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1、,混凝土结构的耐久性与高性能混凝土配制技术,混凝土是世上用量最大的人造材料基础设施工程主要用混凝土结构建造混凝土结构的耐久性已成为世界性问题,一、混凝土结构耐久性现状,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
2、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,日本
3、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
4、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,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
5、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
6、 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，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
7、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)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
8、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
9、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
10、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HPC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
11、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
12、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
13、，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,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3
14、50m2/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
15、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
16、、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、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
17、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
18、，便于泵送施工。,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。JTJ041-2000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10
19、0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,HPC配合比参数设计,水灰比用水量胶凝材料用量砂率与粗骨料用量外加剂与掺合料用量,水灰比（水胶比）,水灰比越小，相应的混凝土强度越高，用降低水灰比的方法来提高混凝土强度是一种有效的途径，因此以抗压强度确定水灰比是合理的。根据水灰比适当法则,为保证混凝土的抗裂性能，水胶比应适当，不宜过小。JGJ55-2000规定的水灰比计算公式为：,混凝土用水量,根据低用水量法则,对高强度等级混凝土，必须掺
20、用高效减水剂来控制混凝土的单位用水量和水泥用量.对C30以上的泵送混凝土，坍落度在160200mm，一般用水量在150180 kg/m3 之间。对耐久性要求较高的HPC，用水量宜不大于165kg/m3。,胶凝材料用量,根据低水泥用量法则,一般高性能混凝土胶凝材料用量不超过500kg/m3，对于C60及以上的高强混凝土和自密实混凝土，胶凝材料用量一般不超过550kg/m3。控制水泥和胶凝材料用量，可减少预应力混凝土的收缩和徐变，降低水化热，避免收缩裂缝，有利于长期耐久性。,砂率与粗集料用量,砂率的计算公式为：,上式充分体现了最大堆积密度法则，砂率的大小与砂石的堆积密度和石子的空隙率、砂子的细度模
21、数、水泥用量等因素有关；此外还与坍落度大小有关，坍落度每增大20mm，砂率应增大1%。对预应力混凝土，应严格控制含砂率，使粗骨料用量不少于1100kg/m3。,砂用量 体积法 重量法 加了掺合料后：石子用量,掺合料与外加剂,根据活性掺合料与高效减水剂双掺法则，配制HPC，其原材料的优选和掺量的确定是十分重要的。外加剂：混凝土的外加剂品种甚多，性能各异，不同品种的减水剂与水泥的相容性也不同，因此外加剂要进行相容性试验和优选；掺合料：用m来表示矿物掺合料掺入的百分率，则掺合料M=mC0,设等效取代系数为K（其取值见表3），而水泥用量为 C=C0 K M。,表3 矿物掺合料等效取代系数K,HPC配合
22、比试配与优选,对计算的混凝土配合比进行试配和调整，验证其工作性、强度和耐久性，优选最佳配合比是 HPC设计的重要环节。通过试配、测试与调整，优选出满足工程设计要求的最佳HPC配合比。,有特殊要求的砼配合比,抗渗砼P6 抗冻砼F50 高强砼C60（C50）泵送砼提高工作性、可泵性 大体积砼减少水化热 特殊耐久性要求的砼如在盐湖条件下的砼,高性能砼的施工技术要求,原材料的质量控制 高性能砼配合比优化 高性能砼制备生产控制：配料 搅拌 运输 泵送 浇筑 养护,配料 计量设备每天进行零点校核 控制称量误差：水泥、掺合料、水、外加剂1%；粗、细集料 2%砂、石集料含水率，每一工作班测试2次 及时调整用水
23、量和砂石用量,搅拌 使用强制式搅拌机，设备应符合标准要求 控制搅拌时间，每班至少抽查3次 投料次序:砂、石水泥、掺合料、粉剂外加剂同步 掺干拌30min，再加水湿拌1.5min（液体外加剂可与 水同步加入），加掺合料砼应延长1030s 检查砼坍落度，观察粘聚性和保水性 成型试件检测强度等级，每d每一强度等级不少于一次,运输 采用搅拌运输车运送 运输工序中，至浇筑时不离析，不分层，组成成分 不变化，并保证施工必需的稠度 运送容器和管道，应不吸水，不漏浆，卸料和输送 通畅 搅拌浇浇晚时间60min（25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
24、 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
25、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/
26、m3),南京长江第二大桥,施工中的润杨长江公路大桥北汊斜拉桥,施工中的润杨长江公路大桥南汊悬索桥,桥塔高（约300m，为世界第一高砼桥塔）；基础深（主塔由131根桩组成，桩长约120m）；拉索长（超过580m，为世界第一长斜拉索）；跨度大（1088m，为世界第一大跨径斜拉桥）。,苏通大桥承台钢锚箱封底自密实混凝土施工现场,宁杭高速南河特大桥为跨距达百米的系杆拱桥大桥拱脚采用了C50免振自密实混凝土钢管拱中采用了C50自密实微膨胀混凝土混凝土,京杭运河邳州高架桥高强SFRC斜桁连续梁桥,盐通高速公路大丰互通式立交主线桥系杆拱桥,结论,耐久性是HPC最重要的性能，原材料的质量、配合比参数设计、制备技术和施工质量控制是混凝土耐久性和强度的基本保证,应予以高度的重视。以耐久性为主的高性能砼配合比设计方法综合反映了影响HPC工作性、力学性能和耐久性的各种因素及W/C、单位用水量、含砂率、掺合料和外加剂用量的计算理论和方法。采用本文的W/C或W/B、单位用水量、含砂率、掺合料和外加剂用量的计算公式能科学地体现粗细骨料的级配、粗细程度、颗粒特征、胶凝材料和外加剂对HPC的影响，科学合理地进行混凝土配制。,
