海工水工铁路公路工程桥梁隧道混凝土耐久性.pptx
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1、内内 容:容:1、水泥及混凝土先天缺陷2、建筑混凝土的病害3、影响混凝土耐久性的若干问题4、混凝土建筑史上重大革命HPC出现5、现阶段HPC混凝土100年耐久性基本质量指标6、HPC发展及存在的问题7、高性能混凝土表面保护100年以上耐久性的新概念8、以往国际上建筑物各种保护方式9、有机硅烷对混凝土的保护10、旧建筑物维修保护、延长使用寿命一、现行高性能混凝土一、现行高性能混凝土(HPC)工程及其发展工程及其发展1、普通混凝土(、普通混凝土(PC)缺陷及环境)缺陷及环境病害病害前前 言言 1997年美国报道其以往建筑物基建投资6万亿元,但由于耐久性差,将为此再投入1万7千亿去进行重建和维修。在
2、一万亿投资公路建设中,25万座大小桥梁、隧道已受到破坏,估计耗费4500万去进行重建和维修。在欧洲的英国,单公路系统维修费每年将超过8亿元。1998年日本冈田清公布其从1988年开始用了10年时间调查了具有代表性的159座各类建筑物,将日本 混凝土建筑实际平均寿命划分为:一般建筑20年,隧道桥梁工程50年,水库大坝80100年,海工建筑4060年。但从统计资料中,设计低于建筑师预期要求建筑物的寿命:综合桥梁100150年,隧道80100年,大坝100年,机场跑道3050年,船坞码头80年,海工大型建筑100年,纪念性建筑500年,大型办公商业建筑80年,沿海住宅40年,内地住宅60年。现行建筑
3、物的实际寿命与建筑要求反差很大。如经过努力,将现有耐久性水平提高,达到设计建筑要求,每年将为整个社会节约1520万亿元,并同时对环境污染处理直接或间接减轻2025%的负荷。混凝土质量劣化动态追踪混凝土质量劣化动态追踪 通过长期暴露试样测试其性能与暴露时间关系 相关项目的模拟和强化对试样测试各种因素及其性能衰变与时间的关系动态弹性模量 内部 钢筋腐蚀变化 抗渗性经时变化强度 水化后组成物凝胶结构中Ca/Si比变化 炭化深度 孔隙中的碱度变化 孔隙及孔径分布变化 裂缝生成的发展 相关主要劣化因素叠加综合影响混凝土劣化相关图:其他破坏因素 负荷因素 环境因素 钢筋锈蚀碱骨料反应 微观裂缝有害孔径 盐
4、类腐蚀性侵蚀 裂缝加剧有害孔径增加 冻融循环 炭化及加速炭化 水泥凝胶材料的缺陷及建筑混凝水泥凝胶材料的缺陷及建筑混凝土存在的不足土存在的不足 水泥类材料的缺陷:1、塑材收缩2、抗折、抗拉强度低3、韧性差 建筑混凝土存在的不足:1、塑性、温度收缩开裂2、不均质各向异性应力开裂3、多孔性和易受水及水溶性有害酸碱及盐类侵蚀而锈蚀钢筋4、混凝土碱性、易受酸雨及酸性物质侵蚀和中性化反应造成劣化5、碱骨料反应造成膨胀龟崩6、冻融、干湿循环造成开裂及崩溃建筑混凝土后天病害建筑混凝土后天病害1、环境因素(冻融循环、干湿交替;表面炭化;氯盐、硝酸盐及硫酸盐类侵蚀;碱集料反应)2、负载影响、非破坏性的应力松弛3
5、、细菌及微生物的及其递降分解物的侵害4、自然灾害,各种事故及机械原因2、HPC特征及改性特征及改性 提高混凝土性能提高混凝土性能 延长使用寿命延长使用寿命 目的:提高混凝土抗病害能力,延长使用寿命,提高混凝土耐压强度,减少建筑混凝土浇注尺寸及钢筋用量,提高土地使用率,降低制造成本。1、水泥替代掺和料的开发(矿渣3060%,粉煤灰2540%,硅灰15%以下)。2、使用高性能减水剂及其他外加剂(早强剂、缓凝剂),提高施工性能,减少和清除混凝土存在的不足。3、添加增塑纤维(钢、PP、PC、PAN、PAr、PNA)以及减缩剂,提高混凝土柔塑性、抗折、抗拉强度,延长服役期。4、开展无机材料的表面改性,无
6、机材料有机化。聚合物混凝土(丁苯乳胶、聚丙烯酸系列乳液、环氧树脂聚氨脂以及各类改性聚合物),聚合物沙浆等,提高混凝土质量。获得高性能混凝土(获得高性能混凝土(HPC)现行途径)现行途径1、使用磨细矿物掺和料,降低水化热,延缓水化以提高混凝土高密实度、高强、抗渗,防止干燥、温度、塑性开裂。2、粗骨料细化、减少介面应力差、消除内部裂隙、提高实际强度。3、控制混凝土总含碱量(活性碱)Na2 O(当量计)3kg/m3,控制混凝土碱骨料反应。4、使用相容性好和高性能外加剂降低水胶化。5、配筋方面采用细而密配筋方法以减少应力收缩。HPC特征特征物理力学特性:高强度、高致密度、良好的柔弹性(抗拉抗折)以及良
7、好的施工性(不离析、塌落度损失小)易泵送等。非力学特性:良好的耐候、抗冻融、抗腐蚀、抗渗性体积稳定性和低的服役期徐放性。其他特性:早强性、缓凝性。耐久性提高,维修费用减少施工尺寸缩小,减轻自重,节省水泥及钢筋等材料的投资良好的经济性和节能性耐久性混凝土示范工程耐久性混凝土示范工程香港青马大桥香港青马大桥HPC28天强度50Mpa凝胶材料:po52.5水泥(350-550kg)/m3级粉煤灰25-35%(或65-75磨细矿渣)(5-7%)微硅粉羧酸盐减水剂w/C0.35-0.4最大含碱量:3kg/m3氯离子含量粘胶料0.06%28天电通量720-880库仑48hr吸水率0.05mm/min0.5
8、抗冻融(快速)200次设计寿命 100120年上海东海大桥上海东海大桥HPC28天强度60Mpa凝胶材料:总量460-480kg/m3 po52.5水泥(40%)H型掺合料(粉煤灰、矿渣、硅粉)羧酸盐减水剂w/c0.32氯离子含量0.05%28天电通量637库仑抗炭化28天014mm抗冻融循环快速法100次,质量损失0.4%,相对动弹性模量-0.64%(相当200次)抗渗性S25渗水高度5.4mm48hr吸水率0.05mm/min0.5设计寿命 100年上海磁悬浮列车轨道梁上海磁悬浮列车轨道梁HPC凝胶材料:420-450kg/m3 水泥po52.5(70-75%)级粉煤灰(10-13%)磨细
9、矿渣(10-15%)硅粉(3-5%)羧酸盐减水剂 w/c0.32 28天强度60Mpa 56天强度80Mpa 电通量1000库仑 总碱量3kg/m3 氯离子含量0.05%48hr吸水率0.06mm/min0.5 28天无炭化 冻融(快法)200次 设计寿命 100年一般一般HPC耐久性施工控制指标耐久性施工控制指标高强度28天强度50Mpa;W/B0.40.45电通量28天1000库仑90天氯离子扩散系数110-12m2/s(普通51510-12m2/s)总Cl离子含量0.08裂缝控制0.10.2mm48小时吸水量0.07mm/min0.5总碱量3kg/m3(Na2O计)快速冻融循环20025
10、0次28天无炭化 56天炭化3mm水泥用量200300kg/m3总凝胶材料500kg/m2 3、HPC基本规律的研究基本规律的研究 A掺合料掺合料作用掺合料掺合料作用1 掺合料提高混凝土密实度(粉煤灰、矿钢砂、硅粉)除本身颗粒小具致密性外,还可激发加大火山灰反应,使溶解的SiO2与疏松的CaOH反应生成CSiH凝胶,大量的凝胶将堵塞水泥水化产物的孔径结构和骨料间的间隙,并改变孔径结构状态,使大孔(0.1u)减少,小孔(0.050.06u)增加,结构细化。填充水泥粒间和骨料间的间隙并增强粘结性,使混凝土致密,提高混凝土密实度度及抗渗等级。掺合料微球润滑现象以提高混凝土浇注时滚动效应,提高流动度,
11、减少塌落度损失抑制碱集料反应但过量掺加将会降低混凝土碱度,对抗炭化不利掺合料作用掺合料作用2降低水化热,延迟和降低热峰值。掺合料替代大量水泥份额,使水泥的水合热下降和延滞,水化物表面吸附并起缓凝作用,使热峰延迟和降低,并使混凝土浇注过程内外热差缩小,减少混凝土温度裂缝生成。掺和料替代水泥,节约成本,减少环境污染。HPC抗渗性能抗渗性能1混凝土混凝土W/B比与其抗渗、抗压的关系比与其抗渗、抗压的关系HPC抗渗性能是HPC耐久性的一个重要指标,它表示混凝土抗御外环境侵蚀的基本特征,如自防水性能,抗压、抗折强度,耐盐(包括Cl-渗透侵蚀性,抗炭化性等)。HPC抗渗性能与W/B比,掺加料,砂率及粗骨料
12、级配等密切关联,特别在混凝土服役期(负载时)抗渗经时劣化,较直观地反映其耐久性。下图表示W/B比与混凝土抗压、抗折间的关系:降低W/B比不但提高抗压强度,同时也提高了抗渗性能。不同掺合料对抗渗性及耐久性的影响不同掺合料对抗渗性及耐久性的影响2微粉掺合料作用1、微粉填充性。2、改善界面和增加界面间粘结性。3、火山灰效应,转化多孔疏松Ca(OH)2为CSH凝胶,阻塞孔隙和减少孔隙孔径。4、提高混凝土内部湿度,微粉粒子小,表面积大,滞留水 量多,使水从内部向表面转移困难,提高内部湿度,减少混凝土内部自收缩。5、掺合料加入,水泥用量减少,但掺合料的火山灰反应大大降低了混凝土碱度,使混凝土抗炭化能力降低
13、。但降低W/B比,可提高混凝土致密和抗渗性,可缓和炭化过程,抵消炭化速度。下表为三种不同细粉掺合料配合比HPC,其最终混凝土性能 项目 编号A(矿硅粉)B(粉煤灰)C(硅粉)7天抗压强度Mpa44.336.651.328天抗压强度Mpa57.154.364.3渗透系数10-9cm/s0.2710.2630.233Cl-扩散系数10-12m2/s2.121.060.54抗渗等级S12S16S30 炭化深度 mm3天0007天017.514天06.19.121天07.411.228天08.313.6单掺硅粉对混凝土自防水高抗渗性的单掺硅粉对混凝土自防水高抗渗性的影响影响3砂率48.3%,抗渗压3.
14、0MPa,保持时间72hr.编号项目0掺量1.5%掺量3%掺量6%掺量混凝土配合比W/B0.50.50.50.5水泥360360360360减水剂0.90.90.90.9硅粉0kg5.410.821.6塌落度18cm181818 编号项目0掺量1.5%掺量3%掺量6%掺量28天抗压强度Mpa35.636.739.342.5渗透系数10-9cm/s1.520.410.040.03抗渗等级S10S16S30S30Cl-渗透系数10-8cm2/s2.671.140.610.50 从表中看出,只需掺入3%硅粉,混凝土很容易达到S30高抗渗水平和低的水渗透性以及低的Cl-扩散系数。结 果素混凝土和钢筋(
15、加钢扦)混凝土负载期素混凝土和钢筋(加钢扦)混凝土负载期(服役期)抗渗劣化倾向(服役期)抗渗劣化倾向通常测定系静态非负载(未服役)时的抗渗指标。但对反映服役下混凝土抗渗耐久性可靠性不足。西方国家往往均采用两套标准,即静态和动态下服役抗渗,特别对钢筋(或加钢仟)混凝土更具现实性。有实验证明在C40素混凝土和钢筋(掺钢仟)混凝土用气渗法检查负荷前后抗渗性能,发现衰减很明显,特别钢筋混凝土下降率更严重。如下表及图所示:测定值 品种 负载前(静态)10-16m/s负载后(动态)10-16m/s28天抗压强度Mpa素混凝土0.7384.6838.8钢筋(加仟)混凝土0.9716.3238.9同时发现在负
16、载状态下钢筋混凝土与素混凝土在服役状况下抗渗性能都趋向劣化,但钢筋混凝土有一个明显的特征,存在一个阀值,如下图所示:f为轴向施于横截面所产生的应力,fcu为横截面能承受的应力看出对钢筋(加仟)混凝土在服役状况下存在一个阀值,即当负荷时只要沿轴向施于横截面的力在混凝土横 截面能承受力的4050%时,钢筋混凝土可长期服役不会出现危险,超过此负载服役,出现根本变化,从原来的细裂纹很快变形增大,形成贯通粗大裂缝和龟裂。所以在设计时应根据其阀值,对服役负载有长期的规定。B高效减水剂高效减水剂高效减水剂的特征高效减水剂的特征使用高效减水剂,降低w/c值,使混凝土含水量大大降低,提高混凝土致密性和强度,由于
17、孔隙率少,孔径小,可供蒸发水减少,干燥引起的收缩下降。更重要的是w/c降低,混凝土致密大大增强(其致密性与W/C具有很好的对应关系),混凝土密实性提高,是确保它具有耐久性的前提。高效减水剂在低w/c下还具备很好的水泥工作性能(流动性及保塌性),提高了混凝土的泵送性和浇注工作性。聚羧酸超塑化剂聚羧酸超塑化剂新一代聚羧酸减水剂的特性新一代聚羧酸减水剂的特性 新一代聚羧酸减水剂的特性,与过去高效萘系磺酸型减水剂(SNF)对比,在同等条件(即扩展度为180mm时,w/c=0.47)对不同掺合料水泥如普通硅酸盐水泥(42.5)粉煤灰水泥(粉煤灰掺量33%)矿渣水泥(矿渣掺量33%)硅灰水泥(矿灰掺量10
18、%)。测量水泥砂浆体系的粘度和转子的屈服应力随时间(每一个时间段为30分钟)的变化对减水剂对减水剂SNF浓度为浓度为40%,PA浓度为浓度为20%。在同样掺量下,。在同样掺量下,PA掺量为掺量为SNF一半一半下表 各种外加剂对不同水泥砂浆扩展度及其扩展度经时保持性能与抗压强度关系上述结果表面,无论对任何水泥,新一代聚羧酸减水剂比过去高效减水剂如萘系、三聚氰胺磺酸盐,无论从水泥浆料的工作性和减水剂能以及凝结固化后强度等方面都优异。新一代超塑化剂表现出初始粘度低,而且随时间增长很慢(保坍性)呈现缓凝性,但经历一段时间后,因活性分布均匀故水化加速凝结时间缩短,又呈现出其早强性,同样掺量下表现出1天、
19、7天、28天,具更高的抗压强度。聚羧酸塑化剂在水泥凝胶体中作用聚羧酸塑化剂在水泥凝胶体中作用从上面结构式看出,在聚羧酸分子含羧基(或磺酸基)的可水溶性阴离子表面活性剂,属高分子电介质,由于支链长度和曲挠性不同,所以在水液中展开或无规则线图状形态如 水液中具短支链共聚体扩展和吸附 水液中具长支链共聚体扩展和吸附 在短支链中,其曲卷性伸展缓慢,被水泥粒子吸附,也会因此而迟缓,水泥水化表现出:较好的保坍性,而长支链扩展快,呈梳状排列,具空间住阻,将水泥及水化物隔断,故即在添加量少也能达到高的流动性能,但其链伸长、收缩不稳定,故而其流动性能保持性不好,所以具良好的流动性及流动保持性,一定是长短链适当的
20、比例组合的聚体。其二、长链、短链都具相当对水泥颗粒吸附延缓性,但一旦在水泥悬浮体中分散,吸附即会均匀加速,使整体水泥水化加快,强度上升也快,表现出早期缓凝,后期早强。水化曲线如下图所示:在5-6hr前,几乎很少水化,在此之后,水化迅速加快。在20hr以后趋向平稳,表明24hr后已有很好水化率(强度)图)掺入聚羧酸后,水泥水化热经时变化支链长度对减水剂性能影响支链长度对减水剂性能影响 对三种不同支链长度(a=21-25 b=43-47 c=65-71以及支链长度a及b等量混合)分别表示 聚合物1、聚合物2、聚合物3、聚合物4,聚合分子量在4-5万左右(比萘系、三聚氰胺系 都高)的聚羧酸减水剂在水
21、泥砂浆(普通硅酸盐水泥)性能的影响。对水泥砂浆流动度影响试验结果看出:超长链的聚合物3起始流动度最高,但保持率最差,流动度保持率顺序在长支链段流动度保持性反而随链长反而减少。两种不同支链长度共聚物(聚合物4)其流动度保持性均超过各自原来长短支链聚合物即聚合物4聚合物1聚合物2 聚合物对水泥颗粒的吸附性及砂浆Zata电位影响 所有聚羧酸减水剂对水泥颗粒吸附都比过去的萘系、三聚氰胺磺酸盐高效减水剂小得多。但不同支链长度的聚羧酸,对水泥颗粒吸附性正与其流动的保持性能结果相反,但仍以长、短链混合聚羧酸最低。对在低热硅酸盐水泥吸附性比对普通硅酸盐水泥吸附性要小,这主要低热水泥具有低的C3A含量有关。Ze
22、ta电位测量中,发现聚羧酸吸附后,水泥表面Zata值都比萘系、三聚氰胺磺酸盐系比多,对不同长度支链的羧酸系列,Zeta值仍以长、短链混合支链聚羧酸最低。这些性能表现出按支链聚羧酸在小掺量下就可以使水泥砂浆产生大的流动性能,同样较小的吸附,和Zeta电位,使得空间住阻斥力远大于静电斥力,故而对水泥有较好的分散性。减少混凝土徐变性(提高耐久性)减少混凝土徐变性(提高耐久性)超塑化剂缓和矿物掺合料的膨胀,降低干收缩和质量损失。图、在粉煤灰混凝土掺塑化剂后收缩 图、在矿粉混凝土中掺塑化剂后收缩 上图在粉煤灰和矿粉混凝土上不同减水剂的膨胀、收缩变化。从图看出添加PA塑化 剂后,固化(硬化)混凝土膨胀和塑
23、性收缩变化都很小,这是由于缓和生成钙矾石有关。同样对不同塑化剂混凝土90天干收缩和质量损失。PA超塑化剂都具很好性能,干收缩小、徐变性低、混凝土耐久性提高。超塑化剂缓和矿物掺合料的膨胀,降低干收缩和质量损失。新一代超塑化剂支链长度对水泥水新一代超塑化剂支链长度对水泥水化过程的影响化过程的影响图、不同超塑化剂对水泥沙浆流动度的影响20下,掺不同超塑剂掺量水泥净浆初始流动度至关系,表明对聚羧酸超塑剂低掺量,即可获大流动度,而随支链长度增加而明显提高。不同超塑化剂,在不同掺加量下,不同水化温度下,流动度损失率(mm/hr)变化 图、不同超塑化剂流动度损失率与温度的关系 上列图结果SMF、SNF流动度
24、损失率很大,特别在高温时更明显。其损失率可随掺量增加而降低,但对聚羧酸得到另一种好的结果,除在30高温下,在低掺量时损失率比较稍大一点外,对n=9、45、68时,几乎很少流动度损失,在1hr内,几乎在所有不同掺量下,流动度反有增加的趋势。超塑化剂(超塑化剂(PA)大幅度提高粉煤灰掺量以)大幅度提高粉煤灰掺量以制造出高强高性能混凝土。制造出高强高性能混凝土。众所周知,掺加粉煤灰(FA),会增大耗水量,为达到高强、高耐久性(高性能)混凝土必须实现高减水率,以满足低水胶比(低w/c比)时,具良好的流动度要求(工作性能),以下对两种混合水泥A(掺50%未磨FA)和B(掺50%磨细FA)在不同塑化剂下的
25、工作性能,掺不同塑化剂的混凝土配合料的减水率和坍落度关系。塑化剂总凝胶材料细骨料4-16mm粗骨料10-25mm砂0-4mm水塑化剂掺量%W/B坍落度mmPC水泥A4634537296411480.40.32200水泥B4654557336431450.420.32190SNF水泥A4644557316421330.30.29230水泥B4704607406501340.270.29230 表明使用聚羧酸(PC)超塑化剂在掺量减少28%以其减水率和坍落度均优于以往超塑化剂(SNF)水平。同样在保坍性也呈现出其明显的优势如下图所示:图)两类超塑化剂在不同水泥品种下坍落度损失 在同样对超塑化剂掺量
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