摘 要:介绍了混凝土耐久性破坏的主要因素以及提高其耐久性的途径,从氯离子的扩散性、胶凝材料与集料的界面结构、胶凝材料的水化热及矿物细掺料协调混凝土的膨胀与强度的发展等方面对高性能混凝土的耐久性进行了分析,以推广高性能混凝土的应用。
关键词:高性能混凝土,耐久性,膨胀剂,矿物细掺料
中图分类号: TU528. 31 文献标识码:A
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代化混凝土技术制作的混凝土,它以耐久性作为设计的主要指标,是一种高耐久性混凝土。
1 混凝土耐久性破坏的主要因素
混凝土耐久性主要是指混凝土建筑物在使用期间抵抗环境介质的侵蚀而导致混凝土结构丧失安全使用功能的能力。由于环境介质的不同遭破坏的主要因素有:碳化作用、钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、冻融循环、延迟钙矾石形成、火灾等。事实上混凝土结构物的破坏往往不是单一因素造成的,而常常是多种因素复合作用的结果。因此,混凝土耐久性问题应根据其环境与条件综合分析、预防、处理。
2 提高混凝土耐久性的主要途径
2.1 提高混凝土抵抗侵蚀性介质进入其内部的能力即低渗透性;
2.2 提高混凝土结构内部主要组分在侵蚀介质作用下的稳定性即尺寸稳定性。几乎所有耐久性问题最终均可归结为混凝土材料的渗透性和尺寸稳定性。
2.3高性能混凝土的原材料选择
2.3.1水泥
高性能混凝土所用的水泥要求质量稳定、需水量低、活性较高,且具有良好的流变性能[2 ] 。一般来说,高性能混凝土必须使用525 号以上的普通硅酸盐水泥或中热硅酸盐水泥。C50～C55的高强混凝土采用优质砂石集料时,依托高效减水剂和掺合料采用425 号水泥是完全可以制得的,而C60 及以上的高性能混凝土采用525 号水泥为宜。
2.3.2 集料
配置高强混凝土的集料与普通混凝土的要求不同,集料本身水化热,7 d 龄期时各双掺试样水化热大于对应单掺试样的水化热。试验数据表明,低钙粉煤灰较磨细矿渣具有更好的降低水化热的效果,而高钙粉煤灰由于具有较高活性,较磨细矿渣的水化热要高;这个规律在CSA 存在时及CSA 与细掺料复掺情况下仍然成立。双掺膨胀剂与细掺料不仅能降低体系总的水化热,特别是可以较大幅度地降低体系的早期水化热,降低了混凝土的温升和内外温差,同时在混凝土内部形成的膨胀应力又可以在一定程度上补偿混凝土的冷缩,从而形成“抗放兼施”的对于大体积混凝土的裂缝控制措施,这对早期的水化热控制和温度裂缝控制无疑是有好处的。
2.3.3 可以协调混凝土的膨胀与强度的发展
在中等强度等级混凝土中加入矿物质细掺料,在降低早期强度的同时,也降低了水养的各龄期的膨胀率;但在高强度等级混凝土中加入矿物质细掺料,在降低早期强度的同时,却增加了水养各龄期的膨胀率。虽表面上的结论是相反的,但实质上却是一致的,即过高的强度(特别是早期强度) 会抑制混凝土膨胀的发挥,而较低的强度(特别是早期强度) 则会导致更多的膨胀变为无效膨胀消耗在塑性状态的混凝土中,使可测的有效膨胀率减小,所以强度的增长应与膨胀的发挥同步协调地进行,这样才会使混凝土较充分地发挥其优良的膨胀密实的特性。在实际工程中设计使用膨胀混凝土时,最好在中等强度的混凝土中应控制矿物质细掺料的加入量,一般不超过20 %;而在高强度混凝土中则应加大矿物质细掺料的用量,一般可用20 %～40 % ,这样对于改善混凝土施工性能、提高长期耐久性以及减小对膨胀的自约束、提高膨胀性能都是非常有益的。
3 高性能混凝土的耐久性技术分析
3. 1 大大提高混凝土的抗渗透性
影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎都与水有密切的关系,因此,混凝土的抗渗透性被认为是评价混凝土的耐久性的重要指标。侵蚀性离子在混凝土中的传输严重影响着混凝土的耐久性,最典型的为氯离子,其在钢筋和混凝土界面的富集会导致筋腐蚀,因而侵蚀性氯离子的扩散系数是用来评价高性能混凝土渗透性以至耐久性的重要参数之一。通过试验和分析可确认,高性能混凝土中掺加膨胀剂、硅灰、粉煤灰、磨细矿渣等掺合料均可以降低其氯离子扩散性能,其降低效果依次为:硅灰> 膨胀剂> 磨细矿渣> 粉煤灰;在高性能混凝土中复掺膨胀剂和粉煤灰或膨胀剂和磨细矿渣可以比单掺二者之一能进一步降低高性能混凝土的氯离子扩散性能,其降低效果甚至优于单掺硅灰。复掺膨胀剂和粉煤灰或膨胀剂和磨细矿渣的C40 混凝土的氯离子扩散系数低于空白C60 混凝土以及单掺膨胀剂、粉煤灰或磨细矿渣的C60 混凝土。由此认为,高强度的混凝土抗渗透性未必就绝对高,矿物细掺料的掺入可提高混凝土的抗渗透性,膨胀剂与矿物细掺料的复合使用可大大提高混凝土的抗渗透性。复掺膨胀剂和细掺料混凝土具有高抗渗性的机理是复掺后混凝土内部水化产物及结构得到进一步优化,混凝土微观结构致密,内部微观缺陷减少,混凝土膨胀与强度协调发展。
3. 2 增强薄弱的浆体—骨料界面过渡区的密实度
从复合材料的观点,普通素混凝土可被视为三相材料,即含有水泥浆体、骨料、浆体与骨料之间的界面过渡区这三相。从SEM 微观图像分析可得到,浆体与骨料之间的界面过渡区,孔隙率随着离骨料表面的距离增大而降低,由于内泌水和影响水泥颗粒有效堆积的“墙壁”效应,新拌混凝土的骨料周围填充了水分,致使该界面区成为薄弱界面区。硅灰的掺加显著改善了界面过渡区的微结构,因为它能减少内泌水、密实堆积在骨料表面而消除“墙壁”效应,并提供核化点防止氢氧化钙大晶体的定向生长。与不掺硅灰的混凝土相比,界面区晶体量和孔隙率均减少,孔隙率梯度几乎消失。界面过渡区的氢氧化钙晶体、钙钒石和孔隙数量减少,结构主要组成是密实的C2S2H 凝胶,界面过渡区结构和基体的密实度相同。界面过渡区厚度也变小。
3. 3 大大降低了混凝土的水化放热
高性能混凝土由于胶凝材料用量较高,当用于制备大体积混凝土时,其水化热问题尤为突出,所以研究高性能混凝土用复合胶凝材料的水化热十分重要。高性能混凝土胶凝材料中随不同品种辅助胶凝材料的掺入,其相应的水化绝对温升均明显下降,温峰出现时间均延长;当采用双掺替代时,水化绝对温升进一步下降,温峰出现时间进一步延长。单掺时各种辅助胶凝材料水化绝对温升顺序由大到小为空白> FA2 (高钙粉煤灰) > FA1 (低钙粉煤灰) > BFS(磨细矿渣)> CSA(无水硫铝酸钙膨胀剂) ;温峰出现时间顺序由短到长为:空白< CSA < BFS < FA1 < FA2 。双掺时各种辅助胶凝材料组合水化绝对温升由大到小为:空白> CSA + FA2 > CSA + BFS > CSA +FA1 ;温峰出现时间顺序由短到长为:空白< CSA + FA1 < CSA +BFS < CSA + FA2 。高性能混凝土水化热发展规律,纯42. 5 硅酸盐水泥从水化开始(0. 5 d) 到水化7 d 时其水化热值始终保持最高。单掺CSA ,BFS ,FA1 ,FA2 等膨胀剂或细掺料后,各龄期水化热绝对值均有一定程度下降,但水化热放热速率变化则不尽相同。例如,加CSA 后,水化放热速率加快,各龄期水化热占7 d 龄期的水化热比例较纯水泥对应比值均有所提高。相反地,加FS ,FA1 ,FA2 后早期水化放热速率减慢,表现为在水化0. 5 d 和1 d 时水化热占7 d 龄期水化热的比例较纯水泥浆对应比值有所下降,但2 d 后赶上或超过。双掺CSA + BFS ,CSA + FA1 ,CSA + FA2 后,各龄期水化热绝对值均有所下降,且早期(水化1 d 前) 下降幅度大,后期下降幅度较小。0. 5 d 时各种双掺试样水化热小于对应单掺试样的水化热。
4 结语
高性能混凝土是对传统混凝土的重大突破,针对不同用途要求,高性能混凝土对下列性能要重点地予以保证:耐久性、工作性、实用性、强度、体积稳定性、经济性。在节能、节料、工程经济性、劳动保护以及环境等方面都具有重要意义,是一种环保型、集约型的新型材料,可称为“绿色混凝土”,它将为建设工程自动化准备条件。
参考文献:
[1 ]冯乃谦,丁建彤,张新华. 高强混凝土—微观特征及有关耐久性问题. 高性能混凝土的耐久性[M] . 庄青峰,译. 北京:科学出版社,1998. 14216.
[2]吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社,1999.Technical analysis of the durabil ity of high2performance concreteZHANG Qiang
Abstract :Based upon analysis of major factors influencing the durability of concrete measures to improve durability are proposed. From diffu2
sion of chloride ion , binding material , interface structure between binding material and aggregate , hydration heat , action of fine mineral ad2
mixture and other aspects durability of high2performance concrete is analyzed in order to promote the application of high2performance material.
Key words :high2performance concrete , durability , expend agent , fine mineral admixture下载本文
