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混凝土性能_图

2020-11-07 16:47 作者:万家博官网 点击:

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  报告人:赵庆新 燕山大学建工学院土木系 联系电话: 混凝土结构耐久性现状 ?混凝土是世上用量最大的人造材料 ?基础设施工程主要用混凝土结构建造 ?混凝土结构的耐久性已成为世界性问题 美国的公路桥梁 主要是60年代后的盐腐蚀 美国联邦公路局资料 登记在册(政府管理)桥梁: 1992年 57.2万座,有缺陷21% 1999年 58.6万座,有缺陷15% 拆除老桥费用持续增加 1998年美国土木工程学会报告 美国现有29%以上的桥梁和1/3以上的道路老化,有2100 个水坝不安全,估计需有1.3万亿美元改善其安全状态 又据资料报道 到20世纪末美国共有桥梁约100万座,超过1/4有缺陷 由于改进了桥梁耐久性设计方法并 采用了许多新的防腐技术,美国新建桥 梁的耐久性比二、三十年前有很大改善, 预期已能满足75年以上设计寿命 但是过去建成的桥梁已无法改变, 仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至 最后拆除重建 美国每年用于基础设施修复的费用约为这 些基础设施总资产的10% 研究认为,对于桥梁等生命线工程,因修 复、更换造成交通延误等间接损失更大,间 接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍。 在加拿大,为修复其劣化损坏的全部基础 设施工程估计需耗费5000亿美元。 在英国,据说有1/3的桥梁需要修复。 发达国家土建设施腐蚀造成的年损失约占 GDP的1.5~2%,其中主要是混凝土腐蚀。 混凝土结构耐久性不足的严重性 ? 影响工程正常使用,缩短工程使用寿命 巨大的经济损失 (建造费用+维修费用+拆除与废弃物处置费用) 使用年限 ? 背离可持续发展的道路 资源枯竭,国土破坏、环境污染 废弃混凝土难以处置 北美(加拿大安大略省) 公路桥面板耐久性设计要求 中国美术馆全景 美术馆梁钢筋锈蚀情况 美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况 ! 宜宾南门大桥桥面垮塌 结构耐久性不足的主要原因 ? 工程设计的耐久性标准过低 ? 工程施工进度的不适当追求 ? 缺乏正常检测与维修 ? 构件强度设计的安全设置水准过低 工程设计的耐久性标准过低 ? ? ? 结构设计规范主要考虑荷载作用下的结构 构安全性,环境作用下的耐久性设计被 置于次要和从属地位 规范中没有结构设计寿命和耐久性设计的 明确要求 耐久性设计要求,未能随着几十年来由于 水泥性能、施工条件、环境条件的巨大转 变而与时俱进 我国现行规范(80年代颁布)与国外比较 配筋混凝土 我国 美国 英国 最低强度 等级 碳化锈蚀 露天雨淋环 境下保护层 厚度 C15 板2cm 梁3cm C25 3.8cm (d16) 5.1cm (d16) C30(C25) C35, 3.5cm 干湿交替下 C40,4cm 仅水工规范 要求引气 要求引气 要求引气 严重冻融 日本规范规定的更高(最低相当于C35,100年寿命为C45 ) ? ? ? ? 铁路隧道衬砌结构绝大部分用素混凝土, 混凝土强度等级过低,隧道衬砌裂损 腐蚀和渗漏现象普遍 据1997年调查,铁路隧道发生裂损的数 量约占当年隧道拥有量的10% 抽样调查,漏水隧道数量占50.4%,有的 区段高达94%,导致铁路钢轨锈蚀、道 床翻浆、电力牵引设备漏电 据1998年统计,铁路隧道受腐蚀裂损的 占隧道总数的13.2% ? 规范的耐久性设置水准基本上停留在 解放初或50年代国际水平 ? 由于水泥强度提高和施工进度加快,实 际 耐久性质量大幅度下降 早强水泥配制的混凝土,内部微结构和后期强度发展 不良,易开裂,耐久性差 ? 规范还阻碍粉煤灰等掺合料和引气剂 的使用,为改善混凝土结构耐久性带来 不良后果 工程施工进度的不适当追求 ? 养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低,使 钢筋开始锈蚀的年限成倍缩少 1天养护与7天养护,可使碳化引起锈蚀年限缩减为原 来的1/4 ? 抢工省略必要检验工序,使钢筋位置出现偏差 钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半,出现锈蚀 年限将缩减为原来的1/4 保护层厚度的5~10mm施工允差,甚至能使钢筋 锈蚀的年限发生成倍差别 ? 结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的 薄弱环节,其质量在快速施工中最不易保证。 缺乏正常检测与维修 ? 结构耐久性需要有正确使用和正常检测与维修相 配合 重新建、轻维修,是土建建设管理工作中的重大 缺陷 对于基础设施工程,应在设计中进行结构全寿命 经济分析与评价 只有适当加大初始投资费用,强化结构耐久性, 才是最经济有效的途径 ? ? ? 专题一:混凝土外加剂 混凝土外加剂是混凝土中除水泥、集料和 水以外的另一重要组分,以很小掺量就能有效 地改善混凝土的物理力学性能,提高其耐久性。 ? 减水剂 ? 缓凝剂 ? 早强剂 ? 阻锈剂 ? 引气剂 ? 防冻剂 早强剂 早强剂是一种加速混凝土早期强度发展的外加剂 ? 我国用得最多的早强剂是硫酸钠 ? 国外除特殊工程施工外基本不用早强剂 缓凝剂 缓凝剂是一种延长混凝土凝结时间的外加剂 主要用途: ? 可有效解决预拌混凝土在运输和浇筑过程因时间过长易引 起混凝土凝结或坍落度损失 ? 保证大体积混凝土施工整个浇筑过程混凝土良好的工作性, 并防止混凝土工作面的冷接 ? 降低大坝混凝土水化热 减水剂 减水剂是一种在混凝土拌合料坍落度相同的条件下能减 少拌合用水量的外加剂 ? 减水率在5%-10%的为普通减水剂 (木质素磺酸盐) ? 减水率大于10%的为高效减水剂 (萘系) 引气剂 引气剂是一种在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳 定而封闭的微小气泡的外加剂 作用: ? 改善冻融耐久性 ? 提高拌合料的工作性 注意事项: ? 引气剂用量和混凝土搅拌时间必须严格控制 ? 如果混凝土含气量超过6%,引气剂的作用是弊远大于利 阻锈剂 阻锈外加剂是一种少量加入混凝土中的化学化合物,能 有效地控制、减小或防止钢筋与环境的反应 ? 预防钢筋锈蚀的措施主要包括:采用高性能混凝土 的覆盖层,钢筋上涂抹环氧树脂外层,采用各种密封材 料等 ?预防钢筋锈蚀的措施主要包括:采用高性能混凝土的 覆盖层,钢筋上涂抹环氧树脂外层,采用各种密封材料 等 混凝土外加剂的应用技术研究 混凝土外加剂的品种很多,功效各异,应该根据混凝土 的强度等级、耐久性指标、新拌混凝土工作性要求及混 凝土外加剂作用原理等合理选择外加剂类型 养护条件对外加剂的使用效果影响较大 : ? 低温下应用早强剂得不到早强作用 ? 夏秋季节应用早强剂效果也不显著 发展趋势: 外加剂单一使用往往比复合使用的效果差,目前混凝土 外加剂多向复合型发展 存在的问题 1. 外加剂的配制和使用更多地是以经验和技艺为基础, 缺少科学和理论的指导。 2. 目前市场上的外加剂名称五花八门,有的定名不正确, 如把防冻剂错误地定为“抗冻剂”,有的名不符实, 如高效减水剂达不到高效的要求。 3. 国产外加剂有的产品质量不稳定,有的达不到国家标 准要求。即使我国的名牌产品与国际市场上同类型产 品比较也有一定差距。 4. 出于商业和市场竞争的考虑,许多厂家对其产品的组 分保密。用户不知道外加剂的基本组分,就不能在工 程中正确合理地使用,也容易造成工程事故。 聚羧酸系高效减水剂 20世纪90年代兴起新一代减水剂,聚羧酸系高效减 水剂,被业内称为第三代高效减水剂 减水率高达30%~40% 聚羧酸高效减水剂结构呈梳形,其大分子链上一般 都接枝不同的活性基团,主链上带有多个活性基团,且 极性较强,侧链也带有亲水性的活性基团。通常认为聚 羧酸系减水剂的减水效果关键是大分子链上的羧基、磺 酸基等产生的阴离子效应和中性聚氧乙烯长侧链的空间 阻碍作用,其主要通过立体位阻作用保持水泥粒子的分 散。 为了减小使用萘系减水剂配制混凝土拌合物 造成的坍落度损失,工程技术人员已越来越多地 采用将其与聚羧酸系减水剂复合使用的做法,取 得了良好的效果,而且复合使用可以避免单用后 者时出现的泌水、离析明显的问题,也更为经济。 聚羧酸系减水剂能否与萘系减水剂复合使用, 取决它的原材料和生产工艺 ,复合使用前一定要 进行两种减水剂的相容性试验。 专题二:粉煤灰在混凝土中的 应用 随着混凝土在工程中的大量应用和发 展,粉煤灰正在逐渐成为制备混凝土的 必备原材料之一 。 ? ? 在我国,粉煤灰混凝土已广泛应用于 城市建设的混凝土工程中,如房屋建筑、 道路桥梁、地铁、隧道、污水管道、排 水管道、大型基础及市郊水利工程等领 域。 粉煤灰对混凝土性能的影响 三个阶段: 1.新拌混凝土阶段:影响混凝土的凝结时间,改 善和易性,改变流变特性,提高可泵性等; 2.硬化中的混凝土阶段:调节硬化过程,降低水 化热; 3.硬化后的混凝土阶段:提高后期强度,抑制碱集料反应,提高抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性等耐 久性能。 粉煤灰对混凝土的影响 对强度的影响 粉煤灰通过减少用水量、增大胶结材含量和后期火 山灰反应,对混凝土产生影响,提高其后期强度。 粉煤灰混凝土的拉压比、折压比均高于基准混凝土 的相应值。 对抗冻性的影响 20%粉煤灰取代相应的水泥时,其抗冻性超过基 准混凝土。但是粉煤灰掺量太高时,经过150-200次冻 融循环后,混凝土出现明显的破坏。 对和易性的影响 粉煤灰主要通过以下几点改善混凝土的和易性: 1. 优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体,这些球状 玻璃体表面光滑无棱角,起着一种类似于轴承的润滑 作用; 2. 新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团,粉煤灰的掺入可 填充水泥空隙,有效分散水泥颗粒提高了混凝土的工 作性; 3. 掺入粉煤灰可以补偿细骨料中细微颗粒的不足,同时 品质良好的粉煤灰在同样的稠度下能减少混凝土的拌 和用水量,减少泌水和离析现象。 对抗渗性的影响 粉煤灰的三种效应均能提高混凝土的抗渗性 : 1. 活性效应:粉煤灰中的Al2O3、SiO2与水泥的水化物反 应,生成水化铝酸钙和水化硅酸钙,降低了基体的孔隙 率,提高了混凝土的抗渗性。 2. 形态效应:粉煤灰中的玻璃微珠,保水性好,可减少泌 水通道,提高混凝土抗渗性。 3. 微集料效应:粉煤灰中的微细颗粒分布于水泥颗粒之间, 增加了混凝土的密实性,提高混凝土的抗渗性。 粉煤灰混凝土的施工要点 粉煤灰混凝土在进行浇筑施工时应严格控 制其塌落度;同时,要防止混凝土过振,过振 将使混凝土表面出现明显的粉煤灰浮浆层,影 响混凝土的强度、耐久性及外观。 粉煤灰混凝土应及早进行养护,一般用塑 料薄膜或喷洒养护剂覆盖。 低温季节施工,要采取早强和保温措施, 粉煤灰表面最低温度不得低于5℃,才能保证混 凝土尽快获得所需的强度。 粉煤灰混凝土的工程应用 1.粉煤灰在水泥及混凝土中的应用 2.粉煤灰混凝土生产建材制品 3.粉煤灰混凝土用于道路工程 专题三:碱骨料反应 碱-集料反应(Alkali-Aggregate Reaction,简称AAR)是指混凝土中 的碱(K+、Na+)或由外界环境渗入混 凝土中的碱金属离子与集料(砂、石) 中的某些有害成分(碱活性矿物)发生 化学反应,生成遇水具有膨胀性质的凝 胶,使混凝土内部产生膨胀应力,造成 混凝土开裂破坏。 碱骨料反应危害 1940年Stanton在美国首次证实混凝土碱-集料 反应对加利福尼亚洲布纳德利路面混凝土的破坏后, 在世界各地相继出现各种工程破坏的事例,包括大坝、 桥梁、公路、机场、港口及工业民用建筑 我国从20世纪90年代开始,陆续在北京、天津、 山东、陕西、内蒙古、河南等地的立交桥或机场或铁 路轨枕中发现因碱-集料反应所引起的破坏实例。 因此,充分认识碱-集料反应的作用机理以及预 防措施有重要意义。 AAR反应机理分析 碱-集料反应发生必须具备三个条件:碱,活性集料和水 国际上已发现的碱-集料反应按有害矿物种类的不 同有三类 : 碱-硅酸反应(Alkali-Silicate Reaction,简称ASR) 碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction,简称 ACR) 碱-硅酸盐反应(Alkali-Silicate Reaction,简称LASR) 其中碱-硅酸( ASR )反应最普遍 。 碱-硅酸反应 碱-硅酸反应(ASR)一般指混凝土中的碱 (K+、Na+)与集料中的活性SiO2发生化学反 应,生成碱的硅酸盐凝胶,胶体吸水后膨胀, 产生很大的膨胀压力,从而引起混凝土的开裂。 Na+(K+)+SiO2+OH-→Na(K)-S –H 碱-硅酸凝胶,其吸水后产生很大的体积膨 胀,体积约增大可达3倍以上,从而导致混凝 土开裂。 衡量骨料SiO2活性指数的参数为K,即: K=[X(CaO)+X(Al2O3)]/[X(SiO2)+X(Na2O)] 式中:K为活性指数;X(CaO)、X(A12O3)、 X(SiO2)、X(Na2O)分别为CaO、A12O3、SiO2、 Na2O的摩尔分数。 K指数越小活性越大,碱活性的膨胀率也越大, 当K小于0.2时,为活性骨料,K大于0.3时为非 活性骨料。 AAR预防措施 碱集料反应(AAR)必须具备三个条件: 1. 混凝土中的碱达到一定含量 2. 使用集料含有活性SiO2及SiO2类物质 3. 混凝土所处环境水份足够。 控制方法: 1. 使用非活性集料 2. 控制混凝土总碱量 3. 控制混凝土湿度 专题四:混凝土抗渗性能 近年来混凝土的耐久性问题日益为人们所关注。 美国的Mehta,英国的Neville以及我国吴中伟院士 等都认为大幅度提高混凝土的抗渗性,是改善混凝土 耐久性的关键。混凝土的抗渗性是混凝土抵抗压力水 渗透的能力,是混凝土耐久性的一项重要指标。 混凝土的耐久性与水和其它有害液体、气体向其 内部流动的数量、范围等有关,抗渗性差的混凝土, 水分容易进入混凝土内部引起侵蚀、冰冻等破坏作用, 对于钢筋混凝土还可能引起钢筋的锈蚀和保护层的开 裂和剥落。因此抗渗性能高的混凝土其耐久性就好。 主要影响因素 水灰比的影响 混凝土拌合物的水灰比对硬化混凝土孔隙率的大 小、数量起决定性作用,直接影响混凝土结构密 实性。水灰比越小,混凝土密实性越高,抗渗性 及强度越高 。 从满足混凝土抗渗性、耐久性出发,抗渗混凝土 最大水灰比以0.60 为宜 水泥用量及砂率的影响 在一定水灰比限值内,水泥用量和砂率对混凝土 抗渗性的影响比较明显 ? 良好抗渗性混凝土的水泥用量最低不得小于 320kg/m3 ? 卵石混凝土砂率可选用35%左右 ? 碎石混凝土空隙率较大,砂率以35% ~45% 为宜 水泥品种及骨料最大粒径的影响 ? 普通抗渗等级的混凝土应优先采用普通硅酸盐水 泥 ? 有防水要求的防水混凝土严禁使用过期水泥,特 别是已受潮而成团、结块的水泥 ?在有防水要求的混凝土中,允许采用的粗骨科最 大粒径一般为40mm,具体的粒径限度尚应按结构 厚度,钢筋稀密,振捣条件等因素来确定 超细矿粉对混凝土抗渗性能的影响 ? 粉煤灰的影响 粉煤灰用量将很大程度上影响混凝土的抗渗性 ,粉煤灰的细微颗粒均 匀分散到混凝土水泥浆体中,会成为大量水化物沉积的核心,随着水化龄 期的进展,这些微细颗粒及其水化产物填充水泥石孔隙,改善了混凝土孔 结构,逐渐降低混凝土的渗透性,提高混凝土的耐久性。 ? 矿渣的影响 使水泥石中的水化凝胶物质的数量增加,而且还改善混凝土的界面结 构和孔结构,降低混凝土的孔隙率,从而提高混凝土的后期强度和抗 渗性。 ? 双掺粉煤灰和矿渣的混凝土的各龄期的抗渗性要高于 单掺矿物微粉的混凝土,这主要是因为粉煤灰和矿渣 的“超叠效应” 外加剂的影响 ? 外加剂的目的首先是从防水材料上抑制和减少混凝土 内孔隙的生成。 ? 其次是改变孔隙的特征以堵塞和切断透水通道 。 例如: 松香酸钠和松香热聚物属于引气型外加剂,加入混 凝土后会使混凝土中增加密闭的气泡,可以起到切断毛 细孔连续性的作用。 三乙醇胺可提高混凝土的抗渗性,并且有早强和增 强作用,所以是一种早强防水剂,特别适用于需早强的 工程 。 养护条件及养护方式的影响 ? 确保混凝土搅拌、入模均匀,模板边、角、预埋件 处振捣适中,避免漏振或过振。使混凝土浇筑密实, 可提高混凝土抗渗性能 ? 养护对防水混凝土极为重要,尤其是早期的养护, 是混凝土获得良好抗渗性能和强度的必要条件 ? 新浇混凝土在潮湿环境中或水中硬化,水化作用完 全,生成的晶态及胶态水化产物可阻塞毛细管孔道, 不但孔隙率降低,且孔径变小 专题五:混凝土抗冻性能 冻融破坏是混凝土建筑物在自然条件下经 受干湿、冷热、冻融交替等破坏作用。影响建 筑物的使用,降低建筑物的寿命。在我国北方 地区,由于混凝土建筑物冬季气温经常在0℃ 以下或正负温度交替,很容易使建筑物发生冻 融破坏,冻融剥蚀导致结构的承载能力和耐久 性下降,危及建筑物的安全运行。因此,冻融 破坏是我国北方混凝土的主要破坏形式之一, 因此研究混凝土的抗冻性非常必要。 混凝土冻融破坏机理 混凝土孔隙中的自由水就是导致混凝土遭受冻害 的主要原因: ? 膨胀压力 水结冰时体积增大9% ,使毛细管壁受到拉应力,导致混 凝土产生膨胀破坏 ? 渗透压力 混凝土内部变相产生的膨胀压力,使孔壁受到拉应力,造 成材料体积膨胀。解冻后,材料体积收缩,产生冻融劣化, 硬化水泥石的组织结构发生破坏,经多次冻融后,损伤不 断积累及扩大,发展成许多大的裂缝 影响混凝土抗冻性的主要因素 含气量 在混凝土中加入一定量的引气剂,可使混凝土中形成一些细 小的圆形封闭气孔,进一步提高混凝土的流动性,减少拌合 物的离析和泌水,提高混凝土的均匀性,改善混凝土的耐久 性(抗渗性、抗冻性) ,其最佳含气量约为5%-6% 。 水灰比 水灰比直接影响混凝土的孔隙率及结构,同时间接影响混凝 土抗冻性能。在同样良好成型条件下,水灰比不同,混凝土 密实程度、孔隙结构也不同,其抗冻性能也不同 。 粉煤灰在混凝土中产生三大效应: 1.活性效应(火山灰效应) 2.形态效应 3.微集料效应 水饱和度 一般认为含水量小于孔隙总体积 的91.7%就不会产生冻结膨胀压力, 在混凝土完全饱水状态下,其冻结膨 胀压力最大。 专题六:混凝土抗碳化性能 混凝土结构抗碳化能力不足将引起其内部 钢筋锈蚀,锈蚀后的钢筋产生膨胀导致混凝土 开裂,保护层剥落,钢筋断面发生缺损,造成 混凝土结构耐久性差,降低建筑物的使用寿命。 我国“七五”期间维修改造费用占基本建 设总投资达54%。由钢筋保护层的混凝土碳化 引起的钢筋锈蚀已成为导致钢筋混凝土结构耐 久性失效的主要原因之一。因此,混凝土碳化 的研究对结构的耐久性具有极其重要的意义。 混凝土碳化破坏机理 碳化机理 : 硅酸盐水泥水化后生成约20 %的Ca(OH)2, 由于其溶解度很低,除少量溶于孔隙液中,大部 分以结晶状态存在,这时孔隙液中的PH值呈碱性。 混凝土碳化就是水泥石中的水化产物Ca(OH)2与 空气中的CO2发生化学反应后生成碳酸钙,使混 凝土的碱度降低的过程。 当PH值达到某一阈值时,这种中和反应将不再进 行。此时,混凝土已经被碳化了。 钢筋腐蚀原理 : 当碳化深度超过保护层达到钢筋 表面时,由于溶入孔隙液中少量的 Ca(OH)2与CO2发生化学反应生成 CaCO3和H2O,孔隙液中的PH值大 大降低,这时钝化膜被破坏,钢筋将 完成电化学腐蚀,导致钢筋锈蚀。 影响混凝土碳化的因素 水灰比对混凝土碳化的影响 混凝土的碳化速度与它的结构及透气性关系密切。水灰 比基本决定了混凝土的孔结构,水灰比越小,混凝土内部孔 隙率越小,抗碳化性能就越好。 水泥品种对混凝土碳化的影响 矿渣水泥中有活性氧化硅和活性氧化铝,它们与氧化钙 结合形成具有胶凝性的活性物,降低了混凝土的PH值,使 得碳化速度加快。一般掺用优质减水剂或引气剂,可以大大 改善混凝土的和易性,减小水灰比,制成密实的混凝土,减 慢碳化速度。 环境对混凝土碳化的影响 环境对混凝土碳化速度有很大影响,主要受 温度、湿度及CO2浓度的影响。一般当相对湿度 为50%-75%时,即可以保证CO2向混凝土内自 由扩散,又能为反应提供足够的水分条件,该湿 度条件下混凝土最容易碳化。 施工质量对混凝土碳化的影响 混凝土浇筑、振捣和养护不仅影响混凝土的 强度,而且直接影响混凝土的密实度。密实的混 凝土表面孔隙率小,因此,抗碳化性能好。 养护对混凝土碳化的影响 在潮湿养护条件下,养护期越长,则 混凝土的强度越高,抗碳化能力好。龄期 也影响混凝土的抗碳化能力,随着养护龄 期的延长水泥颗粒的进一步水化,内部孔 隙减少,水泥微观结构得到改善,密实度 提高,强度增加,碳化速度下降,混凝土 的抗碳化能力得到了改善。

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