耐久性混凝土的配制

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1、1耐久性混凝土的配制耐久性混凝土的配制第一节第一节 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性1.1 混凝土结构耐久性的概念混凝土结构耐久性的概念混凝土技术发展的一个终极目标是最大限度地延长其使用寿命，也即耐用性(Serviceability)问题。这就对混凝土的长期性能特别是耐久性提出了更高的要求。另外一个很重要的问题是混凝土技术的可持续发展，其目标就是要使混凝土技术的发展与资源、环境等实现良性循环，尽量减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾，大量利用优质的工业废弃物和矿石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染。随着科学技术的发展，混凝土已成为用量最大，用途最广泛的一种建筑材料。在科学技术高

2、度发达的今天，人们对混凝土结构从施工到性能方面提出的要求越来越苛刻，力求施工速度快、强度高，水泥生产工艺的改进和混凝土施工技术的进步为此提供了可能。结果是所用水泥标号高、活性大、用量多、水化速度快，混凝土早强、高强，弹性模量大，变形能力差；为了便于运输、浇捣，坍落度由过去的 020mm 增加到 180mm，甚至更大。但是，从另一方面看，水泥生产工艺和混凝土施工技术发展带来的混凝土性能的变化又直接影响着混凝土的耐久性。因此，从提高混凝土耐久性的角度出发，必须重新认识混凝土这一人造材料。混凝土的耐久性可定义为“在使用过程中经受气候变化、化学侵蚀、磨蚀等各种破坏因素的作用而能保持其使用功能的能力”

3、。一般混凝土建筑物的使用寿命要求在 50 年以上，很多国家对桥梁、水电站大坝、海底隧道、海上采油平台、核反应堆等重要结构的混凝土耐久性要求在 100 年以上。气候条件适中的陆上建筑物，应要求混凝土在 200 年内安全使用。我国 GB 500102002混凝土结构设计规范规定，混凝土的耐久性设计应按照环境类别和设计使用年限进行，分为 50 年和 100 年 2 个耐久性预期目标，对于重大、重要工程应按照 100 年寿命来设计混凝土。近几年来，我国已有不少工程的混凝土设计寿命达到 100 年，这些工程大都结合环境条件和特点，采取专门有效的措施，以充分保证混凝土工程的耐久性设计要求。比较著名的百年工

4、程有三峡大坝、东海大桥、南京地铁 1 号线、崇明越江通道北港桥梁、重庆朝天门大桥空心桥墩、杭州湾大桥等。质量优良的混凝土工程，使用年限可以达到 50 至 100 年，而质量较差的工程则在使用 10 至 20 年后就必须进行维修或加固。进行加固维修所投入的费用，有时甚至会超过原建设投资，给国家造成巨额经济损失。建筑工程界一般认为，混凝土的耐久性问题，虽然有各种不同的表现形式，但主要有五个方面的问题，即混凝土的抗渗透和冻融、碱骨料反应、钢筋锈蚀、化学侵蚀，以及混凝土结构的裂缝控制问题。只要任何一方面出了问题，都会引起混凝土内部病害，大大降低混凝土的耐久性，缩短建筑物的使用寿命。目前在工程界已普遍意

5、识到这一状况，有的国内外专家提出了高性能混凝土或绿色混凝土的概念，认为其是今后混凝土技术的主要发展方向，而高性能混凝土或绿色混凝土的主要含义则是：混凝土具有高耐久性、高工作性和高强度三大特征，并且把高耐久性放在首位。为此，实现混凝土的高耐久性是当前混凝土建筑业必须认真面对的问题。1.1.1 混凝土结构耐久性的相关术语和定义（1）术语工程施工质量工程施工质量反映工程施工过程或实体满足相关标准规定或合同约定的要求，包括其在安全、使用功能及其在耐久性能、环境保护等方面所有明显和隐含能力的特性总和。混凝土结构耐久性混凝土结构耐久性 在预定作用和预期的维护与使用条件下,结构及其部件能在预定的期限内维持2

6、其所需的最低性能要求的能力。设计使用年限设计使用年限 设计人员以作为结构耐久性设计依据并具有足够安全度或保证率的目标使用年限。设计使用年限应由业主或用户与设计人员共同确定，并满足有关法规的要求。胶凝材料胶凝材料 用于配制混凝土的水泥与粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰等活性矿物掺和料的总称。矿物掺和料掺量以其占胶凝材料总量的百分比计。水胶比水胶比 混凝土配制时的用水量与胶凝材料总量之比。碱活性骨料碱活性骨料 在一定条件下会与混凝土中的碱发生化学反应，导致混凝土结构产生膨胀、开裂、甚至破坏的骨料。碱含量碱含量 混凝土碱含量是指混凝土中等当量氧化钠的含量，以 kg/m3计；混凝土原材料的碱含量是指原材料中等

7、当量氧化钠的含量，以质量百分率计。等当量氧化钠与 0.058 倍的氧化钾之和。混凝土的电通量混凝土的电通量 在 60V 直流恒电压作用下 6h 内通过混凝土的电量。钢筋的混凝土保护层最小厚度钢筋的混凝土保护层最小厚度 为防止钢筋锈蚀从混凝土表面到最外层钢筋最外缘所必需的混凝土最小距离。腐蚀腐蚀 材料与周围的环境因素发生物理、化学或电化学反应而受到的渐进损伤与破坏。对钢材则称为锈蚀。附加防腐蚀措施附加防腐蚀措施 在采取改善混凝土密实性和增加钢筋的混凝土保护层厚度等常规措施仍不足以保证结构的耐久性时所需要进一步采取的其他措施。养护养护 为维持结构或其他构件在使用年限内所需功能而采取的各种经常性和周

8、期性的技术和维护、管理活动。（2）定义所谓的混凝土耐久性，是指其抵抗环境介质的作用，并长期保持良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全和正常使用的能力。影响混凝土结构耐久性的因素很多，可分为内在因素和外在因素两大类。内在因素是指混凝土结构抵御环境的能力，由结构的设计形状和构造形式、选用的水泥和骨料的种类、外加剂的品种，钢筋保护层的厚度和直径的大小、混凝土的水灰比、浇注和养护的施工工艺等多种因素所决定。外在因素是环境对混凝土结构的物理和化学作用，包括干湿和冻融循环、碳化、化学介质侵蚀、磨损破坏等诸多方面，不同环境对混凝土结构耐久性的影响程度不尽相同，外在因素是通过内在因素而起作用的。

9、混凝土耐久性具体包括抗渗、抗冻、耐腐蚀、碳化、碱骨料反应及混凝土中的钢筋锈蚀等性能。虽然混凝土在遭受压力水、冰冻或侵蚀作用时的破坏过程各不相同，但影响因素却有许多相同之处。混凝土的密实度是最为关键的因素，其次是材料的性质、施工质量等。耐久性设计以非荷载的环境侵蚀作用为对象，专门考虑材料劣化过程的影响，我国最新修订颁布的建筑结构可靠度设计统一标准 （GB50068）的总则中，明确指出结构在规定的设计使用年限内应满足下列可靠性要求：1）正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；2）在正常使用时具有良好的工作性能；3）在正常维护下具有足够的耐久性能；4）在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能

10、保持必要的整体稳定性。其中，第 1） 、2） 、4）三项是结构安全性和使用性要求，第 3）项是结构耐久性的要求，混凝土结构在环境侵蚀下的材料劣化过程，是一个不可逆的过程，它不是直接由力学因素引起的，而是混凝土材料的物理化学作用的结果。因此，对混凝土结构耐久性可定义为，结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力。混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步研究和深化，是材料耐久性的实际应用。混凝土的性能对其耐久性的影响主要表现在如下方面：1）强度与耐久性3混凝土（抗压）强度是混凝土最重要的力学性能指标，直接影响其应用。提高混凝

11、土的强度一直是人们所追求的目标。从理论上讲，混凝土的强度越高其结构越致密，抵抗外部环境作用的能力越强，耐久性越好。但事实上并非如此。因为要实现高强就必须加大水泥用量、提高水泥标号，从而引起水化反应剧烈，水化放热多而快，混凝土自身收缩、干燥收缩、温度收缩作用强烈，由此产生的拉应力足以导致混凝土开裂，混凝土结构一旦出现裂缝（纹），就为冻融、化学侵蚀及碱骨料反应等劣化作用敞开了方便之门，耐久性降低在所难免。可见，混凝土强度过低固然对耐久性不利，但过高也会给耐久性带来风险。这也是专家建议在我国发展 C25C30 的绿色混凝土（HPC）的原因之一。2）流动性与耐久性混凝土拌和物的流动性从 10 年前 7

12、080mm 发展到现在大量商品混凝土 180200mm，实现了混凝土泵送和高抛，大大提高了施工效率，保证了振捣质量，这无疑是混凝土施工技术的一大进步。但大流动性需要较大的用灰量和用水量，而这正是混凝土收缩裂缝产生的一个重要原因；虽然减水剂的使用可以保证在水灰比不变或有所降低的前提下流动性得到改善，但拌和物的均质性和稳定性却明显变差，在运输、浇捣过程及成型后都容易出现离析、沉降、泌水现象，从而在骨料和水泥浆的界面，以及钢筋与混凝土的界面形成薄弱的过渡区，混凝土硬化后，形成大量孔隙和微裂缝。这是导致混凝土结构耐久性降低的根本原因。因此，从提高混凝土的耐久性考虑，不宜过分增加拌和物的流动性，应根据工

13、程特点全面考虑，注重拌和物的工作性，流动性的大小要服从于体积稳定性和均质性。3）延伸性与耐久性混凝土的延伸性与徐变、变形模量和抗拉强度三者存在密切关系。徐变大、变形模量小、抗拉强度高的混凝土延伸性较好，裂缝的开展得以延迟和减小，并具有一定自愈能力，混凝土的耐久性好。混凝土随着强度的提高，徐变松弛作用急剧减小、变形模量增大。因此尽管混凝土的抗拉强度伴随抗压强度的提高有所提高，但延伸性却大大降低，开裂的时间反而提前，裂缝开展的宽度增加，耐久性变差了。综上所述，水泥生产工艺的改进、混凝土施工技术的发展对混凝土性能产生了显著的影响，客观上造成了混凝土拌和物体积稳定性下降均质性变差，硬化后变形能力降低：

14、结构本身存在着隐患，混凝土硬化期间的变形受约束而得不到徐变松弛的缓解导致比以往大得多的拉应力，二者共同作用造成混凝土裂缝不断地扩展与连通，再加上混凝土结构自身的孔隙缺陷在外界环境的作用下过早劣化即耐久性下降就成为必然。（3）常见的混凝土耐久性综合症实际混凝土工程中的耐久性问题相对比较复杂，常常不是单一出现的，而是多种因素共同作用的结果，因此，有必要充分了解混凝土中的耐久性综合作用因素。混凝土工程中出现的常见耐久性综合症如下：1）碳化与钢筋锈蚀：2）冻融循环(包括海水冻融)与钢筋锈蚀；3）盐类腐蚀与钢筋锈蚀；4）盐类腐蚀与冻融循环、机械力破坏；5）盐类腐蚀中 SO、Mg2+、Cl 作用的综合叠加

15、效应引起混凝土的快速破坏；246）缓慢延续的碱集料反应与其它破坏作用的综合和叠加。研究防治混凝土耐久性综合症，必须弄清楚破坏作用的主次和先后，并对几种因素的共同作用，尤其是叠加效应加以研究。叠加效应相对比较复杂，有时还会出现负叠加，即互相抵消的特殊现象。混凝土中以碱集料反应为主因及导因的耐久性综合症现象十分普遍，具体表现在：1）碱集料反应+钢筋锈蚀：前者是导因，碱集料反应引起开裂导致钢筋锈蚀，造成严重破坏；2）碱集料反应+冻融循环：我国北方有几处机场跑道因碱集料反应而开裂，加速了冻融破坏；3）碱集料反应+海水腐蚀：如日本冲绳岛海港的混凝土结构破坏：44）碱集料反应+机械力(包括冲击、磨损、疲劳

16、等)破坏：如日本阪神高速公路梁、柱、桥面等；5）碱集料反应+除冰盐+钢筋锈蚀：如北京、天津等地的立交桥破坏等。因此，在对混凝土按耐久性进行设计和寿命预测方面，应综合考虑各种不同的破坏因素，并根据经验、同类材料的性能、快速试验结果以及混凝土工程暴露的环境条件等，对所设计的混凝土工程的耐久性进行预测。1.1.2 研究混凝土结构耐久性的重要意义混凝土结构是土木工程结构设计中的首选形式。虽然将来还会产生许多新的结构形式，但钢筋混凝土结构仍然是新世纪最常用的结构形式之一。对在役钢筋混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测，不仅可以揭示潜在危险，及时做出维修或拆除决策，避免重大事故的发生，而且研究成果可直接用于