 蒸汽的部分 排 水系统及受渗透水作用的部分 都受到了冻融破坏 如通辽发电厂的冷却塔 筒壁混凝土 由于渗水致使混凝土遭受冻融破坏而发生表皮剥落 空鼓等现象 为使上述及类似工程继 续发挥作用 各部门每年都要耗巨资加以维修 根据以往经验 混凝土工程安全使用期和 维护使用期的比例为 1 3 10 但维护使用期的维修费用却高达建设费用的 1 3 倍 4 我国南方海港浪溅区钢筋混凝土建筑物由于以往设计标准偏低和施工质量问题 通常使用 8 10 年即出现因氯盐腐蚀钢筋引起的开裂剥落破坏 维修费用及由此造成的直接 间接 经济损失惊人 例如某 10 万吨级矿石中转码头 使用不到十年即要大修 大修防护费用 预计高达上千万元 有专家预计 21 世纪初我国将出现混凝土结构物的维修高潮 每年 所需的维修费用可能高达数千亿元 我国北方如北京 天津等地的钢筋混凝土立交桥 即 使没有像美国北方冷天要常撒盐化冰雪 使用时间也并不长 却已广泛显示钢筋锈蚀和混 凝土顺筋胀裂的破坏迹象 并日益加剧发展 3 1998 年 曾调查我国北方某国际机场使用 仅数年的混凝土停机坪 发现混凝土道面多数出现坑蚀剥落破坏 5 严重影响飞机正常安 全起降 后分析得知是由于道面混凝土遭受冻融及除冰盐侵蚀双重破坏作用所致 可见 由于混凝土的耐久性劣化或失效 世界各国为此付出的代价十分沉重 然而 值得庆幸的是 由于工程安全因素更由于耗费巨资的经济因素提醒了我们 现在 混凝土 耐久性问题已越来越受到人们的重视 美国学者用 五倍定律 形象地说明了耐久性的重 要性 尤其是设计对耐久性问题的重要性 例如设计时 对新建项目在钢筋防护方面无谓 地每节省 1 美元 就意味着当发现钢筋锈蚀时采取措施要多追加维修费 5 美元 顺筋开裂 3 时需多追加维修费 25 美元 严重破坏时需多追加维修费 125 美元 沉重的代价使人们认 识到 不仅要用耐久性良好的材料及时修复已出现耐久性劣化的混凝土工程 更重要的是 必须使今后新建的混凝土工程具有足够的耐久性以保证设计使用寿命 例如一些国家要求 建设更为耐久的结构物 设计使用寿命为 100 年或更长 为此 世界各国都开始专门研究 混凝土的耐久性及其改善技术 日本建设省从 1980 年就组织进行 建筑物耐久性提高技 术 的开发研究 并于 1985 年提交了研究成果概要报告 1986 年开始陆续出版发行了 建筑物耐久性系列规程 有关混凝土耐久性的国际会议也已召开多次 反映了各国研 究的最新成果 由欧洲 RILEM 等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议 自 1976 年以来 每三年举行一次 1989 年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议 1991 年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议 混凝土的耐久 性问题在我国也日益受到重视 全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学术组 于 1991 年成立 中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会 也于 1992 年 11 月在济南成立 我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段 4 我 国正处于基本建设的高潮期 特别是当前国家西部大开发的战略部署 大规模的基础设施 工程正在或即将建设 每年混凝土用量高达十多亿立方米 其中许多设施属重点工程 如 三峡水利枢纽工程 跨海跨江的特大型桥梁 高等级公路 大中型飞机场等 都是国家投 以巨资的项目 均要求高寿命 发达国家走过的路已经表明 如果不重视工程混凝土的耐 久性 将付出极大的经济代价 甚至影响经济建设的推进步伐 所以我国十分重视工程质 量和耐久性 朱镕基总理就曾对三峡工程作出指示 千年大计 国运所系 国家计 委 国家科技部在 九五 期间安排了由 8 家实力雄厚的科研院所承担的重点科技攻关项 目 重点工程混凝土安全性的研究 针对混凝土安全性存在的抗碱 骨料反应性 耐腐 蚀性 抗冻性 耐钢筋锈蚀性等问题 从材料角度研究混凝土的耐久性 由此看来 混凝土耐久性已成为国际工程界普遍关注的重大课题 随着科学技术的发 展和人类文明的进步 人类生产活动涉及的范围越来越广 各种在严酷环境下使用的混凝 土工程 如跨海大桥 海洋工程 核反应堆 电站大坝等不断增多 这些工程关系国计民 生 必须实现百年大计甚至千年大计 这就更加要求混凝土具有优异的耐久性即足够长的 使用寿命 为此 人们对混凝土耐久性的追求已越来越主动和自觉 甚至超过了过去对混 凝土强度的追求 于是以高耐久性为核心内容的高性能混凝土 High Performance Concrete 简称 HPC 便应运而生了 7 以美国弗吉尼亚州交通研究院的 C Ozyildirim 为代表强调 用于交通设施的高性 能混凝土最重要的性能是低渗透性与高早期强度 在一些特殊设施中还要求较高的极限强 度 40 4 一 高性能混凝土发展概况 高性能混凝土自提出以后的 10 多年以来 世界各国都对其进行了大量的研究开发与 推广应用工作 其实早在高性能混凝土这个名词诞生以前 世界各国都已在客观上成功地 应用了高性能混凝土 例如 10 11 美国西雅图双联广场 C135 混凝土 1988 年 美国芝加哥水塔大厦 C75 混凝土 1975 年 美国纽约 Trump 塔楼 C65 混凝土 1981 年 加拿大多伦多 Nova Scotia 广场中心大厦 C80 混凝土 1987 年 日本明石海峡大桥 C40 混凝土 1988 年 进入 20 世纪 90 年代以后 高性能混凝土的研究开发与推广应用快速发展 世界各 国均对此予以高度重视 1 12 14 1986 年 1993 年 法国由政府组织包括政府研究机构 高等院校 建筑公司等 23 个 单位开展了 混凝土新方法 的研究项目 进行高性能混凝土的研究 并建成了示范工程 如 Joigny 城一座三跨后张法预应力钢筋混凝土桥 其混凝土强度等级相当于我国 C70 又 如 Civaux 核电站 2 号反应堆预应力混凝土安全壳 高 85m 直径 44m 混凝土强度等级 为 C70 其水泥用量只有 240kg m3 却有很高的气密性 再如英吉利海峡隧道衬里 由于 设计寿命为 120 年 配制了水灰比为 0 35 0 32 水泥用量为 400kg m3的混凝土 抗压强 度为 63MPa 渗透系数极低 K 1 4 10 13m s 1996 年 法国公共工程部 教育与研究部 又组织了为期 4 年的国家研究项目 高性能混凝土 2000 投入研究经费 550 万美元 对 高性能混凝土材料设计 耐久性及工程性能进行广泛的研究 日本建设省于 1988 1993 年进行了一项综合开发计划 钢筋混凝土结构建筑物的超 轻质 超高层化技术的开发 简称 新 RC 计划 该计划研究内容涉及到了有关高性能 混凝土的高工作性 高强度等方面 获得大量的科研成果 并在工程中获得了试验验证与 工程应用 挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金 SINEF 持续资助高强混凝土和高性能混 凝土的研究 瑞典 1991 年 1997 年由政府和企业联合出资 5200 万克朗 实施高性能混凝土研究 的国家计划 加拿大于 1990 年启动 优质混凝土科研网 这是由该国政府提供科研基金 2 4 亿加 元 的一项国家重大科研项目 集中了 7 所大学和两家公司的科研力量 经过 8 年努力 在高性能混凝土及活性粉末混凝土领域取得了举世瞩目的成果 并制定了有关高性能混凝 土的规范 5 美国在高性能混凝土研究应用方面成果丰富 1994 年 美国联邦政府 16 个机构联合 提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议 并决定在 10 年内投资 2 亿 美元进行研究和开发 美国国家自然科学基金 NSF 美国国家标准与技术研究所 NIST 美国联邦公路管理局 FHWA 以及一些州政府的运输部和美国工程兵研究机构 都一直投 入大量经费来资助高强混凝土和高性能混凝土的研究开发 例如 NSF 以每年 200 万美元 的经费定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究中心对高性能混凝土进行研究 1999 年 美国 NIST 的建筑与防水研究试验室 BFRL 在国际互联网上公布了一个 高性能 混凝土技术的伙伴关系 Partnership for High Performance Concrete Technology 由工业界 四个大企业和国家预拌混凝土协会 波特兰水泥协会合作 承担 商品高性能混凝土结构 项目中计算机集成知识系统 CIKS 的开发 的国家重点研究计划 英国 西班牙 德国 澳大利亚 波兰等国也纷纷组织专门机构对高性能混凝土进行 研究 近年来 我国高强混凝土与高性能混凝土的研究 应用在有限的经费支持下发展也 较快 清华大学于 1992 年开始进行有关高性能混凝土的研究 并得到各部门的重视与支 持 1994 年 1997 年由国家自然科学基金委员会 国家建设部 国家铁道部及国家建材 局联合资助一项国家自然科学基金重点项目 高强与高性能混凝土材料的结构与力学性态 研究 项目由清华大学主持 有铁道科学研究院 中国建材科学研究院 原重庆建筑大 学 东南大学共同承担 成果卓著 在 九五 期间 国家计委 国家科技部安排了重点 科技攻关项目 重点工程混凝土安全性的研究 一大批专家对该项目进行了跨行业 跨 部门的联合攻关 重点对混凝土耐久性及高性能混凝土进行了系统研究 取得了大量成果 近年来 我国许多重大工程中都不同程度应用了高性能混凝土 2000 2003 年期间 由中 国工程院土木建筑学部国家建设部科技司组织 清华大学陈肇元教授主持下 国内有关专 家讨论制定了 混凝土结构耐久性设计与施工指南 拟将对高性能混凝土应用与发展起到 不小的推动作用 1995 年 1997 年 中国最高 世界第三高的上海金茂大厦 总高 420 5m 采用了 C40 C50 C60 高性能混凝土 采用泵送施工 并创下一次泵送到 382 5m 高度的 世界纪录 此外 上海东方明珠电视塔 深圳地王大厦 首都机场航站楼 台湾东帝士大 厦等工程中均成功应用了高性能混凝土 世界各国之所以能够成功地在诸多重点工程中应用高性能混凝土 是基于对高性能 混凝土的基础研究才实现的 1 1 对高性能混凝土原材料的选择及研制对高性能混凝土原材料的选择及研制 对于水泥 目前尚采用以往的常规传统水泥制备高性能混凝土 但为了与外加剂相 容性良好 多采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 且 C3A 含量应降低 随着对高性能混 6 凝土性能要求的不断提高 世界各国正致力于研制生产新型高性能水泥 或称高性能胶凝 材料 如日本小野田水泥公司与清水建设共同研究开发的球状水泥 比普通水泥具有优 越的物理力学性能 所谓球状水泥 是将水泥粒子加工成球形 而不是传统水泥的碎石型 这种水泥可以使混凝土达到高流动性 高强度及高耐久性 确为高性能水泥 此外还出现 了调粒水泥 活化水泥等 Rossetti 等经试验研究在意大利一家水泥厂投产了一种特种超 塑化水泥 SPC Special Superplasticized Cement 该水泥是在意大利 525 型硅酸盐水泥生产 时掺入超塑化剂制成的 该水泥可明显提高混凝土流动性 瑞典用中热水泥和硅灰及超塑 化剂生产出一种强力改性水泥 EMC Energetically Modified Cement 它可用极低的水灰比 配制成高强度或高性能混凝土 80 年代 90 年代初 前苏联研制成功低需水性水泥胶凝 材料 BHB 系列产品 后来俄罗斯水泥科学研究院又研制成新产品 系列产品 这 种水泥与普通水泥相比 需水量要小得多 活性也有较大提高 适用于配制低水灰比混凝 土 可使混凝土具有良好的工作性和耐久性 且水化热低 这些均符合高性能混凝土的需 要 1 高性能混凝土离不开外加剂和矿物掺合料 为此 世界各国也大力研究开发了高性能 外加剂及优质矿物掺合料 如萘系 多羧酸系 三聚氰胺系及氨基磺酸系等系列高效减水 剂 日本研制生产的 AE 型引气剂等 这些外加剂的出现使高性能混凝土高工作性 高耐 久性的实现成为可能 矿物掺合料也是高性能混凝土不可缺少的组分 目前已出现了专门 用以制备高性能混凝土的高效优质复合型矿物掺合料 此外 各国对制备高性能混凝土所需的粗 细骨料要求也逐步规范化 标准化 同时 也出现了用轻骨料配制的高性能轻混凝土 1 2 高性能混凝土配合比设计的研究高性能混凝土配合比设计的研究 高性能混凝土设计目标首先是高耐久性 并兼顾工作性与强度 为此 世界各国学者 均提出了各自的有关高性能混凝土配合比设计方法 如 P K Mehta 和 Aitcin 推荐的高强度 高性能混凝土配合比确定方法 法国路桥实验中心建议的有关高性能混凝土设计方法 日 本阿部道彦采用的高性能混凝土配合比计算方法及 Domone Carbonari 等基于最大密实度 理论而提出的高性能混凝土配合比设计方法 高性能混凝土对原材料质量及配合比参数变 化都较敏感 故配合比计算的精确度要求较高 为此 世界各国学者研究了高性能混凝土 配合比设计的计算机化 例如清华大学博士研究生王德怀进行的 高性能混凝土配合比设 计与质量控制的计算机化 课题研究 法国路桥实验中心提出的优化高性能混凝土配合比 设计的 RENE LCPCTM软件等 15 1 3 有关高性能混凝土性能及评价方法的研究有关高性能混凝土性能及评价方法的研究 高性能混凝土具有优于普通混凝土的高工作性 高耐久性及良好的力学性能 这些高 7 性能若仍采用传统的普通混凝土性能评价方法 显然是不合适的 各国学者针对这一问题 进行了广泛的研究 对高性能混凝土的高流动性评价 各国学者在流变学研究的基础上 提出了多种评价方法 如 L 流动试验 V 形漏斗试验 环贯入试验 圆筒贯入试验 充 填性试验等方法 16 19 因为高性能混凝土的核心内容也即最显著标志是高耐久性 对高性能混凝土耐久性及 其评价方法的研究是各国学者重点关注的方面 较多的研究集中于高性能混凝土渗透性评 价 如采用美国 ASTM C1202 和 AASHTO T277 的通电测量法及其改进方法的研究 而对 高性能混凝土其他耐久性如抗冻性的研究则相对较少 而且 目前也尚无统一的高性能混 凝土耐久性评价方法及评价指标 这在一定程度上与高性能混凝土发展趋势不相适应 此外 各国学者对高性能混凝土材料显微结构也进行了研究 提出了一些不同于普通 混凝土的独特机理 在各国学者共同努力下 高性能混凝土的研究和应用正向逐步成熟进而向更高目标迈 进 目前已出现了超高性能混凝土 Ultra High Performance Concrete 简称 UHPC 较成功 的有活性细粒混凝土 Reactive Powder Concrete 缩写成 RPC 等 使高性能混凝土向着更 加耐久 高断裂能的方向发展 我国学者吴中伟院士提出高性能混凝土应充分发挥其环保 节能 可持续发展的优势 使高性能混凝土最终向 绿色高性能混凝土 Green High Performance Concrete 简称为 GHPC 方向发展 10 二 高性能混凝土耐久性研究现状 2 1 普通混凝土耐久性试验方法的局限性 普通混凝土耐久性已经有了沿用已久的试验方法 例如用抗水渗透性试验来评价混凝 土抵抗外部介质侵入的能力 用抗冻融性试验 也简称抗冻性 和抗干湿循环性试验来评价 混凝土抵抗物理作用劣化的能力 用抗碳化性试验来评价混凝土抵抗钢筋锈蚀的能力 但 是 普通混凝土的这些耐久性试验方法均是单因素试验 即每种试验方法均是在单一破坏 作用为主的情况下进行耐久性评价 这与混凝土工程实际所处环境条件差异太大 混凝土 工程实际使用过程中总是处于多种破坏因素共同作用的状态 如冻融 干湿 离子渗透等 作用共同存在 而且 普通混凝土耐久性试验方法往往不能有效地测试出高性能混凝土 的耐久性 例如 有很高水密性的高性能混凝土 用 GBJ82 85 普通混凝土长期性能及 耐久性试验方法 中的方法检测时 即使在很高水压下 有时甚至超出了混凝土渗透仪的 有效量测范围 渗水高度也很小甚至测不出 但某些有害离子却能在该混凝土中扩散 其 次 普通混凝土耐久性试验中对混凝土耐久性的评价指标用于高性能混凝土耐久性评价往 往不敏感 例如高性能混凝土在水中冻融 300 次后其抗压强度损失率仍很小 本论文的研 究中该损失率值最低的只有约 4 重量损失率常常为负值 即重量未损失反而增加 而 8 普通混凝土在水中冻融 50 次后其抗压强度损失和重量损失即明显表现出来 由此看来 必须设计更加合理有效的试验方法及评价指标来评价高性能混凝土的耐 久性 2 2 高性能混凝土耐久性研究方法综述 显然 传统的普通混凝土耐久性试验方法不适用于高性能混凝土耐久性评价 但到目 前为止 关于高性能混凝土耐久性研究和评价方法的报道很少 对其抗冻性 抗渗性等耐 久性的检验和评价 基本上仍沿用对普通混凝土耐久性的试验和检测方法 这对高性能混 凝土的研究及应用十分不利 国内外一些学者从不同角度对高性能混凝土渗透性及抗冻性 作了一定研究 在此仅列举部分范例 2 2 1 混凝土渗透性试验方法 混凝土的耐久性与其渗透性有着密切的关系 所以世界各 国学者都对混凝土渗透性试验方法进行了专门研究 20 43 有些已经成为混凝土渗透性检 验的标准方法 这些方法大致可归纳为如下几类 透水法 透气法 表面吸水法 Cl 渗 透法 通电测量法等 其中透水法 透气法及表面吸水法只能用于低抗渗性混凝土 而对 于抗渗性很高的高性能混凝土则无能为力 Cl 渗透法及通电测量法则可以用来测试高抗 渗混凝土 国内外许多学者已用这些方法对高性能混凝土渗透性评价作了一些尝试性研究 M R Hansen 等采用直流电量法 即 AASHTO T277 法 并同时测量混凝土交流阻抗的 方法研究了高性能混凝土渗透性 25 章春梅等采用电导法测定了高性能混凝土的抗渗性 30 R Gagne 等采用透气性试验方法和 ASTM C1202 法 对掺与不掺硅灰的不同流动性 的高强混凝土渗透性进行了研究 31 M H Zhang 等采用高压透水方法和 AASHTO T277 法对高强轻质混凝土的渗透性进行 了研究 32 文献 12 介绍了一种可用于高抗渗性混凝土渗透性测试的试验方法 该方法采用有机 溶剂作为渗透液 如卤代链烃族的二氯甲烷或链烃族的 n 庚烷 其中采用二氯甲烷效果较 好 试件养护至规定龄期后 将其浸泡于有机溶剂中 72h 后测定试件单位面积渗透有机 溶剂的体积数 l m2 以此确定混凝土的渗透性 赵铁军在其博士论文中 20 研究了用于高性能混凝土渗透性评定的试验方法 该方法 系对 ASTM C1202 方法进行一系列改进 克服了 ASTM C1202 方法中采用直流电测量的 许多缺点 该方法采用电压为 1V 频率为 1KHz 的交流电 被测混凝土试件两端都为 3 的 NaCl 溶液 测量时间较短 将该方法与 ASTM C1202 方法比较 发现二者测试结果有 很好的相关性 该方法最终是以经修正的混凝土电阻 R 反映混凝土的渗透性 并参照 9 ASTM C1202 对混凝土渗透性评定标准 用该方法将混凝土渗透性分为 5 级 见表 1 表 1 用交流电测量混凝土渗透性的评定标准 20 电 阻 渗 透 性 350 650 350 1150 650 3700 1150 3700 高 中 低 很低 可忽略 参照 ACI 高性能混凝土委员会用 ASTM C1202 和 AASHTO T277 将高性能混凝土渗 透性分级的评定标准 赵铁军用交流电测量法也提出了对高性能混凝土渗透性的评定标准 见表 2 即认为若用交流电测量混凝土渗透性 当修正后的混凝土电阻大于 450 时 就 渗透性方面讲该混凝土可称为高性能混凝土 修正后混凝土的电阻值越大则高性能混凝土 渗透性越低 相应抗渗性等级越高 表 2 用交流电测量高性能混凝土渗透性的评定标准 20 直流电的 ASTM C1202 和 AASHTO T277 电量 C 交流电方法电阻 HPC 渗透性 等级 3000 2000 2000 800 800 300 300 450 650 650 1350 1350 2500 2500 1 2 3 4 2 2 2 混凝土抗冻融性试验方法 普通混凝土抗冻性试验分为慢冻法和快冻法两种 均是 在水中进行 这两种方法是目前国际上同时存在的两种检测混凝土抗冻性的方法 美 日 加拿大等国采用快冻法 俄罗斯及东欧国家仍采用慢冻法 这两种方法均列入了这些国家 的正式标准或规程 我国在五六十年代均采用慢冻法 六十年代中后期水工 港工部门相 继开展了快冻法的试验研究 港工部门直接采用了快冻法 并列入了部颁混凝土试验规程 JTJ225 87 水工部门在 1982 年部颁的水工混凝土试验规程正式列入了快冻法 目前我 国同时存在快冻法和慢冻法两种试验方法 并均以标准规程的形式存在 对于高强混凝土或高性能混凝土 其抗冻性能方面的研究报道尚不多见 已有的报 道也多是采用水中快冻法进行抗冻性试验 44 52 如中国水利水电科学研究院曹建国等人 对高强混凝土抗冻性进行的研究 51 2 2 3 有关高性能混凝土耐久性其他方面的研究 除抗渗性 抗冻性研究之外 国内外学 者对高性能混凝土的其他耐久性也作了一定研究 如中国建材研究院李建勇等对高性能混 凝土徐变和干缩进行了研究 53 U Schneider 等对高性能混凝土抗化学侵蚀性进行了研究 10 54 奥地利 P Nischer 等对高性能混凝土抗溶蚀性进行了研究 德国 H W Dorner 研究了高 性能混凝土的耐酸性能 12 P K Mehta 对高性能混凝土中碱 骨料反应及钢筋锈蚀进行了 探讨 2 各国学者研究高性能混凝土耐久性的同时 对高性能混凝土耐久性有关机理进行 了一定探讨 如 P K Mehta 研究了高性能混凝土中裂缝 微裂缝与其耐久性的关系 芬兰 H Kukko 研究了高性能混凝土抗冻性与显微结构的关系 2 图 1 混凝土受外界环境作用而劣化的整体模型 2 综上所述可见 各国学者对高性能混凝土耐久性进行了不同程度的关注 然而至今为 止 在大多数已发表的研究成果中 各种耐久性破坏因素都是单独考虑的 而事实上 混 凝土尤其是高性能混凝土所处的使用环境是多种破坏因素共存的复杂环境 高性能混凝土 不可能只受单一因素作用 几种因素共存所产生的综合作用 是各因素作用的简单叠加呢 还是产生超叠加效应 即 1 1 2 的效应 呢 1991 年吴中伟院士提出了 混凝土耐久性 综合症及其防治 的思想 1 P K Mehta 也明确指出 混凝土耐久性是一个整体性能 必 须看成是所有劣化机制共同作用造成的结果 并提出了高性能混凝土受外界环境作用而劣 化的整体模型 见图 1 这些都提醒人们应该重视多重因素对高性能混凝土耐久性破坏 的研究 三 黑龙江省混凝土存在的问题三 黑龙江省混凝土存在的问题 高性能混凝土的问世对本省建筑业的科技进步起到不小的推动作用 尤其是大流动度 高性能商品砼的出现 大大提高了现代化施工水平 保证了施工质量和工程质量 为高层 建筑的发展提供了有利的条件 尤其在冬季施工技术 防冻剂开发与生产 负温混凝土泵 一个不透水 但存在非连续微 裂缝且多孔的钢筋混凝土结构 环境作用 第一阶段 无可见损伤 1 侵蚀作用 冷热循环 干湿循环 2 荷载作用 循环荷载 冲击荷载 因为以下原因使孔隙内静水压力增 大 导致混凝土膨胀 钢筋锈蚀 碱 骨料反应 水结冰 硫酸盐侵蚀 混凝土强度与刚度降低 开裂 剥落与整体性丧失 环境作用 第二阶段 损伤的开始与扩展 水的渗入 O2 CO2渗入 酸性离子 Cl SO42 渗入 由于微裂缝和孔隙连通起来 不透水性逐渐丧失 11 送施工 负温防渗混凝土研制与施工 超负温混凝土冬季施工 高层建筑物冬季施工技术 负温混凝土基础性学术研究水平都具有国内领先国际先进水平 但是在一些问题没有引起 足够的重视或者是没有深入研究 其存在的问题如下 寒冷地区路桥混凝土在严酷环境作用下损伤与防治 1 经调查寒冷地区潮湿及硫酸盐侵蚀的环境下 导致砼工程严重破坏 是国内首次发 现 为此进行破坏机理和防治措施的研究 2 除冰盐环境下 路桥砼工程在盐溶液中冻融的条件 对路桥砼工程暴露在这种严酷 环境下 破坏最为严重 对寒冷地区的基础设施的建设必须给予高度的重视 对破坏 机理及有效防治措施进行研究 3 近期研究表明 CO2和氯离子复合作用下会加速导致砼中的钢筋锈蚀 工程失效 为此进行有效防治措施的研究 4 盐类结晶与冻胀导致混凝土开裂 损伤机理的研究与防治 路桥混凝土工程早期开裂与控制研究 高性能混凝土的早期自收缩 温度应力是导致砼工程早期开裂主要因素 复杂应力状态下混凝土裂缝产生与防治 寒冷地区混凝土桥梁灌注桩温度场和温度应力场的有限元分析 1 混凝土桥灌注桩水化放热的传热模型的建立 2 配制满足寒冷地区多年冻土地区桥施工要求的低水化热混凝土 3 混凝土桥灌注桩水化放热对周围冻土温度场分布及融化厚度与地耐力相关性的研究 寒冷地区混凝土耐久性设计 对寒冷地区已建的路桥混凝土工程耐久性进行评估 氯离子迁移影响因素及扩散系数 多因素的修正 建立合理的 有针对性的多种因素作用下的砼寿命预测模型和制定相应的 耐久性设计标准 建立路桥混凝土工程病害的预测与预报系统 新型路桥混凝土外加剂及防护材料的研制与开发新型路桥混凝土外加剂及防护材料的研制与开发 参 考 文 献 1 吴中伟 廉慧珍 高性能混凝土 中国铁道出版社 1999 1 19 27 30 122 131 2 P K Mehta 耐久性 影响未来的关键问题 清华大学土木工程系建材教研室编 高强混凝土与高 性能混凝土译文集 第五册 2000 10 19 3 蒋元駉 韩素芳 混凝土工程病害与修补加固 海洋出版社 1996 317 320 4 卢木 混凝土耐久性研究现状和研究方向 工业建筑 1997 27 5 1 6 5巴恒静 赵霄龙 杨英姿 寒区机场混凝土道面破坏原因分析及提高道面混凝土耐久性的对策研究 中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会高强与高性能混凝土委员会 高强与高性能混凝土及 其应用第三届学术讨论会 济南 1998 1 3 6傅温 王宏彬 混凝土工程新技术 中国建材工业出版社 1994 299 302 7冯乃谦 高性能混凝土 中国建筑工业出版社 1996 1 11 8姚燕 田培 高性能混凝土的研究和进展 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会混凝土外 加剂专业委员会 第八届全国混凝土外加剂学术交流会论文集 1999 128 137 12 9黄大能 外加剂 流变学与高性能混凝土 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会混凝土外 加剂专业委员会 第八届全国混凝土外加剂学术交流会论文集 1999 1 4 10吴中伟 高性能混凝土 HPC 的发展趋势与问题 建筑技术 1998 29 1 8 13 11陈肇元 朱金铨 吴佩刚 高强混凝土及其应用 清华大学出版社 1992 1 20 12H 索默 高性能混凝土的耐久性 冯乃谦 丁建彤等译 科学出版社 1998 44 45 19 24 13F de Larrard A Survey of Recent Researches Performed in the French LCPC Network on High Performance Concrete Proceedings of High Strength Concrete Lillehammer Norway 1993 20 24 14P K Mehta P C Aitcin Principles Underlying Production of High Performance Concrete Cement Concrete and Aggregate 1990 12 2 15王德怀 高性能混凝土配合比设计与质量控制的计算机化 清华大学博士学位论文 1996 1 36 16K H Khayat Z Guizani Use of Viscosity Modifying Admixture to Enhance Stability of Fluid Concrete ACI Materials Journal 1997 94 4 332 340 17I Masood S K Agarwal Effect of Various Superplasticizers on Rheological Properties of Cement Paste and Mortars Cement and Concrete Research 1994 24 2 291 302 18O Petersson P Billberg J Norberg et al Effects of the Second Generation of Superplasticizers on Concrete Properties CBI Report 1995 2 19张青 廉慧珍 王平 自密实高性能混凝土施工性能的评价方法 中国土木工程学会混凝土与预应 力混凝土学会高强与高性能混凝土委员会 高强与高性能混凝土及其应用第三届学术讨论会 济南 1998 106 114 20赵铁军 高性能混凝土的渗透性研究 清华大学博士学位论文 1997 118 129 61 85 21T H Wee S F Wong S Swaddiwudhipong A Prediction Method for Long Term Chloride Concentration Profiles in Hardened Cement Matrix Materials ACI Materials Journal 1997 94 6 565 576 22R P Khatri V Sirivivatnanon Methods for the Determination of Water Permeability of Concrete ACI Materials Journal 1997 94 3 257 261 23P K Dhir Predicting Concrete Durability from its Absorption Concrete Durability ACI SP 145 1994 1177 1194 24T Fukute H Hamada M Mashimo et al Chloride Permeability of High Strength Concrete Containing Various Mineral Admixtures Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High Strength High Performance Concrete Paris May 1996 489 498 25M R Hansen M L Leming et al Chloride Permeability and AC Impedance of High Performance Concrete ACI SP 140 1993 121 154 26P S Mangat B T Molloy Prediction of Long Term Chloride Concentration in Concrete Materials and Structures 1994 27 170 338 346 27K Takewaka S Mastumoto Quality and Cover Thickness of Concrete Based on the Estimation of Chloride Penetration in Marine Environments Concrete in Marine Environment SP 109 American Concrete Institute Detroit 1988 381 401 28A Sharif K F Loughlin et al Determination of the Effective Chloride Diffusion Coefficient in Concrete via a Gas Diffusion Technique ACI Materials Journal 1997 13 94 3 227 233 29Zhao Tiejun Zhu Jinquan Liu Shumei Influence of Various Admixtures on the Permeability of Concrete The Chinese Ceramic Society The 4th Beijing International Symposium on Cement and Concrete Beijing 1998 INTERNATIONAL ACADEMIC PUBLISHERS 621 622 30章春梅 黄敬东 秦鸿根等 超细粉煤灰在高性能混凝土中的应用研究 混凝土与水泥制品 1996 1 15 17 31R Gagne A Boisvert M Pigeon Effect of Superplasticizer Dosage on Mechanical Properties Permeability and Freeze Thaw Durability of High Strength Concrete With and Without Silica Fume ACI Materials Journal 1996 93 2 111 120 32M H Zhang O E Gj rv Permeability of High Strength Lightweight Concrete ACI Materials Journal 1991 88 5 463 469 33P Halamickova R J Detwiler Water Permeability and Chloride Ion Diffusion in Portland Cement Mortars Relationship to Sand Content and Critical Pore Diameter Cement and Concrete Research 1995 25 4 790 802 34N Hearn R H Mills A Simple Permeameter for Water or Gas Flow Cement and Concrete Research 1991 21 2 3 257 261 35P B Bamforth The Relationship between Permeability Coefficients for Concrete Obtained Using Liquid and Gas Magazine of Concrete Research 1987 39 138 3 11 36D Prraton Permeability of silica Fume Concrete Proceedings on Permeability of Concrete ACI SP 108 1988 63 84 37W J McCarter Absorption of Water and Chloride into Concrete Magazine of Concrete Research 1992 44 31 37 38J G Cabrera C J Lynsdale A New Gas Permeameter for Measuring the Permeability of Mortar and Concrete Magazine of Concrete Research 1988 40 144 177 182 39F D Tamas Electrical Conductivity of Cement Pastes Cement and Concrete Research 1982 12 1 115 120 40C Andrade Calculation