混凝土结构的耐久性与高性能混凝土配制技术

1、混凝土结构的耐久性与高性能混凝土配制技术美国的公路桥梁 主要是60年代后的盐腐蚀 由于改进了桥梁耐久性设计方法并采用了许多新的防腐技术，美国新建桥梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，预期已能满足75年以上设计寿命 但是过去建成的桥梁已无法改变，仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至最后拆除重建 美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础设施总资产的10% 研究认为，对于桥梁等生命线工程，因修复、更换造成交通延误等间接损失更大，间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍。 在加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费5000亿美元 在英国，据说有1/3的桥梁需要修复 发达国家土建设施腐蚀造

2、成的年损失约占GDP的1.52%，其中主要是混凝土结构腐蚀高性能混凝土的特点： 较低的水泥用量、较多的矿物掺和料用量，较少的拌和水用量 混凝土有较高的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性和工作性 能提高混凝土耐久性，又充分利用工业废料和减少水泥生产的能源消耗与污染 这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命北美（加拿大安大略省）公路桥面板耐久性设计要求中国美术馆全景美术馆梁钢筋锈蚀情况 美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况我国现行规范（80年代颁布）与国外比较 配筋混凝土 我国 美国 英国最低强度 等级 C15 C25 C30（C25） 碳化锈蚀 露天雨淋环境下保护层厚度板2cm 梁3cm3.8

3、cm （d16）C35, 3.5cm干湿交替下C40，4cm 严重冻融仅水工规范 要求引气要求引气 要求引气日本规范规定的更高（最低相当于C35，100年寿命为C45 ）混凝土结构性能劣化钢筋锈蚀 氯离子引起 水 氧 近海环境、除冰盐环境，氯离子从外表侵入 海砂、防冻盐用于混凝土，氯离子拌入 碳化引起 二氧化碳 水 氧冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数 混凝土损伤剥落硫酸盐、酸、软水侵蚀碱骨料反应混凝土的内部结构骨料，水泥浆体，浆体与骨料界面层水泥浆体组成：水化硅酸钙（C-S-H凝胶）,水化铝硫酸钙（少量）氢氧化钙（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性），未水化水泥颗粒C-S-H 凝胶孔隙（纳米

4、级，与有害物质渗透关系不大）毛细孔隙（原为拌合水占据空间，0.015微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期体积可占浆体40）气泡（裹入气泡和引气气泡） 低水胶比能改善混凝土浆体及其与骨料间的界面微结构，降低毛细孔隙率 掺加粉煤灰等矿物掺合料能降低水化热和减少拌和水，改善水化产物的微结构；通过火山灰反应，进一步改善浆体及骨料界面结构并增加混凝土后期强度与密实性，消耗薄弱的水化产物氢氧化钙；大掺量粉煤灰混凝土对氯离子有吸附作用，并能抑制碱骨料反应钢筋锈蚀速率度 微米/年温度每增加10度，锈蚀速率约可提高一倍相对湿度RH碳化引起锈蚀氯离子锈蚀50097003680161901298955012299

5、233 混凝土结构耐久性设计 与施工指南中国土木工程学会标准 CCES 012004 耐久性设计的极限状态钢筋锈蚀 预应力钢筋 开始锈蚀 普通钢筋 顺筋开裂；或裂宽到 0.1mm 碳化锈蚀与氯盐锈蚀可取不同状态混凝土腐蚀 轻微，不影响混凝土对钢筋的保护1980年西柏林议会大厅预应力混凝土壳体屋顶 部分塌 毁1985年英国威尔士一座节段拼装式预应力混凝 土桥倒塌1992年比利时一座后张预应力混凝土桥倒塌1992年英国运输部发布暂时停止设计后张预应 力混凝土桥的禁令；过了4年以后才恢复我国近年因拉索锈蚀造成工程事故接连发生广东海印大桥（斜拉桥）的拉索锈断四川宜宾小南门拱桥 二座桥的使用年限不到10

6、年环境类别1 一般环境 （无冻融，盐、酸等作用） 室内干燥环境 A 非干湿交替的室内潮湿环境或 露天环境，长期湿润环境 B 干湿交替环境 C2 一般冻融环境 (无盐、酸等作用) 微冻地区，混凝土中度饱水 B 微冻地区，混凝土高度饱水 C 严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水 C 严寒和寒冷地区，混凝土高度饱水 D环境类别3 近海或海洋环境 水下区 D 大气区 轻度盐雾区 D 离平均水位15m以上的海上大气区， 离涨潮岸线50m外至200m内的陆上室外环境 重度盐雾区 E 离平均水位上方15m以内的海上大气区， 离涨潮岸线50m内的陆上室外环境 水位变化区和浪溅区，非炎热地区 E 水位变化区和浪溅区，

7、南方炎热地区 F环境类别4 除冰盐冻融环境 混凝土中度饱水 E 混凝土高度饱水 F5 盐碱结晶环境 轻度盐碱结晶 E 重度盐类结晶 F6 大气污染环境 汽车或机车废气 C 酸雨 D （pH小于4时按E级） 盐碱地区含盐大气和雨水 D ，E， C耐久性设计内容按 环境类别，环境作用等级，设计年限确定： 1 混凝土材料 2 结构构造和裂缝控制 3 施工要求 4 使用阶段检测和维修 5 防腐蚀附加措施氯离子环境下的重要工程，按劣化模型计算复核1 混凝土材料选择1) 选用低水化热、低C3A含量、偏低含碱量水泥2) 选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及 粒形3) 矿物掺和料作为一般情况下的必需组份4

8、) 将适量引气作为常规手段5) 采用偏低的用水量6) 限制单方混凝土中胶凝材料最低和最高用量 7) 尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量强度与耐久性的矛盾 粉煤灰 引气剂低水胶比与抗裂性的矛盾 2 构造措施和裂缝宽度限制1)隔绝或减轻环境对混凝土的作用 结构形状，防、排水，表面涂层或防腐层 2)为钢筋提供足够的混凝土保护层厚度 3)混凝土裂缝控制 混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度的矛盾 增加保护层厚度，表面裂宽将增大，但对防止钢筋锈蚀仍然非常有利。 CCES01-2004标准的规定 3 施工要求与施工质量验收必须将施工质量保证作为耐久性设计中特殊重要的内容 表层混凝土质量混凝土养护质量 保护

9、层厚度的施工允许误差 质量检验 保护层厚度，含气量，表层混凝土渗透性 （现场回弹、抗拔、抗渗） 混凝土养护质量要在合同中规定奖惩办法 抽样检测钢筋保护层厚度 对表层混凝土渗透性作现场实测或钻芯测试钢筋位置的误差，5mm的施工误差，可使20mm保护层厚度的墙、板钢筋开始锈蚀的年限缩短近一半 养护不良影响更大 DuraCrete指南中，7天的养护系数为1天的2倍（氯离子作用）和4倍（碳化作用）可使工作寿命 从50年分别降到约25年和12.5年 施工质量对结构耐久性的重要性 4 使用期内的维修和定期检测 使用年限与使用阶段维修紧密联系 环境严重作用下的结构物必须定期检测 设计文件中必须向业主与运营单

10、位提出使用过程中的定期检测和维修要求 5 防腐蚀附加措施环氧涂层钢筋混凝土表面防腐涂层、面层钢筋阻锈剂渗透模板阴极保护二、以耐久性为主的高性能混凝土设计与配制技术 HPC与传统混凝土在配合比设计上的区别传统混凝土 传统混凝土配合比设计仅考虑安全性、工作性和经济性，以强度指标为核心。 对耐久性要求仅限制最大水灰比与最小水泥用量，混凝土 组成材料要求不高，对混凝土配合比设计参数考虑不全面 。高性能混凝土 配制HPC的关键技术以耐久性作为主要设计指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点地予以保证，耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。其中高耐久性和高抵抗变形能力则是重中之重。为此，配制H

11、PC需采用低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水、骨料外，必须掺加足够数量的矿物掺合料和高效减水剂。以耐久性为主的HPC配合比设计法则低用水量法则低水泥用量法则最大堆积密度法则水灰比适当法则活性掺合料与高效减水剂双掺法则低用水量法则 指在满足混凝土工作性条件下尽可能减少用水量。混凝土拌和水量高的后果是:抗压和抗折强度降低、吸水率和渗透性增大、水密性降低、干缩裂缝出现的几率加大、骨料与水泥石界面粘结力及钢筋与砼之间的握裹力减小、混凝土干湿体积变化率加大、抗风化能力降低。为此，HPC要求用水量一般要求不大于160kg/m3。 低水泥用量法则 在满足混凝土工作性和强度前提下尽量减小水泥用量，这是提高砼

12、体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。水泥的水化过程表明，水泥和水的正效应是作为砼的活性组分，是粘结砂石骨料并产生整体强度的胶凝材料，但同时也是砼耐久性的主要劣化因子。过高的水泥浆量会产生高水化热、高的坍落度损失，增大塑性收缩裂缝出现的几率，导致砼弹性模量降低，干缩率和徐变值增大。因此，对中、高强砼提高水泥用量并不能改善砼性能。最大堆积密度法则 系指优化混凝土中骨料的级配，获取最大堆积密度和最小空隙率，以便尽可能减少水泥浆的用量，来达到降低含砂率，减少用水量和水泥用量，提高混凝土结构的稳定性之目的 。水灰比适当法则 在一定范围内，混凝土抗压强度与其拌合物的灰水比成正比，减小W/C，砼抗压强度和体积

13、稳定性提高。但为保证混凝土的抗裂性能，水灰比应适当，不宜过小，过小的W/C易增大混凝土自生收缩率，对混凝土抗裂性不利。活性掺合料与高效减水剂双掺法则 活性掺合料与高效减水剂的超叠迭加效应是制备HPC的必要条件，该双掺技术可减少水泥用量和用水量、密实砼内部结构，使混凝土中Ca(OH)2含量降低、晶粒减小、晶体取向性减弱，机体与集料的界面粘接强度提高，具有高电阻和低电渗，后期强度可持续稳定地发展，耐久性得到有效的改善。HPC配合比设计中的关键技术HPC原材料技术要求HPC配合比设计指标HPC配合比设计参数HPC配合比试配与优选 HPC原材料技术要求水泥矿物掺合料混凝土用骨料化学外加剂混凝土拌和用水

14、HPC对水泥的要求 选用品质稳定的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，前二者宜与矿物掺合料一起使用； 强度等级宜为42.5级，且不低于32.5级 ； C3A含量一般不宜超过8%、水泥比表面积不超过350m2/kg，游离氧化钙不超过1.5%； 大体积混凝土宜采用C2S含量相对较高的水泥； 水泥的含碱量不宜超过水泥质量的0.6%；如掺矿物掺合料，则混凝土总含碱量不宜超过3.5kg/m3； 配筋混凝土的使用环境有氯盐作用时，应选用氯离子含量尽可能低的水泥；如使用环境无氯盐作用，配筋混凝土所用水泥的氯离子含量也不宜超过水泥重的0.2%（对钢筋混凝土）和0.1%（对预应力混凝土）。水泥的性能与应

15、用中的有关问题HPC对矿物掺合料的要求 粉煤灰：在混凝土中掺量应不少于胶凝材料总量的20%，当掺量达30%以上时，水胶比不宜大于0.5，并应随粉煤灰掺量的增加而减小。粉煤灰作为掺和料用于冻融和除冰盐环境下的引气混凝土时应严格限制其烧失量； 磨细矿渣：比表面积宜在400 m2/kg左右。对于硫酸盐腐蚀环境宜将大掺量矿渣作为胶凝材料的必需组分，矿渣的最大掺量在低水胶比的混凝土中可达胶凝材料总量的90%； 硅灰：掺量一般不超过8%。硅灰中的二氧化硅含量宜大于90%，比表面积不小于15m2/g。硅灰宜用于配制有特殊高强或高耐磨的混凝土，或与其它矿物掺合料复合使用； 复合掺合料：由二种或二种以上的掺和料

16、复合而成,其效果通常要明显优于单一矿物掺和料。 HPC对混凝土用骨料的要求 质地均匀坚固，粒形和级配良好、吸水率低、空隙率小； 混凝土处于冻融循环环境下时需对骨料的坚固性进行试验； 处于干湿循环、冻融循环下的混凝土，粗、细骨料中的含泥量应分别低于0.7%和1%；粗、细骨料中的水溶性氯离子含量均应不超过骨料质量的0.02%； 氯盐环境严重作用（D、E、F级）下的混凝土，不宜采用抗渗透性较差的岩质如花岗岩、砂岩等作为粗、细骨料； 重要的配筋混凝土结构工程应严禁使用海砂； 使用骨料前应验明有无潜在活性 。 HPC对外加剂的要求 应了解外加剂的主要成分、氯离子含量、碱含量、推荐掺量与相应减水率等性能、

17、掺加方法以及施工中的注意事项等； 混合使用不同种类外加剂时，应事先测定其相容性； 氯离子含量不得大于砼中胶凝材料总重的0.02%，高效减水剂中的硫酸钠含量不大于减水剂干重的15%； 氯化钙不能作为外加剂用于硫酸盐环境严重作用下的混凝土，也不能用作冬季施工的抗冻剂。阻锈剂的长期有效性需经检验，一般不能使用亚硝酸钠类阻锈剂。混凝土拌合用水 混凝土拌和用水应符合现行标准的有关规定，不得采用海水。当混凝土可能处于氯盐腐蚀性环境时，混凝土拌和用水中的氯离子含量宜不大于200mg/l。HPC配合比设计指标 HPC工作性 HPC强度 HPC耐久性HPC工作性 流动性：流动性用坍落度表示，泵送混凝土的入泵坍落

18、度与泵送高度有关，见表1；根据混凝土的入泵坍落度T1与坍落度损失T，即可算出混凝土初始坍落度T0（ T0= T1+T）； 可泵性：可泵性好的混凝土,不但流动性大,而且粘聚性、保水性好、常压泌水率小、压力泌水值一般控制在40130ml，便于泵送施工。泵送高度100入泵坍落度100140140160160180180200表1 混凝土入泵坍落度选用表HPC强度 根据混凝土结构设计强度要求，高性能混凝土强度等级为C30以上的中、高强混凝土。 混凝土标准养护28d或自然养护600d的抗压强度达标率不低于95%。对HPC，其计算配制强度用的标准差不小于3.0MPa，一般宜取56MPa。 JTJ041-2

19、000规定，配制强度不得小于设计强度的1.15倍。但混凝土抗压强度也不宜过高，如超标太多，不仅增加了材料成本，而且还会使混凝土中的胶凝材料用量过高，从而对混凝土的长期耐久性不利。 关键是稳定原材料的质量和提高管理水平来控制标准差。HPC耐久性 CCES01-2004标准将混凝土结构的设计使用年限分为100年、50年、和30年三级，将不同的环境类别的作用等级分为A（可忽略）、B（轻度）、C（中度）、D（严重）、E（非常严重）、F（极端严重） 6级,并提出混凝土抗氯离子侵入性指标。表2 混凝土抗氯离子侵入性指标使用年限级别一(100年)二(50年)作用等级DEFDEF氯离子扩散系数(10-12m2

20、/s)8541075电量指标 56d,(库仑)12008008001500100025时）90 min （ 25时） 泵送 严格按规定进行安全使用和操作砼泵 泵送前应检测砼拌合物的坍落度 泵送时先经泵水检查，润滑用泵送砂浆除粗骨料外 应具有相同的配合比 泵送应连续进行，有计划中断时，中断时间1h 根据实际情况预先划分好浇筑区域，浇筑应符合国家现行标准 浇筑顺序，由远而近，先竖向结构再水平结构，区域之间，上下层之间的砼浇筑间隙时间砼初凝时间，否则按施工缝处理 振动时间10-20秒，砼开始泛浆和不冒气泡，掺FA砼不得漏振和过振 对由于砼沉降及干缩产生的非结构性的表面裂缝，应在砼终凝前予以修整 水平

21、结构的砼表面，应适时用木抹子磨平搓毛两遍以上，必要时还应先用铁滚筒压一遍以上，以防止产生收缩裂缝浇筑 掺FA高性能砼应加强养护，应保持有利于硬化及强 度增长的温湿度环境 制定具体养护方案，并严格执行养护制度 在初凝以后加薄膜等覆盖和洒水养护，洒水次数以 保持表面湿润 保温养护时间一般14d，干燥或炎热条件21d 低温条件下施工应加强表面保温（ 5），保温养护至强度得到设计强度的40%（受冻前 5MPa） 养护三、高性能混凝土研究 及在工程中的应用表1 C50高性能混凝土配合比（kg/m3）图1 不同粉煤灰掺量的高性能混凝土抗压强度发展规律图2 粉煤灰混凝土自生收缩率图3 C50粉煤灰混凝土干燥收缩率图5 混凝土徐变系数与持荷时间的关系高性能混凝土新进展:高强高性能混凝土自密实混凝土高强钢纤维混凝土RPCECC地聚合物混凝土几个重要工程中的HPC配合比(kg/m3)工程名称CFA+SLSG外加剂WW/BSp(%)南京长江二桥C5041212463811361.4%1600.3036阜蒙新河特大桥C504259065611181.5%1650.3237润扬长江大桥C5045