周履

(中铁大桥局桥梁科学研究院430034)

[提要]对高性能混凝土发展的历史背景,高性能混凝土的定义与性能,主要材料组成,高性能混凝土与混凝土结构耐久性的关系,高性能混凝土与混凝土工业可持续发展的关系以及高性能混凝土在工程上的应用情况等,进行了回顾与讨论,最后对发展前景进行了展望。

[关键词]高性能混凝土混凝土结构耐久性可持续发展

A general re view is made on the historical background of the development of H PC,the definition and variety of HPC,

the main c onstituent materials of HPC,the relationship between H PC a nd the dura bility of concrete structures,the re-lation ship between HPC and the sustaina ble deve lopment of c oncrete industry,and the application of H PC in engineer-ing-projects.Finally,the future de velopment of H PC is prospected.

K eyword s:high-pe rform a nce conc rete(HPC);c onc rete structure;durability;sustainable development

一、高性能混凝土发展的历史背景

高性能混凝土(简称HPC)是在20世纪80年代以后发展起来的。根据美国联邦公路管理局的统计[2],美国1950~1994年45年内修建的混凝土公路桥梁的缺陷率及使用寿命期望值,如表1所示。德国从1947 ~1982年的35年内修建了3万座预应力混凝土桥,其中500~600座发现不同程度的缺陷,缺陷率低于2%。自从1987年,美国国家材料咨询局的报告[1]公布以后,混凝土桥梁耐久性在美国引起了严重的关注。该报告指出美国约有2513万座混凝土桥梁(其中有些建成不到20年)已处于不同程度的劣化状态,而且每年将增加315万座新的劣化桥梁。

桥梁劣化造成的经济损失显然是促使HPC发展的一个重要因素。1986~1990年历时4年的欧洲、北美、澳大利亚、日本等16个国家组成的/经济合作与发展组织0对这些国家的80万座混凝土公路桥进行了细致的调查后指出:钢筋锈蚀和冻融破坏是两种最主要的破坏形式,尤其是消冰盐的侵蚀更为严重,对这些损坏桥梁进行修复或更新的价格高达500~900美元/ m2,远比当年造价高。仅美国1992年在这方面的维修费已高达2580亿美元。英国仅英格兰中环线的11座高架桥,使用12年就严重破坏,修复费用达112亿英磅,为当年造价的6倍[3]。

我国铁路桥梁根据2000年全路秋检结果,11万余孔混凝土桥有裂缝超限的混凝土桥4154孔,钢筋锈蚀的混凝土桥有3000多孔,其中碱集料反应的病害达1800孔[7,8]。仅以京广线某桥为例,该桥共有98孔P.C.简支梁(跨度2318m),仅使用了24年,

美国混凝土公路桥梁缺陷率(1950~1994)表1桥梁类别座数

定为有结构缺陷的使用寿命期望值(年)

座数缺陷率(%)州际公路州道乡道

钢筋混凝土桥918866027616836973

预应力混凝土桥8830432123131026866

在2000年检查发现有50%以上的桥梁存在不同程度

病害,并有一束预应力筋锈断。仅该桥的大修换梁费用预计5800万元。

建设部于20世纪90年代组织了对国内建筑混凝土结构的调查,发现大多数工业建筑在使用25~30年后即需大修,处于有害介质环境中的建筑物使用寿命仅15~20年。民用建筑及公共建筑使用及维护条件较好,一般可维持50年以上[13]。

我国1986年以前已建港口混凝土结构因氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀,导致构件开裂情况十分严重[12]。

混凝土劣化的主要原因为钢筋锈蚀、冻融循环、碱集料反应和硫酸盐侵蚀,这四种情况都与水份介入的膨胀和开裂有关。同样,水份也是运送侵蚀性离子(氯离子和硫酸盐离子)进入混凝土内部的运载体。虽然可以采用足够的钢筋来混凝土裂缝的宽度,但是钢筋并不能消除或减少裂缝,它仅能将少量的宽裂缝分散为许多细微的裂缝。正是这种看不见、量不出的微细裂缝是侵蚀性离子从混凝土表面渗到钢筋表面的通道[1]。

根据文[1]和[4],从20世纪初至50年代以后,普

通波特兰水泥的C

3

S含量从30%左右增加到45%~ 55%,而细度模量则从1000cm2/g增加到4000c m2/g以上,这自然是为了适应提高施工速度采用高早强混凝土的需要,但是也使得混凝土的收缩率过大,水化热更高,从而更易开裂。

上世纪70年代以来,高效减水剂的发展,为高水泥含量(400~500kg/m3)、低水灰比(0125~0135)的甚高强混凝土的发展起了推动作用,这种高强混凝土因其高早强和低渗透性在有侵蚀性环境的应用颇具吸引力,但是它的高收缩率、高水化热和高弹性模量与低徐变很易使混凝土发生早期裂缝。现场经验说明高早强混凝土也更易开裂,开裂以后水密性也就丧失了。

1995年Gebhardt的调查报告[17]指出过去70年中,美国AST MÑ型硅酸盐水泥的7d强度从17M Pa 提高到31M Pa,这种趋势在我国也是大同小异,我国从2001年4月1日开始实行的新水泥标准,早期强度比过去更有所提高,这对耐久性未必有利[17]。

历史上认为混凝土耐久性的长短与其强度成正比的概念已经到了必须修改的时候了。

二、HPC的定义与性能

11定义

(1)ACI对HPC的定义1990年5月美国混凝土学会(ACI)及美国国家标准和技术研究院(N IST)将HPC定义为具有所要求性能的匀质混凝土。这些性能包括:易灌注、易密实,不离析、能长期保持优越的力学性质、早期强度强、韧性好,体积稳定、在恶劣环境下使用寿命长等。以上定义仅有定性的要求,并要求性能可随使用目的和环境条件而有所侧重。

(2)FHWA对公路结构的HPC的定义1995年10月美国联邦公路管理局(FHWA)用4个耐久性参数和4个物理力学性质的参数来定义HPC。每一种参数分为4个等级,并用3个表格(见表2~4)来说明。表2给出了各种性能的参数及每个参数的等级标准;表3列举了评定这些性能的标准试验;表4是根据暴露条件,采用适当性能等级的建议。桥梁设计工程师根据现场条件提出所需混凝土的性能等级,然后通过一系列标准试验来证明所提供的混凝土是否满足要求。

21免振混凝土(或自密实混凝土,由于免振环保又称绿色混凝土)

自密实混凝土是具有自密实性能的HPC,它可以无需振捣,完全依靠自重就能密实地充满模板的每个隅角。虽然有很高的流动度,但是粗集料不会离析。

免振混凝土为了提高流动度同时极少降低粘稠度,采用了超级塑化剂。对于给定了集料含量的混凝土,可以确定出达到自密实所需水灰比与超级塑化剂的最佳组合。自密实程度可用流过障碍物以后混凝土达到的高度来衡量,目前采用U形试验器较为恰当。

高性能结构混凝土性能特性等级(即FHWA表1)表2性能特性

2)

标准试验方法

FHW A HPC性能等级

3)

1234冻融耐久性

4)

(x=300次循环

后相对动弹性模量)

AASHT O T161

AST MC666

Proc.A

60%[x[

80%

80%[x

剥落抵抗

5)

(x=50次

循环后目测表面率)

AST MC672x=415x=213x=011磨耗抵抗

6)

(x=平均磨耗深度,mm)

AST MC944

210>x>

110

015\\x

氯化物渗透

7)

(x=coulombs)

AASHT O T277

ASTM C1202

3000\\x>

2000

2000\\x

>800

800\\x 强度(MPa)

(x=抗压强度)

AASHTO T2

ASTMC39

41[x<

55

55[x[6969[x<97x\\97弹性10)(GPa)

(x=弹性模量)

AST MC46928[x<4040[x<50x\\50

收缩

8)

(x=LE)

AST MC157

800\\x\

600

600\\x

\\400

400\\x 徐变

9)

(1/MPa)

(x=LE/压应力)

AST MC51275\\x>6060\\x>4545\\x>3030\\x 注:1)表中并未列举优良混凝土的所有特性,仅列举了可以定量地表示性能类别的混凝土特性,其他特性也应予以校核,如应由试验查明集料是否会发生碱硅反应(按照ASTM C227,在38e养护,在23e试验,3个月膨胀率小于0105%,6个月平均膨胀率小于0110%),对于酸及硫酸盐侵蚀,也应加以考虑;2)所有混凝土试件均应潮湿或浸水养护56d;3)对于每一种要求的性能等级,都规定了一种HPC配合比设计,例如一种混凝土的强度与弹性等级为4,收缩与剥落抵抗的等级为3,其他性能等级均为2;4)根据SHRP*C/ FR91-103,P3152;5)根据SHRP S-360;6)根据SHRP C/FR91-103;

7)根据PCA商品高强混凝土工程性质;8)根据SHRP C/FR91-103, P3125;9)根据SH RP C/FR91-103P3130;10)根据SH RP C/FR91-103,P3117。

*SHRP(美国战略公路研究纲要,S trategic Highw ay Research Program)对HPC的定义为:1)水灰比<0135;2)冻融循环300次后,相对动弹性模量大于80%;3)4h内强度达21M Pa(甚早强),或24h 内达34M Pa(高早强)或28d达69M Pa(甚高强)的混凝土。该定义偏重于早强,定义了一个特定的H PC,缺乏普遍适用性。

日本东京大学的Hajime Okamura教授认为:自密实混凝土可以极大地改进过去依靠振捣的混凝土施工系统,可以发展包括从模板、钢筋、支承以及结构设计在内的一整套新的施工系统。希望并相信自密实混凝土有一天将被广泛采用,并将被看成标准混凝土,而不是特殊混凝土。到那时候能成功地制造出维修工作量很小,耐久而可靠的混凝土结构。

北京城建集团从1996年起,用自己研制的DFS系列高效减水剂和磨细粉煤灰、矿渣等掺料,研制成C30 ~C60的自密实混凝土。西南交大和长沙铁道学院于1995~1997年用自己研制的复合高效减水剂、超细粉煤灰与525号普硅水泥,研制成C40~C80的免振高强高性能混凝土(粉煤灰的掺量为30%~40%,等效替换水泥)。

确定HPC性能等级的试验方法细节(即FHWA表2)表3性能特点标准试验方法注

冻/融耐久性AASHTO T161

ASTM C666

Proc.A

1)试件7612@7612@27914(mm)灌

筑或从15214@30418(mm)圆柱体

切取;2)用声测法测动弹性模量,直

到300次循环

剥落抵抗ASTM C6721)试件表面面积461451mm2;2)50次循环后目力观察

磨损ASTM C9441)混凝土在3个不同位置试验;2)在每个位置,应施加98N,3个2min磨损时间;3)按照ASTM C799程序B 确定磨损深度

氯化物渗透AASHTO T277

ASTM C1202

按照标准试验方法试验

强度AASHTO T22

ASTM C39

1)试模应为刚性金属,或一次用刚性

塑料;2)圆柱体应为<100@200,或

<150@300;3)端部应加帽盖,磨成

平行或按照AASHT O规范放在氯丁

橡胶板上;4)对于56d龄期超过

70M Pa的混凝土应在56d的试验用

氯丁橡胶板;5)建议用56d强度

弹性ASTM C469按标准试验方法试验

收缩ASTM C1571)试件的尺寸为7612@7612@285 (mm);2)在潮湿养护后28d开始收缩测量,读取干燥时间180d内数据

徐变ASTM C5121)用152@305(mm)试件;2)养护温度2218e,7d后相对湿度50%直到28d开始加载;3)在徐变荷载时间180d内测取徐变值

注:见表2注中所说明的试验前的养护时间。

关于HPC等级应用的建议(即FHWA表3)表4

暴露条件

HPC等级应用于已给暴露条件的建议N/A2)等级1等级2等级3

冻融耐久性暴露

(x=F/T1)每年循环次数)

x<33[x<5050[x 剥落抵抗施加盐份3)

(x=t/车道)英里)年)

x<015015[x

磨耗抵抗(x=平均每天车辆,容许带齿轮胎)无齿/链x[50000

50000<100000

100000[x

氯离子渗透施加盐份3) (x=t ons/车道)英里)年)x<110

110[x

<310

310[x

<610

610[x

注:1)F/T表示冻/融,1次冻/融循环定义为饱和混凝土的环境温度下降到-212e(28u)以下,随之以升温到冰点以上的一次事件;2)N/A表示/不适用0,说明HPC性能等级的规定是没有必要的情况;3)如SHRP S-360所定义。

三、HPC的主要材料

11混凝土的材料与混凝土性能(高强度、高流动性、高耐久性)的关系,见表5。HPC的主要成份与普通混凝土相似,所用水泥目前大部分还是普通硅酸盐水泥,但是在配合比的设计、掺料及外加剂方面则不同,配合比的设计不再单纯地根据强度来设计,而应根据所要求的性能来设计。

混凝土材料与其性能的关系表5材料强度流动性耐久性其他性能

水

泥

烧结料化学成

分的调制

高粉末度化

粗细调整

球状化水泥

烧结料化学成分

调整y低热水泥

低热水泥(降低温差应变)

低碱水泥(抑制碱集料反

应)

外

加

剂

z高性能减水剂y

高性能AE减水剂和复合减水剂

缓凝剂,流动剂,促凝剂,增粘剂

(抑制离析,保持坍落度)

AE剂,减水剂,AE减水

剂,减缩剂,阻锈剂,膨胀

剂等(抗冻融,抗锈,抗渗,

抗腐)

增粘剂(防水下

混凝土离析),发

泡剂,防水剂(提

高水密性),聚合

物(增韧)

掺

料

z硅灰,高炉矿渣微粉,飞灰,石灰石粉,纤维材料y

增强效应润滑效应填充增密效应

(抗盐份渗透,抑止碱骨料反应)

石灰石粉

(增量剂)

骨

料

z骨材质量影响所有性能y

坚硬优质骨材粒度分布良好适当微粒,耐久性骨材

低品质骨材/再

生骨材21用于HPC的3种关键性的矿物掺料

硅灰、飞灰(或粉煤灰)及粒状高炉矿渣。这种极细的磨细颗粒拌合在混凝土中,产生3种效应,即填充效应、润滑效应及增强效应。首先是微粒填充在水泥颗粒间的空隙中,使混凝土更密实,大大降低了水份及有害物质的渗透,从而提高了耐久性;其次是它们的火山灰效应,与水泥和水作用产生水化硅酸钙胶质,使集料粘结得更坚固,后期强度显著提高,砂浆与粗集料间的结合区强度更高,不易产生裂缝。最后,这些微小的圆形颗粒在粗细集料之间起很好的润滑作用,与超级减水剂的润滑作用一起,使混凝土在很小的水胶比的情况下具有满意的流动度。

用于HPC的粉煤灰限于Ñ级或Ò级,比表面积不小于3000cm2/g。美国在20世纪60年代以后将飞灰作为一种活性矿物材料来配制高强混凝土(在没有高效减水剂的情况下)。硅灰为电炉冶金排出的气体中

回收的超微粉末,其主要成分为非晶SiO

2

。飞灰与硅灰品质的比较见表6。

飞灰与硅灰品质比较表表6项目飞灰(JIS A6201)硅灰(JSCE-D106-1995)

材料来源

火电厂燃煤锅炉燃烧

气体中采集的煤灰

电炉冶金时排出的气体中回收的硅及铁化

硅微尘

平均粒径(L m)10~20?011左右

比表面积(cm2/g)3000~4000约200000

品

质

规

格

二氧化硅(%)45以上85以上

密度(g/cm3)1195约212

活性指数(%)

材龄28d

80以上105以上

改善混凝土

品质效果

提高流动性,降低温

升,提高长期强度,提

高耐久性(抑制碱骨

料反应)

提高强度(火山灰反应及填充效应),提

高耐久性(抑制碱骨料反应、盐化物离子

渗透,抗硫酸盐侵蚀),高流动度注:以上资料取自日本1999年1月5预应力混凝土6。

高炉矿渣微粉为炼铁副产品,主要成分有SiO2, Al2O3,CaO,M gO,碱度(CaO+MgO+Al2O3/SiO2)高者,潜在的水硬性也大;细度大,活性也愈高。日本/混凝土用高炉矿渣微粉0标准(JISA6206)规定碱度大于116,细度按比表面积计,将其分为3等:4000,6000及8000cm2/g。

高炉矿渣能提高混凝土工作度,减少温升,提高混凝土的耐久性(抗化学腐蚀,抗海水腐蚀,抗盐分浸透,抑制碱骨料反应等),对于抑制大体积混凝土的温度裂缝,提高耐久性方面,高炉水泥已有了很多实绩。最近,日本用比表面积为5000cm2/g以上的高炉矿渣微粉与高性能引气减水剂,制造水胶比小于0130的高强度、高流动度混凝土,改善了制造与施工性能。

31各种外加剂

高效减水剂可以大量降低水灰比,同时提高混凝土的流动度和强度。它的主要问题是粘性大,坍落度的保持时间短,有时会使搬运、泵送及导管灌注等发生困难,采用高性能复合减水剂或高性能引气减水剂则可以解决这一问题。在日本,20世纪80年代后期高性能引气减水剂继高性能减水剂、流动剂、引气剂等之后成为商品,1995年日本工业标准5混凝土用化学附加剂6(JISA6204)中,形成了规格化的外加剂。高效减水剂的减水成分分为以下4种:萘系(naphthalene),三聚氰胺系或蜜胺系(melamine),聚羧酸系(polycar-boxylic-acid)及氨基-磺酸系(amino-sulfonic)或氨基萘磺酸系(amino-napht halene sulfonic)。

我国九五期间由中国建材院等开发的SJ-2皂甙类新型引气剂(可提高混凝土抗冻性8倍以上,每增1%含气量,抗压强度下降不大于3%)以及抑制碱集料反应的低碱早强剂和防冻剂,已在实际工程中应用。

由日本水泥公司与三阳化工公司1982年开发的减缩剂的主要成份是聚亚烷基醚(Polyoxalkylene)为水溶性液体,拌合在混凝土内,也可涂刷在混凝土表面。对于水泥含量为300kg/m3,水灰比为0153的混凝土,剂量为715~10kg/m3时可降低收缩50%左右,它的作用是降低混凝土中毛细管的张力,故对减少干燥收缩及基本收缩均有效,减缩剂(SRA)自20世纪80年代以后,应用日渐广泛。类似的产品在20世纪90年代也在美国获得专利。

此外,外加剂还有各种阻锈剂。

41新型胶凝材料

我国九五期间由中国建材院等研制成功了新型的/高C

2

S水泥[14](又称高贝利特水泥high Belit e c e-ment),通过掺入稳定剂和活化剂,大幅度提高了强度。

这种水泥的C

2S含量大于50%,28d抗压强度相当于

525#硅酸盐水泥的水平,3d,7d的水化热相当于425#

低热矿渣硅酸盐水泥的水平。因此它具有低水化热、

高强度(主要是后期强度)、施工性能好等优点。新型

高C

2

S水泥制造时能源(煤)消耗比传统硅酸盐水泥低

20%左右,对石灰石品位要求低,消耗量降低5%~

10%,CO2排放量下降8%左右,烧制成本也较低。

与传统硅酸盐水泥相比,高C

2

S水泥的需水量少,

胶砂流动度大,与外加剂适应性好,具有更好的工作

性,在常温条件下,早期强度较同标号的传统硅酸盐水

泥稍低,但后期强度增进大,在温度50e~70e的养

护条件下,高C

2

S水泥的强度比传统硅酸盐水泥高20

~30M Pa。高C2S水泥的干缩为传统硅酸盐水泥的一

半。抗硫酸盐浸蚀性能较传统硅酸盐水泥高近一倍。

日本在1997年制订的低热波特兰水泥标准系将

高C

2

S含量的水泥与高性能引气减水剂并用,具有高

流动性、低水化热、高后期强度等优点。

高矿物掺料含量的复合水泥。20世纪80年代至

90年代/国际水泥和混凝土可持续发展中心0和加拿

大的一些学者对于用一种或数种矿物掺料,如粒状矿

渣(GBFS)、飞灰(FA)、硅粉(SF)、石灰石粉(LF)等与

普通硅酸盐水泥(OPC)的烧结材以不同的比例混掺研

磨而成的水泥性能进行了研究,研究认为两掺水泥

(binary cement)(例如由45%水泥与55%低钙飞灰,加

少量石膏及高效减水剂干粉研磨而成)早期强度发展

较慢,但28d强度与OPC相等,91d强度为OPC的

125%,抗氯离子渗透性及抗冻融性均比OPC优越,只

是在实验室试验的抗消冰盐浸蚀能力较差。而在加拿

大东部人行道上实验的高飞灰混凝土,经过4个严冬,

无数次消冰盐作用与反复冻融之后,仍保持良好状态。

上述早期强度低,抗消冰盐侵蚀能力低等缺点,可以通

过掺用少量SF来加以克服。80年代以后,一些学者

通过实验发现三掺水泥(t ernary cement,如OPC-SF-FA

及OPC-GBFS-SF)和四掺水泥(quaternary cement,如

OPC-GBFS-FA-SF)中的各种成份在混凝土中有互补增

强作用(Synergist ic act ion),所以其性能比单一的OPC

或二掺水泥要好得多。目前在加拿大一些工厂中已生

产上述三掺水泥。

三掺或多掺水泥制造的混凝土可以节约大量硅酸

盐水泥并在各种环境下,尤其是海洋环境下有良好的

耐久性。澳大利亚在60年代即用OPC B GBFS B FA为

40B40B20的三掺水泥用于堪培拉港的建设,证明特别

耐久。在过去几十年内,世界上用复合水泥修建了若

干在严酷环境下的近海结构。对这些结构的监测将能

提供在海洋环境下用复合水泥修建的钢筋混凝土结构

的性能的大量资料。

四、HPC与混凝土结构的耐久性

11混凝土结构的耐久性

耐久性一般可理解为结构保持其使用性能的时间,或/使用寿命0,故应根据使用要求,考虑环境条件和结构劣化以至失效的各种原因与过程,对材料、结构形式、构造细节、施工工艺、保护措施等进行选择,从设计、施工、维修保养等各方面来加以保证。

欧洲规范2,暂行本(Euro-Code2,EN V.1990)中有如下条款:1)要保证结构有足够的耐久性,应考虑结构的使用,结构的要求功能,结构环境条件,材料的组成、性能与功能,构件形式与构造细节,工艺质量与控制水平,特定的保护措施以及在期望寿命内的维护;2)设计阶段应对环境条件作出评估,并提出保护材料的具体规定。

21混凝土的劣化

劣化的原因及过程(见图1)。防止或缓解混凝土结构劣化的措施及费用比较见表7。

混凝土劣化原因及过程环境作用及荷载效应

不透水(RC,PC)结构,包

含不连续裂缝微裂及空隙

z 阶

段

Ñ

无

可

见

损

害

11气候影响

冷热交替,干湿循环21收缩徐变

31荷载效应循环荷载、冲击荷载

裂缝微裂及空隙逐渐连通,不透水性逐渐丧失

z 阶

段

Ò

损

害

开

始

并

发

展

11水分渗透

21O2及CO2渗透

31酸侵蚀酸离子如Cl

-

,SO

-

4的侵蚀

41生物腐蚀

A.出现

11钢筋腐蚀

21硫酸盐侵蚀

31碱集料反应

41其他化学侵蚀

51冰冻胀及盐冻胀

B.混凝土强度与

刚度降低

开裂,剥落,质量损失

z

硫酸盐(Na2SO4,MnSO4)溶液与水泥石中Ca(OH)2及

水化铝酸钙反应,生成石膏及硫铝酸钙(钙矾石

etring ite),体积膨胀,造成开裂

碱集料反应:水泥石中(OH)

-

与集料中活性骨料反应

(碱硅酸盐反应及碱碳酸盐反应),碱硅反应形成碱硅混

合物透明胶凝体,再与Ca(OH)2及C a

++

反应生成白色

不透明的碱-钙-硅混合物,这种混合物吸水膨胀

酸侵蚀:碳化速度一般较慢,但如有酸性水流过表面,则

碳化急剧加快,因C a(OH)2被溶解流失;硫酸使混凝土

表面生成一层极易被除去的石膏,从而加深腐蚀

排污下水道中酸侵蚀是由微生物、细菌作用产生的H2S

溶于水中,在细菌作用

下氧化成硫酸,这种侵蚀可使混凝

土形成乳酪状,彻底丧

失强度

环境杂散电流可以促进钢筋腐蚀,钢筋除了腐蚀以外还有疲劳、低温脆断、

氢脆、应力腐蚀等问题

图1混凝土劣化原因及过程图解

31混凝土结构的使用寿命

混凝土结构使用寿命预估的2阶段损害模型见图

2。混凝土结构设计性能水平与工程寿命关系见图3。

防止或缓解钢筋混凝土劣化措施及费用比较(%)表7

措施费用措施费用

用飞灰或矿渣代替部分水泥0掺用防腐剂8

混凝土拌和物预冷3环氧涂层钢筋8

掺用硅灰和超级塑化剂5表面涂层20

增加保护层15mm4阴极保护30

注:Gerw i ck根据1994年西方国家费用的比较(以混凝土第一

次制造成本的百分比表示)。

关于混凝土结构使用寿命众说纷纭,已故的吴中

伟院士认为可达150~200年,有的专家提出大坝混凝

土为300~500年寿命的构想,俄罗斯和日本有关专家

研究认为可达600多年;有的专家认为可达500~

2000年。日本正在研究耐久性达500,700和1000年

的混凝土。

图2混凝土结构使用寿命

预估的2阶段损害模型

图3混凝土结构设计性能

水平与工程寿命的关系

已成建筑物的设计使用寿命:美国混凝土桥梁的

预期寿命为83~102年;英国北海石油平台和日本明

石海峡大桥设计寿命为100年;加拿大联邦桥设计寿

命120年,沙特阿拉伯、巴林高速公路跨海大桥设计寿

命为150年;荷兰东谢尔德海闸设计寿命为250年;我

国三峡大坝混凝土设计寿命在100年以上。青马

大桥混凝土设计寿命120年,澳门观光塔主体混凝土

设计寿命150年。

(1)根据氯离子扩散系数及环境氯离子浓度估算

混凝土结构使用寿命。根据文[19],加拿大联邦桥位

于北大西洋Northamberland海峡中,海水中氯离子浓

度为2100ppm,采用含715%硅灰的水泥430kg/m3、飞

灰45kg/m3,水胶比0130,外加高效减水剂及引气剂,

制成高性能混凝土28d强度55M Pa,90d强度60MPa,

混凝土6个月龄期的氯离子扩散系数为418@10-13

m2/s(约为普通混凝土的1/10~1/30),氯离子含量的

临界值取为水泥重量的014%,相当于116kg/m3。在

海水浪溅区混凝土保护层厚度75mm,根据氯离子浓

度与时间关系曲线,60年也不会超过上述临界值。由

于混凝土电阻高,钢筋失去钝化膜以后锈蚀速度较慢,

混凝土的使用寿命应在100年以上。

文[16]基于F ick第二定律,推导出综合考虑混凝

土的氯离子结合能力,氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土微缺陷影响的扩散方程。根据该方程计算,普通混凝土即使保护层厚度为6c m,在海洋环境中的使用寿命也只有25年。而高性能混凝土保护层厚度为6cm时,使用寿命可达150年。如钢筋采用防腐措施,混凝土采用防裂措施,则其使用寿命更长。

(2)根据各种控制条件(如混凝土碳化等)来推算混凝土结构的使用寿命。

五、HPC与可持续发展的混凝土技术

混凝土工业今天已经成为自然资源,如水、沙、砾石和碎石等的最大的消耗者。根据一项估计,混凝土工业目前每年消耗天然集料约80亿t。混凝土拌合物的粘结材的波特兰水泥的生产也需要大量天然材料。全世界波特兰水泥的年消耗量从1880年的200万t上升到1996年的14亿t。除了其它原材料之外,每t波特兰水泥约需115t石灰石与相当数量的矿物燃料及电能。此外,每生产1t波特兰水泥烧结料要释放出约1t二氧化碳。全世界释放的二氧化碳中有7%来自波特兰水泥工业。作为发展基础结构和消耗有限自然资源的主要角色的混凝土工业有义务采用对环境无害的技术。

1992年在里约热内卢召开的地球峰会将/可持续发展0定义为/与地球生态系统相协调的经济活动0。P.Kumar M eht a教授最近指出:对环境无害的混凝土技术的基础赖以建立的3个主要支柱是对混凝土原材料的节约、混凝土耐久性的提高以及混凝土技术研究和教育方法从简约法(reductioniat ic approach)到整体法(holist ic approach)的转变。这3个支柱又是相互关联、相互影响的。

11可持续发展的混凝土技术

采用最近的对环境无害的技术,例如,用轧碎的废弃混凝土代替碎石,用预拌混凝土工厂的再循环水代替新鲜的拌合水等都有过成功的事例。根据M anz的报告,目前粉煤灰的年产量约为615亿t,其中至少有70%、约415亿t是飞灰或细灰,一般适宜于用作硬凝材料。今天,全世界用于水泥与混凝土工业的飞灰年消耗率估计约3500万t,低得可怜。

另一个可代替水泥的是炼铁副产品高炉矿渣。虽然全世界这种矿碴的年产量约1亿t,但其利用率仍然很低,因为在许多国家仅有一小部分矿渣被加工成胶结材的形式。

如果能够找到方法将全部或绝大部分可用的粉煤灰及高炉矿碴用作波特兰水泥的混合料或混凝土的矿物掺料,就有可能满足预计2005年的水泥需要量,而不增加波特兰水泥的现有产量。这样,不仅可以保证水泥和混凝土工业的可持续发展,而且可使近90%的粉煤灰和高炉矿渣可因此结束低价值的应用(或用于填低地、填路基或作为废料堆积、或填入海中),这样的处理不仅是浪费,而且对人类的环境与健康有害。M alhot ra,Langley和L eaman曾报导:用AST M-F或C 级飞灰替换60%水泥制造出高质量的结构混凝土。

21混凝土结构耐久性的提高

普通混凝土之所以成为建筑的上选材料是因为它是用简单技术制造的廉价产品。现在的问题在于如何使普通混凝土成为今后结构的高耐久的、高性能的建筑材料。采用HPC是提高结构耐久性的一项重要措施。含有飞灰或矿渣的混凝土在砂浆与粗集料的结合区的强度更高,不易发生微裂,因而具有更高的水密性、耐久性及使用寿命。

提高混凝土耐久性不仅适用于新建混凝土结构,从经济利益、资源保护方面来说,通过维修和修复来提高现有结构的使用寿命是不能忽视的。对于暴露在严峻条件下的现有结构,含飞灰或硅灰、掺有超级塑化剂的喷射混凝土的表面保护与阴极保护等提高结构使用寿命的方法已日益受到注意。

31从研究和教育着手、贯彻总体思维的方法,将混凝土技术推向可持续发展的方向

长期以来,混凝土技术为简约主义的方法所左右。简约主义认为一个复杂系统可通过将它简化为各个部分,每次只考虑一个部分就可以对整个系统的所有方面都能了解并加以控制。结果是关于混凝土耐久性的规范和试验方法不能从总体来考虑,不能认识到混凝土的耐久性除了取决于混凝土的材料和配合比外,还取决于其它一些因素,如环境条件、设计、制造工艺等。这种方法也不能从整个社会和人类的利益来处理混凝土的技术问题。

与简约主义相反,总体思维的方法不仅在技术上能全面考虑问题,并且认为社会是一个整体,而混凝土工业是其中的一个部分,它必须对其它部分的需要负责,如资源的节约、环境的保护等。要培养和发展总体思维的方法,还应从研究和教育着手。应该用一种能持久发展的、不是危及我们后代生存的方法来改造我们在这个星球上的生活。

六、HPC在国内外的应用举例

11HPC在国外的应用情况

美国佛罗里达州日照天路桥(Sunshine Skyway Bridge)(全长6672m,主桥1220m,主跨为165+366+ 165(m)斜拉桥,旧桥于1980年为海船撞沉,于1983~ 1987年重建。因位于坦巴湾(T ampa Bay),为防止海水腐蚀,规定上下部结构混凝土均掺用飞灰。其中基础封底及钻孔灌注桩,用飞灰替换50%水泥,其余替

换20%水泥,水胶比基础部分用0144,其余均用0141。混凝土强度要求为38M Pa。

美国联邦公路管理局于(FHWA)1993年开始了推广HPC的示范工程,为12个州的15座示范桥梁提供了资金,得到各州的积极响应,取得了良好的技术经济效果。实践证明HPC的抗裂性比常规混凝土好,氯离子渗透性及腐蚀大幅度降低,既提高了耐久性,同时也提高了强度,从而可以减少纵梁的根数或加大跨度。良好的技术经济效果使得推广HPC的信心和热情迅速提高。华盛顿州宣布自1996年起新建桥梁必须采用HPC。

英国第二塞汶河桥(1992~1996年施工),全长为5125m,其中主桥为钢混凝土组合梁斜拉桥,长94616m,两岸引桥各有20孔98m跨度的PC连续梁。施工期间正值英国运输部禁止采用管道压浆的后张预应力混凝土的时期,故引桥上下部结构及主桥塔柱及基础均采用体外无粘结力筋,预制拼装结构,混凝土设计强度60M Pa,实际达到80M Pa。每m3混凝土用480kg含28%高炉矿渣的胶结材,12h达到拆模强度12M Pa,18h达到起吊强度1715MPa。全桥49个桥墩有34个沉井基础,其余为桩基,沉井重1000~2000t,均为预制,用海上工作平台的吊机起吊及沉放。

加拿大联邦桥(Confederat ion Bridge,1994~1997年施工),全长近13km,跨越北大西洋Northumberland 海峡,主桥45孔,长10990m,其中有43孔为跨度250m的PC刚架加挂梁。全年有5个月为冰封期,自然环境十分严酷,受海水、流冰、大风、地震、温差及船撞的作用。为尽量减少海上作业,上下部结构全采用HPC预制装配式结构。桥梁设计使用寿命100年,混凝土28d强度除防冰盾用90M Pa外,均取55MPa(90d 强度60M Pa),配合比为:含715%硅灰的水泥430kg/ m3,飞灰45kg/m3,砂705kg/m3,碎石1030kg/m3,水145kg/m3,减水剂118立升/m3,超级减水剂312立升/ m3,引气剂(适量),坍落度18?4cm,6个月龄期混凝土的氯离子扩散系数为418@10-13m2/s,60d龄期混凝土潮湿试件的电阻为470~5308m,约为普通混凝土的914倍,混凝土保持层厚度75mm。海水中氯离子浓度为2100ppm,导致钢筋开始失去钝化的氯离子浓度临界值为116kg/m3。根据估算,达到该临界值的时间在60年以上,桥梁使用寿命在100年以上。

挪威是欧洲开展高强度、高性能混凝土研究较早的国家,结合北海采油平台的建设,挪威皇家科技研究院的科学与工业研究基金(SIN TEF)从1986年至1993年,持续资助高强度混凝土材料和结构的研究。早在20世纪90年代初期,挪威运输部就已规定桥梁混凝土必须掺粉煤灰或硅灰,水胶比不能大于014。挪威的混凝土结构设计规范中的混凝土强度等级已高至C105。至今,挪威已建成20多座海洋采油平台。挪威在1992年建成通车的主跨530m的Skarnsundet预应力HPC斜拉桥,1999年建成通车的主跨301m的Stolma预应力HPC连续刚架桥都是目前世界上同类桥梁中跨度最大的。

法国1986年由组织23个单位(包括研究机构、大学、企业等)参加的/混凝土新途径0的研究课题。19年修建了预应力HPC示范桥(Joigny镇的Y vonne-River-Bridge,跨度34+46+34(m)),采用体外后张预应力,混凝土强度从C40提高到C70,混凝土用量减少30%,自重减少24%。取得了技术经济效果。1994年,法国公路局组织了修建HPC桥的竞赛。到20世纪末HPC桥已普遍推广。

德国19~1995年间,进行了预应力HPC纤细梁的研究,并对HPC的收缩徐变进行了大量的工作。1995年,德国标准院(DIN)的钢筋混凝土委员会(Daf-stb)制订了/高强度混凝土指南0,作为DIN1045(07-88)的补充。1995~1998年,进行了11片预应力HPC 小梁抗剪与抗挠曲的试验。并在1998年,在萨斯(Sasbach)修建了跨度16m的试验桥,采用普通商品水泥450kg/m3,掺硅粉浆68kg/m3,水胶比0132的HPC,用St1570/1770低松弛钢绞线施加预应力。HPC设计强度为C85,实际28d强度达C111,混凝土扩展度38cm,由于采用了复合流动剂与助流剂,在30e温度下,流动度能保持2h以上,试验桥说明HPC具有多方面的优点,如提高耐久性,减少维修费,减少污染,降低梁高,减少混凝土用量等。

各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久性设计的考虑,从只重视强度设计向强度与耐久性并重的转变是从20世纪80年代开始的。日本于1986年提出/考虑耐久性的建筑物设计、施工维护大纲0,欧洲混凝土委员会(CEB)19年通报了/耐久性混凝土结构设计指南0,美国ACI201委员会1992年提出/耐久性混凝土指南0[7]。CEB-F IP模式规范(1990),欧洲规范2暂行本(ENV)(1992)以及美国AASHT O5公路桥梁设计规范(1994)6都列有/耐久性0的条款。

21HPC在国内的应用情况

上海于1994年和1995年,分别在浦东世界广场地下室和上海国际大厦主楼第21层框架结构中,采用了由上海建筑工程材料公司等研究的C80泵送混凝土(用725#水泥420kg/m3,复合矿物掺料180kg/m3,水185kg/m3,水胶比013,配制而成)。

北京城建集团从1996年起,用自己研制的DFS系

71列减水剂,加磨细粉煤灰、矿渣等掺料(粉煤灰掺量达35%,等量替换水泥)制成免振自密实混凝土,成功地在首都机场航站楼等20个工程中应用。混凝土强度为C30~C60。

我国/九五0重点科技攻关项目5重点工程混凝土安全性研究6,由中国建材院牵头,跨部门、跨行业地协作攻关,取得了许多重大成果,举例如下:1)通过控制水灰比、含气量、气泡参数等,开发了高抗冻混凝土,掺粉煤灰的高抗冻混凝土已应用于三峡大坝工程;2)研制了抑制碱集料反应的低碱早强剂和防冻剂以及硫铝-铁铝酸盐水泥,已应用于北京东四环惠通桥PC梁,首都机场跑道大面积修补和重建工程;3)开展了高性能混凝土的综合研究和推广应用,提出了原材料技术条件,新拌与硬固混凝土的性能指标,制订了施工方法。采用常规工艺,生产出60~100M Pa混凝土,坍落度18c m,115h的坍落度损失小于4cm,经500次冻融循环后、动弹性模量保留值大于90%,氯离子渗透性小于500库仑。这项成果已用于北京八达岭高速公路、北京海洋馆、首都机场停车楼、首都时代广场等工程,混凝土用量达1717万m3。

青藏铁路使用的低温、早强、高性能混凝土。青藏铁路(格拉段)地处高寒,海拔多在4000m以上,空气稀薄,最低气温达-50e,并有永久冻土层,地震烈度高,建成后桥梁受严酷的自然环境作用,养护维修工作难度大,费用高,特别需要高耐久性。墩台及基础混凝土要在低温或负温度下施工,应具有低温早强性质。

通过对不同配合比混凝土性能的低温养护试验(例如带模在-20e冰箱中养护7d再转入20e标准养护室养护7,28,56d)研制成低温早强高性能混凝土。采用4215R级普硅水泥,掺优质粉煤灰(掺量为总胶量的10%)外加低碱早强剂,高性能引气剂等外加剂,总胶结材用量为400~440kg/m3,水胶比0134~0140, R7,28平均值为3215~4916M Pa,冻融循环次数在300次以上,抗渗性达S12。抗冻、抗渗、抗碱集料反应等耐久性指标均达到了/青藏线混凝土耐久性技术条件0的规定。

七、前景展望

伴随着HPC的开发和应用,混凝土技术将面临着一场深刻而广泛的变革。它提出了混凝土结构连同混凝土材料和其配合比的设计从以强度为主向以耐久性(或以所要求性能)为主的转变。转变已经开始,但远没有完成。在各种因素的单独作用和综合作用之下的混凝土耐久性以及各种所要求性能,从微观到宏观的研究,从定性到定量的发展,还有大量复杂细致的工作有待进行。混凝土是一种复合材料,有很大的可设计性,根据建设的需要,须不断改进这种设计,过去是这样发展的,未来也还将继续。另一方面,HPC已有成果的推广应用和发展前景广阔。

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