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高性能混凝土耐久性-----纤维混凝土碳化
1、混凝土结构耐久性概述
、混凝土结构耐久性定义
随着社会的进步、经济的发展以及人们生产生活需求的不断提高,各类基础
设施和民用设施的建设方兴未艾。人们在享受这些设施给生产和生活带来的各种
便利的同时,也被这些建筑物在使用过程中出现的一些问题所困扰。由于这些建
筑物大多数为钢筋混凝土结构,使用一段时间后,便出现了不同程度的老化现象,
诸如混凝土碳化、钢筋锈蚀等。这些于老化而产生的结构损伤轻者会引起使用者
心理上的不适,重者会导致结构破坏,危及人民生命和财产的安全。此外一些建
筑物由于老化现象严重,虽然其使用时间还未超过设计基准期,但是却不能再继
续使用,造成了经济损失和资源浪费。因此,如今的钢筋混凝土结构的设计除了
要考虑传统的强度、刚度等力学指标之外,还要从避免结构由于耐久性不足而过
早出现老化现象的角度进行耐久性设计。
所谓混凝土结构的耐久性,是指混凝土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。
、混凝土工程耐久性不足的后果
混凝土工程因其工程量浩大,将会因耐久性不足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3,000座,平均寿命30年,其中32%的水坝年久失修。
美国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。中国50-60年代所建设的混凝土工程
已使用40余年,如果我均寿命按30-50年计,在今后的10-30年
内,为了维修建国以来所建基础设施的费用,将是极其巨大的。
目前,我国的基础设施建设工程规模宏大,每年高达2万亿元人民币以上,
约30-50年后,这些工程也将进入维修期,所需的维修费或重建费将更为巨大。
作为21世纪的高性能混凝土,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。
2、各国关于耐久性的研究动态
混凝土结构耐久性问题的日益突出,引起了世界各国学术机构、学者和工程
技术人员对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视,表现在各种结构耐久性学术
机构的不断成立和频繁的学术活动、大量的与结构耐久性有关的出版物以及大规
模的科学研究方面。
1982年,国际材料与结构实验室联合会(RILEM)和国际建筑研究文献协会
(CIB)联合组成了建筑材料及构件使用寿命预测委员 CIB W80/RILEM71-PSL,共
同研究结构的寿命预测问题,1987年又成立了一个新的委员会
CIBW80/RILEM100-TSL,以进一步推进委员会的工作和贯彻已取得的成果。美国 : .
混凝土学会1957年成立了委员会 ACI201,负责并指导混凝土耐久性方面的研究,
991年 ACI 委员会提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,制定了检测试
验的详细方法和步骤。此后美国联邦公路管理局也制定计划,研究了桥面板耐久
性检测和钢筋锈蚀的防护问题。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年日本颁布
了《考虑耐久性的建筑物设计、施工和维修规程》,该规程以建筑物的一生管理
为基础,强调建筑物的全过程管理,重视预防性维修,延长建筑物用寿命,随后
又编制了《混凝土耐久性鉴定规程》等一系列的耐久性设计、鉴定规程和方法。
日本建筑学会(AIJ)1988年推出了《建筑物使用指南》,1992年又推出《建筑物现
状调查、诊断、维修指南》。同年,欧洲混凝土委员会颁布了《耐久性混凝土结
构设计指南》,反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。
我国的混凝土耐久性研究也已进入了有组织的工作阶段。1990年4月,建设
部组织成立了全国建筑物鉴定与加固委员会,至今已召开了三届学术交流会;
1991年12月我国制定了全国钢筋混凝土结构耐久性设计规程,1992年11月,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在济南成立。
鉴于钢筋混凝土结构耐久性研究的重要意义,国内外有关机构都专门组织人
力、物力对钢筋混凝土结构的耐久性进行大规模的工程调查和试验、理论研究。
1990年,英国水泥协会对英国400多个结构的碳化情况进行了现场实测,得出了
一些非常有价值的结果。1993年-1995年间,台湾海洋大学对海洋环境中钢筋混
凝土结构的耐久性进行了系统研究,研究分为3个阶段:第一阶段探讨海洋环境
因素和材料因素对钢材的腐蚀作用;第二阶段研究腐蚀对构件力学行为的影响;
第三阶段综合第一、第二阶段的研究成果,提出修订桥梁设计规范或施工准则的
建议圈。
我国在编制《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)的过程中,规范组成员曾在
混凝土耐久性方面做了许多工作,而10余年后在对《混凝土结构设计规范》
GBJ10-89)的修订过程中,又将混凝土结构耐久性的可靠度设计方法及措施作为
一个专题研究。国家和省部级的研究基金曾支持过多项有关耐久性的研究课题。
建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。按现行
规范设计的结构其耐久性是无法确定的。混凝土结构耐久性设计规范(讨论稿)也
即将出版,这将为我国混凝土结构耐久性设计提供依据,进一步把对混凝土结构
耐久性的研究应用于生产实践。
有关混凝土结构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。1987年,国际桥梁与结构学会(IABSE)在巴黎召开“混凝土的未来”国际会议;
1988年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议;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办了第二届混凝
土结构耐久性国际学术会议;1993年 IABSE 在丹麦哥本哈根召开了结构残余能
力国际学术会议;由 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。
综观整个土木工程界,越来越多的人把研究的重点转向结构耐久性这一课
题,这一课题本身广泛的实际意义使得它已成为土木工程领域的一个研究热点。
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。
3、影响混凝土结构耐久性的因素
混凝土结构耐久性是指一个构件、一个结构系统、一幢建筑物或一座构筑物
在一定时期内维持其安全性、适用性的能力。也就是说,耐久性能良好的结构,
在其使用期限内,应当能够承受所有可能的荷载和环境作用,而且不会发生过度
的腐蚀、损伤或破坏。因此可知,混凝土结构的耐久性是由混凝土、钢筋材料本
身特性和所处使用环境的侵蚀性两方面因素共同决定的。
图 1-1 给出影响混凝土结构耐久性的原因、内在条件、影响的范围及其后果。对
混凝土耐久性造成潜在损害的原因是多方面的。
4、混凝土结构耐久性研究的内容
混凝土结构耐久性研究应考虑环境、材料和结构等方面的因素,这些因素可分为
环境、材料、构件和结构四个层次,相对而言材料和构件的研究较为深入。图
1-2 更直观地说明了混凝土结构耐久性这一课题所收集的研究内容。 : .
5、本论文主要研究的内容
目前时常发生的混凝土构筑物结构失效、塌崩事故,大都是混凝土耐久性不
足引起,给世界各国带来了惊人的损失,由此引发混凝土科学界和工程界对混凝土
耐久性的关注。世界各国也都投入大量人力、物力和财力进行研究,以期不断提
高混凝土结构的耐久性,延长混凝土工程的使用寿命,确保混凝土结构在设计使用
年限内的良好服务性和安全性。混凝土结构设计的基本原则已从安全性、经济性
发展为安全性、经济性和耐久性并重,随着对混凝土耐久性认识和研究的不断深
入,如何提高混凝土耐久性,已成为近年来混凝土技术发展的首要课题。
近些年来,混凝土的应用越来越广泛,混凝土的强度不断提高,工程上根据
设计年限及所处环境要求等特点的需要,在提出高强度的同时,特提出耐久性的
要求。
对高性能混凝土的定义,国际上迄今为止尚没有一个统一的理解,各个国家
不同人群有不同的理解。大多数承认单纯高强不一定耐久,而提出“高性能”则
希望能既高强又耐久。一直到 1999 年 2 月的“concrete international”发表布了
由美国 ACI 的技术活动委员会提出的作为 ACI 对高性能混凝土的定义:“高性能
混凝提是符合特殊性能组合和均质性要求的混凝土,采用传统的原材料和一般
的拌合、浇筑与养护方法,未必总能产生出这种混凝土。”在此定义下面的注释
为:“高性能混凝土时某种特性适合于特殊工程应用和环境的一种混凝土。对于
一定的工程应用可考虑的特性实例为:易于浇筑,振捣不离析,早强,长期力学
性能,抗渗性,密实性,水化温升,韧性,体积稳定性,严酷环境下的较长寿命”。
并指出,由于高性能混凝土许多特性是相关的,改变其中之一,通常造成其他一
个或多个特性的改变;因此,对预定的工程,配制混凝土中必须要考虑的一些特
性,必须在合同中逐条明确规定。1999 年 ACI 的定义是 1990 年讨论会定义发展,
强调混凝土的工程针对性以及均质性。定义中没有提到如何达到高性能混凝土,
因为有许多途径达到定义中的最终目的。 : .
通过对董淑慧,葛勇,袁杰,张宝生的论文中试验结果表明,陶粒含水率对混凝
土收缩的影响十分明显,通过提高陶粒含水率可以显著降低轻骨料混凝土的收缩
率。在使用过程中,混凝土水化以及表面水分的蒸发,使得混凝土内部湿度不断降
低并产生湿度梯度,陶粒中的孔尺寸远大于水泥基体中水化所形成的毛细孔尺寸 ,
从而水泥浆体中毛细孔张力远大于陶粒表面的毛细孔张力。随着水泥浆体的逐
渐硬化,水泥石毛细孔中的相对湿度逐渐低于陶粒内,陶粒中的水分将向水泥石
中迁移,陶粒含水率越高,可供迁移的水分越多对浆体收缩的补偿作用越大,混凝
土的收缩值也就越小。且陶粒内的水分在混凝土中的释放是一个长期的过程 ,随
着龄期的延长,轻骨料混凝土中仍有可供蒸发的自由水存在,收缩仍在持续增长,
而普通骨料混凝土的收缩趋于平缓。因此用部分陶粒代替石子的混合骨料混凝
土,早龄期预湿轻骨料的蓄水作用占主导地位,随着龄期的延长,石子对浆体收缩
的抑制起主要作用.
(1)轻骨料含水率对混凝土收缩的影响十分明显,含水率大于 %时,轻骨
料混凝土的早期收缩率低于同条件的普通混凝土。因此 ,通过预湿处理提高轻骨
料含水率可以显著降低混凝土的早期收缩;
(2)采用高吸水率陶粒配制的轻骨料混凝土的早期收缩较小 ,可大大降低混凝
土早期开裂的可能性,因此,在配制高性能轻骨料混凝土时,应该正确对待高吸水
率陶粒的优缺点,充分发挥轻骨料吸水返水特性;
由于上述解释,本实验采取用少量轻骨料代替沙石,通过预湿处理提高轻
骨料含水率可以显著降低混凝土的收缩变形。
高性能聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土不同,其重要特征是具有高耐久性。
设计时首先要保证其耐久性。耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性、抗碳
化性、抗大气作用性、耐磨性、碱一骨料反应、抗干燥收缩的体积稳定性等。在
混凝土中加入聚丙烯纤维,可以显著增强混凝土的耐久性能。
本文通过查阅文献资料,本文首先从高性能混凝土的碳化试验及抵抗钢筋锈
蚀试验并参考目前己有的研究成果等进行探讨,通过对高性能混凝土的耐久性试
验,分析影响耐久性的机理原因以及提高耐久性的措施。
然后从高性能混凝土的组成材料入手,通过高性能混凝土与普通混凝土基本
性能上的差异比较,分析了原材料的选择对高性能混凝土耐久性能的影响。同时
从设计和施工养护等方面,进一步探讨了高性能混凝土作为新型的优质材料提高
其耐久性的必要性和有效措施。
最后本文结合国内外高性能混凝土耐久性研究的现状,在近年来基于高性能
混凝土碳化的实用模型,分析了将碳化的预测模型作为评定高性能混凝土耐久性
的综合指标的可行性和必要性。
混凝土碳化
混凝土的碳化是指空气、土壤等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中,与
水泥石中的碱性物质发生反应,使混凝土中的 pH 值下降