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1、 毕 业 设 计 设计题目 对混凝土的抗冻耐久性的研究 学生姓名 专业班级 指导教师 对混凝土的抗冻耐久性的研究摘要本论文针对北方寒冷地区混凝土冻融破坏问题,扼要综述了国内外混凝土抗冻耐久性技术的研究动态,叙述了利用矿物掺合料和复合掺入是改善混凝土抗冻耐久性的有效措施。混凝土耐久性是指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、正常使用和可接受的外观能力。现行国家标准混凝土结构设计规范(GB50010-2002)中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现行设计规范只划分成两个极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列
2、入正常使用极限状态之中。且以构造要求为主。混凝土的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。关键字：混凝土 耐久性 冻融破坏 矿物掺合料 目录绪论1一、混凝土的耐久性研究21、混凝土的耐久性内容21.1混凝土的主要腐蚀性31.1.1混凝土的抗侵入性和抗渗性3二、混凝土冻融破坏的机理4三、影响混凝土抗冻耐久性的因素5四、提高混凝土抗冻耐久性的措施64.1外加剂74.2掺合料74. 2.1 硅粉的掺入 74. 2 .2矿渣的掺入 84. 2.3 粉煤灰的掺入 84. 2.4消除混凝土自身的结构破坏因素94. 2.5保
3、证混凝土的强度9五、目前提高混凝土耐久性基本有以下几种方法10六.高强混凝土抗冻融技术现状10七、结语11参考文献12一、混凝土的耐久性研究1、混凝土的耐久性研究内容包括：钢筋锈蚀、化学腐蚀、冻融破坏、碱集料破坏。混凝土的抗冻性作为混凝土耐久性的一个重要内容，在北方寒冷地区工程中是急待解决的重要问题之一。与钢材和木材相比,混凝土或钢筋混凝土抵抗环境作用的能力较强,常被认为是耐久的材料,但实际情况并不总是如此.环境作用下的材料劣化现象主要是钢筋腐蚀和混凝土腐蚀.埋在混凝土中的钢筋通常不会锈蚀,这是由于混凝土显碱性,会在钢筋表面形酡一层氧化的保护膜防止锈蚀发展.主要有两种情况可以破坏钢筋表面的氧化
4、膜,并在氧气与水分的参与下使钢筋发生持续的锈蚀:一种情况是大气中的CO2从混凝土表面向里入侵并与混凝土中的碱性物质氢氧化钙起化学作用生成中性的碳酸钙,使混凝土强度降低,当碳化发展到钢筋表面,破坏了钝化膜得以形成的条件,钢筋就会发生腐蚀;一种情况是周围环境中的氯离子从混凝土表面逐渐侵入到混凝土内部,当到达钢筋表面处的氯离子浓度积累到一定值(临界浓度)后也会破坏钝化膜,氯盐引起钢筋混凝土锈蚀发展速度很快,远比碳化锈制混凝土时使用海砂或掺入盐类外加剂(如冬季施工时使用氯盐防冻剂)快.【1】1.1混凝土主要腐蚀有冻融破坏和化学腐蚀。饱水的混凝土在冻融环境中容易发生开裂剥落等损坏,主要原因在于混凝土中的
5、毛细孔隙水受冻后膨胀并产生压力。饱水程度不高的混凝土因孔隙内的饱水程度不断积累.配制混凝土时加入化学引剂可在混凝土体内产生大量的封闭微细气泡,是防止混凝土冻融破坏的最有效手段.冬矢喷洒除冰盐能促使混凝土饱水,除冰盐还能使混凝土中的水泥浆体在受冻时产生很高的渗透压力和水压力,使混凝土面层起皮剥落。 混凝土的化学腐蚀主要来自周围水体和土体中含有硫酸盐、碳酸等盐类和酸类化学物质的侵蚀.硫酸三钙起作用形成硫铝酸钙(钙矾石),这两种反应均造成体积膨胀,使混凝土开裂破坏.当硫酸盐在混凝土孔隙水中的浓度不断增加并过度饱和而结晶时,也会产生非常大的压力使混凝土开裂.这种情况常发生在盐碱地区,当地下水、水中的硫
6、酸盐渗入混凝土内部并通过孔隙水的毛细作用上升到地表以上时,在相对干燥的环境下,孔隙水中的硫酸盐浓度不断积累并发生结晶。海洋环境下当混凝土接触海水并频繁处于干湿交替的状态时,也会出现类似情况.硅酸盐水泥混凝土的抗酸能力较差,当接触的水呈酸性(pH值小于6.5)时就会出现问题。混凝土还会受到自身的化学腐蚀,其中较为常见的一种是混凝土的碱一骨料反应.当配制混凝土时使用了含有活性矿物成分的砂石骨料,后者会与混凝土的碱发生化学反应,形成某种某种胶凝体,遇水后体积膨胀可使混凝土发生胀裂破坏.以上所说的种种劣化过程,都需要有水的参与或以水作为媒介.为了阻止水分、氧分二氧化碳等气体和盐酸等有害物质侵入混凝土内
7、部，最根本的措施就是要增加混凝土材料自身的抗侵入性或抗渗性,并增加钢筋的混凝土保护层厚度,以延缓有害物质到达钢筋位置的时间。【2】传统的混凝土由水泥、砂、石加水拌和而成,水泥与水发生化学反应,水化后形成的固体水泥浆体由水化硅酸钙(C-S-H凝胶)、氢氧化钙和少量的水化铝硫酸钙与未水化的水泥颗粒组成,并将砂石胶绪在一起。【水化硅酸钙占固体浆体的60%以上,强度高,性能也较稳定.氢氧化钙约占25%,强度较低,遇水易析出并易遭外界酸碱的侵蚀,是水化产物中的簿弱环节,但氢氧化钙使混凝土呈碱性,有利于混凝土中的钢筋不受锈蚀.硬化后的水泥浆体中还含有大量的毛细孔隙,大小可从0.01-5微米,其尺寸分布与体
8、积取决于水泥浆体的水灰比与水化程度.毛细孔隙原为拌和水占据的空间,水泥水化后的体积约可增加一倍,随着龄期增长,水化不断完善,毛细孔隙结构得以改善.在水化良好的低水灰比浆体中,毛细孔隙尺寸在0.01-0.1微米的范围内,而在高水灰的早期浆体中,毛细孔隙被认为对强度和抗渗性有害.对普通混凝土来说,水泥浆体的强度和抗渗性一般要比砂石差得多,而浆体与石子之间的界面结构更为薄弱.为了增加混凝土的密实性和抗渗性,最主要的手段是要减少拌和水的用量,改善水泥浆体和界面的微结构,降低毛细孔隙尺寸.另外,在低用水量的前提下,还应在混凝土中加入粉煤灰、磨细矿渣矿渣等矿物掺和料与水泥水化产物中的氢氧化钙发生化学作用(
9、火山灰反应)后生成的产物可进一步改善混凝土的微结构,并消耗部分的不利于混凝土强度和化学稳定性的氢氧化钙.加入大掺量矿物掺和料还能有效抑制硫酸盐、酸、碱-骨料反应等化学腐蚀,并能显著提高混凝土抗氯盐侵入的能力。【9】 而高性能混凝土具有丰富的技术内容，尽管同业对高性能混凝土有不同的定义和解释，但彼此均认为高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计，保证拌和物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。基于上述特点，高性能混凝土成为我国近期混凝土技术的主要发展方向。【10】 高性能混凝土的核心是保证耐久性。耐久性对工程
10、量浩大的混凝土工程来说意义非常重要，若耐久性不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修；而对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30-50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%-50%以上。回看中国，我国50年代所建设的混凝土工程已使用40余年。如果平均寿命按30-50年计，那么在今后的10
11、-30年间，为了维修这些建国以来所建的基础设施，耗资必将是极其巨大的。而我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿人民币以上。照此来看，约30-50-年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，高性能混凝土更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。【11】1.1 混凝土的抗侵入性或抗渗性主要取决于毛细孔隙的孔径分布和孔隙率等孔结构特征.不同的侵蚀物质往往以扩散、渗透、吸收等不同传输机理通过混凝土中连通的毛细孔隙侵入到混凝土内部.扩散是流体中的自由分子或离子通过无序远动从高浓度区到低浓度区的净流动,其驱动力是浓度差;渗透是在压力差的驱动下而产生的
12、流体运动;而吸收则是毛细孔隙表面张力引起的液体传输。此外,还有一些机理引起侵蚀介质在混凝土毛细孔隙内的传输,如分子力的吸附和电场驱动下的离子迁移. 【3】二氧化碳、氧气和水蒸气等分子主要通过空气中的扩散机理传输,其在混凝土中的扩散过程与混凝土的含水量或湿度有很大关系.如果混凝土长期湿润或处于水下,混凝土毛细孔隙内饱水,气体分子就不容易扩散到混凝土内部,这种环境条件下的混凝土很难碳化;相反,如果环境湿度不高或比较干燥,毛细孔隙内的水分少而部分中空,二氧化碳扩散快,碳化速度也快.受雨淋的混凝土与有遮蔽的相比,前者的湿度相对较大,碳化速度较慢。但是混凝土碳化的化学反应需要有一定水分,如环境条件过于干燥,碳化也不会发生。另一方面,如果没有足够的水分和氧气供给,钢筋即使因混凝土碳化而脱钝,也不会发生持续的锈蚀.所以对钢筋而言,最易发生锈蚀的环境条件是干湿交替.强度和耐久性是混凝土的两大基本特性，也是混凝土科学的两个主要的研究体系。随着混凝土科学技术的发展，人们对能源节约的认识，其耐久性问题越来越受到重视我国地域辽阔，地跨温热二带，海岸线漫长，面临的条件比较严酷，出现问题也比较突出。有些工程处于水位交变区域（如海港码头处于潮汐变化段），
