T混凝土耐久性設(shè)計(jì)的理念和方法講稿

混凝土耐久性設(shè)計(jì)的理念和方法

地址：上海200433武東路100號(hào)同濟(jì)大學(xué)武東校區(qū)電話O）55137149(h)1.什么叫高性能混凝土？

高性能混凝土不是混凝土的一個(gè)品種高性能混凝土是個(gè)學(xué)術(shù)性名詞據(jù)現(xiàn)在的理解，高性能混凝土必須具備的性能：（1）針對(duì)具體環(huán)境下的高耐久性（2）不易開裂性（特別是早期抗裂性）（3）適當(dāng)?shù)妮^高強(qiáng)度（4）良好的工作性因?yàn)椋?）（4）兩個(gè)要求，目前混凝土技術(shù)都能達(dá)到。因此所謂高性能主要是耐久性和抗裂性。2.混凝土的早期抗裂性

2.1問題的提出過去只有大體積混凝土，由于內(nèi)外溫差引起的裂縫受到重視?，F(xiàn)在早期裂紋是常見病多發(fā)病。背景：現(xiàn)代水泥比表面大3300cm2/g，早期強(qiáng)度高；混凝土施工的傳統(tǒng)要求早強(qiáng)、早脫模；現(xiàn)代混凝土工藝（高級(jí)水泥、高效減水劑、高坍落度）但又不重視早期養(yǎng)護(hù)。2.2早期裂紋的原因在完全約束條件下：εE>Rp時(shí)，混凝土開裂ε——混凝土變形（收縮、溫度變形等）E——彈性模量Rp——抵抗力是抗拉強(qiáng)度或者當(dāng)ε>Rp/E=ε極限時(shí)，混凝土開裂混凝土收縮值ε大致在0.5×10-3，極限拉伸ε極限大致在0.1~0.2×10-3所以，完全約束下，混凝土都開裂在實(shí)際構(gòu)件，最大拉應(yīng)力決定于溫度、濕度分布，ε，E，Rp，ε極限——與養(yǎng)護(hù)條件和水化熱有關(guān)過去的水泥和混凝土：早期收縮值小，收縮值測(cè)試原點(diǎn)是3天，現(xiàn)在的混凝土，早期收縮（干縮+自收縮很大）可達(dá)0.05×10-3因此必須研究混凝土最早期性能

圖1最早期彈性模量隨時(shí)間的變化圖2最早期極限拉應(yīng)變隨時(shí)間的變化從圖1和圖2可見：從成型后4小時(shí)至8~10小時(shí)，E升至104Mpa，而此時(shí)的Rp卻還很小，ε極限降至最低值0.05×10-3這是現(xiàn)代混凝土早期開裂最危險(xiǎn)的時(shí)間越是早強(qiáng)混凝土，越早失去塑粘性，彈性模量增長(zhǎng)越快，越易開裂。2.3防止早期開裂最主要兩點(diǎn)：（1）降低早期強(qiáng)度R12h<6MPa或R24h<12MPa這是材料本身的因素，混凝土配合比設(shè)計(jì)問題（2）注意最早期的養(yǎng)護(hù)及表面保溫減小溫、濕度分布梯度，減小拉應(yīng)力3.混凝土耐久性問題

3.1發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代開始很重視耐久性問題背景：二戰(zhàn)后開始大規(guī)模建設(shè)，70年代出現(xiàn)大量混凝土劣化和結(jié)構(gòu)破壞事例。。比較全面的工程結(jié)構(gòu)破壞的調(diào)查和分析。70年代開始重視混凝土耐久性的科研。修訂結(jié)構(gòu)、施工規(guī)范，對(duì)耐久性作了明確嚴(yán)格的規(guī)定3.2我國對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了幾個(gè)階段。20世紀(jì)80年代末以前政府部門、工程界、技術(shù)界對(duì)耐久性普遍不夠重視個(gè)別學(xué)者、高等院校、科研院所堅(jiān)守自己陣地，進(jìn)行單個(gè)破壞因素的耐久性研究，做基礎(chǔ)工作。20世紀(jì)90年代專家呼吁，學(xué)術(shù)界、工程界開始重視耐久性問題背景：大量結(jié)構(gòu)過早破壞事例。20世紀(jì)末和21世紀(jì)以來開始實(shí)行混凝土耐久性設(shè)計(jì)三峽工程青藏鐵路工程2004年《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南》頒布我國比發(fā)達(dá)國家落后15~20年后果：許多重大工程存在隱患，今后我國將出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)、加固、拆了重建的高潮。幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)教教訓(xùn)：（1）混凝土隨隨時(shí)間劣化化是混凝土土結(jié)構(gòu)過早早破壞的主主要原因（2）絕大部分分破壞事故故是“人為為錯(cuò)誤”——知識(shí)結(jié)構(gòu)的的錯(cuò)位，應(yīng)應(yīng)該可以避避免的。結(jié)構(gòu)與材料料的分隔（3）從材料研研究領(lǐng)域，，各專家鉆鉆研某單項(xiàng)項(xiàng)破壞的研研究，分工工過細(xì)，鉆鉆研很深，，但缺乏綜綜合考慮，，顧此失彼彼。近幾年來，，材料人員員結(jié)合重大大工程的材材料設(shè)計(jì)和和研究，效效果好，大大有用武之之地。3.3按機(jī)構(gòu)物服服務(wù)年限設(shè)設(shè)計(jì)混凝土土國務(wù)院頒布布的《建設(shè)工程管管理?xiàng)l例》中規(guī)定設(shè)計(jì)計(jì)文件上要要注明工程程的使用年年限，按結(jié)結(jié)構(gòu)物的重重要程度，，如30、50、100年等。這是對(duì)混凝凝土耐久性性設(shè)計(jì)的一一個(gè)重大挑挑戰(zhàn)。。過去按強(qiáng)強(qiáng)度要求設(shè)設(shè)計(jì)混凝土土，現(xiàn)在除除強(qiáng)度外，，還要按耐耐久性設(shè)計(jì)計(jì)混凝土是是一個(gè)重大大改變，不不單單是配配比設(shè)計(jì)，，涉及質(zhì)量量控制、監(jiān)監(jiān)理。要做做一系列的的有關(guān)耐久久性能的現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。。。結(jié)構(gòu)工程程師提出一一個(gè)問題：：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)基于力學(xué)學(xué)計(jì)算，因因此是可靠靠的?；炷聊途眯孕栽O(shè)計(jì)可靠靠嗎？。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)構(gòu)件設(shè)計(jì)基基礎(chǔ)是是力學(xué)計(jì)算算，可靠安全度或安安全系數(shù)，，模糊概念念，經(jīng)驗(yàn)也也重要整體設(shè)計(jì)主主要靠靠經(jīng)驗(yàn)、設(shè)設(shè)計(jì)人員素素質(zhì)。材料耐久久性設(shè)計(jì)單項(xiàng)破壞因因素研研究較深入入，指標(biāo)和和防止措施施也較明確確，因此較較可靠綜合設(shè)計(jì)：：分析環(huán)境境，分析可可能的破壞壞主要因素素和次要因因素確定耐久性性指標(biāo)，采采取綜合措措施（包括括防裂措施施）已有發(fā)達(dá)國國家經(jīng)驗(yàn)，，他們比較較成熟的耐耐久性設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)規(guī)范，我們們可以借用用我國已頒布布與國際接接軌的《混凝土耐久久性設(shè)計(jì)指指南》，該指南吸吸取了我國國研究成果果和經(jīng)驗(yàn)教教訓(xùn)。4.混凝土耐久久性設(shè)計(jì)的的方法4.1設(shè)計(jì)的任務(wù)務(wù)、要求和和步驟投資方提出出服務(wù)年限限的要求設(shè)計(jì)方對(duì)工工程的服務(wù)務(wù)年限負(fù)責(zé)責(zé)設(shè)計(jì)方委托托材料試驗(yàn)驗(yàn)研究做混混凝土耐久久性設(shè)計(jì)材料研究方方對(duì)設(shè)計(jì)方方負(fù)責(zé)任務(wù)：（1）對(duì)不同構(gòu)構(gòu)件、不同同的工作環(huán)環(huán)境（大環(huán)環(huán)境、小環(huán)環(huán)境）設(shè)計(jì)計(jì)相應(yīng)的最最佳混凝土土配比，以以滿足服務(wù)務(wù)年限的要要求。（2）提出相應(yīng)應(yīng)的混凝土土耐久性指指標(biāo)，作為為質(zhì)量檢查查和判斷的的依據(jù)。（3）提出對(duì)原原材料的要要求和施工工的特殊要要求。步驟：（1）查明結(jié)構(gòu)構(gòu)物及其各各構(gòu)件的詳詳細(xì)環(huán)境資資料（氣象象資料、地地下水和土土壤化學(xué)分分析等等））（2）分析可能能導(dǎo)致混凝凝土破壞的的主要因素素和次要因因素（很重重要）（3）提出各種混混凝土配比比的耐久性性指標(biāo)要求求。（4）確立主要技技術(shù)措施（（包括防裂裂措施）如強(qiáng)度標(biāo)號(hào)號(hào)（可能高高于結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)的要求求）、工作作性、耐久久性能指標(biāo)標(biāo)如水泥品種種、砂石質(zhì)質(zhì)量要求、、礦物摻合合料及其質(zhì)質(zhì)量要求、、外加劑、、含氣量等等（5）試驗(yàn)方案案設(shè)計(jì)、工工作量很大大的試驗(yàn)研研究工作以以及試驗(yàn)結(jié)結(jié)果的匯總總及分析（6）最后得到最最優(yōu)化的指指導(dǎo)性配比比（7）根據(jù)指導(dǎo)導(dǎo)性配比、、施工方對(duì)對(duì)配合比的的復(fù)核和微微調(diào)，必要要時(shí)對(duì)某些些耐久性指指標(biāo)復(fù)核4.2環(huán)境對(duì)混凝凝土破壞原原因的分類類炎熱干燥氣氣候收收縮引起開開裂水泥水化不不充分，混混凝土強(qiáng)度度降低干濕循環(huán)各各種破破壞因素的的促進(jìn)作用用孔溶液中某某些化合物物結(jié)晶產(chǎn)生生的結(jié)晶壓壓物理作用水水的滲透滲滲水影影響結(jié)構(gòu)物物的使用功功能凍融交替引引起從從混凝土表表面剝落開開始的破壞壞鹽的結(jié)晶結(jié)結(jié)晶壓壓導(dǎo)致開裂裂鹽凍鹽鹽和凍融的的綜合作用用，產(chǎn)生裂裂紋和剝落落后加速Cl-離子的滲透透硫酸鹽侵蝕蝕膨脹脹、開裂、、強(qiáng)度下降降化學(xué)介質(zhì)侵侵蝕置置換換反應(yīng)酸酸性介質(zhì)質(zhì)破壞軟水、溶蝕蝕化學(xué)作用堿堿——集料反應(yīng)混凝土本身的的原因膠膠凝材材料中CaO和MgO的水化生生成水化物中過量量的鈣礬石膨膨脹脹性水化物大氣中CO2引起的鋼筋銹蝕海海水、除除冰鹽和混凝凝土內(nèi)部由海海砂、外加劑劑帶入的Cl-離子引起的注：鋼筋銹蝕蝕本身是電化化學(xué)作用，但但從混凝土保保護(hù)層的護(hù)筋筋性討論主要要是物理作用用，碳化也有有化學(xué)作用。。4.3單項(xiàng)破破壞因素的防防止措施破壞因素主要措施補(bǔ)充措施

鋼筋銹蝕碳化提高砼強(qiáng)度（C40~50以上可不考慮）減少粉煤灰摻量保證保護(hù)層厚度適當(dāng)加大水泥用量Cl-離子加大保護(hù)層厚度適當(dāng)引氣降低Cl-離子滲透系數(shù)（摻加粉煤灰、礦粉適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度）凍融交替摻合優(yōu)質(zhì)引氣劑，保證混凝土的含氣量

鹽凍摻合優(yōu)質(zhì)引氣劑配筋構(gòu)件還須補(bǔ)充防Cl-離子鋼筋銹蝕措施含氣量高于普通凍融交替堿——集料反應(yīng)選用非活性或低活性集料摻加粉煤灰、礦粉限制混凝土中堿含量硫酸鹽侵蝕選用低C3A水泥適當(dāng)提高強(qiáng)度引氣摻加粉煤灰、礦粉滲水提高強(qiáng)度摻加粉煤灰、礦粉引氣鹽結(jié)晶摻加引氣劑，保證含氣量

4.4設(shè)計(jì)和配制耐耐久防裂混凝凝土的一般通通用途徑耐久混凝土應(yīng)應(yīng)該是抗裂性性好的混凝土土，耐久混凝凝土應(yīng)該考慮慮防止裂縫措措施。而耐久久和防裂措施施許多是一致致的。（1）選用水泥低早強(qiáng)（防裂裂要求R24h<10~12Mpa）、低水化熱、低低C3A含量、低含堿堿量（2）堅(jiān)固耐久的的集料，用錘錘式破碎機(jī)破破碎的碎石（（級(jí)配和粒形形較好），沖沖洗干凈。（3）盡可能減少少膠凝材料總總量，為此盡盡可能降低單單方拌和水量量。為此，選選擇合適的坍坍落度（糾正正現(xiàn)在不管場(chǎng)場(chǎng)合追求20~22cm高坍落度）（4）摻加粉煤灰灰、礦粉或兩兩者復(fù)摻（5）摻加優(yōu)質(zhì)引引起劑5.礦物摻合料粉煤灰、礦粉粉、硅灰、沸沸石粉等?，F(xiàn)在主要用粉粉煤灰、礦粉粉。硅灰對(duì)耐耐久性是很好好的摻合料，，很容易裂紋紋，所以要慎慎用。這里主要講粉粉煤灰和礦粉粉。摻粉煤灰、礦礦粉對(duì)多種破破壞因素的耐耐久性是必不不可少或有利利的5.1粉煤灰摻粉煤灰技術(shù)術(shù)是現(xiàn)在已普普遍推廣對(duì)耐久性的好好處：（1）提高抗Cl-離子滲透（必必需）（2）提高抗堿——集料反應(yīng)（3）提高抗硫酸酸鹽侵蝕（必必需）（4）提高抗?jié)B性（5）防止早期裂紋紋（必需）對(duì)拌合物工作作性的好處：：工作性好，尤尤其可泵性好好，滾珠效應(yīng)應(yīng)京滬沿線建立立粉煤灰加工工廠：通灰風(fēng)風(fēng)選Ⅰ級(jí)灰或準(zhǔn)Ⅰ級(jí)灰球磨Ⅱ級(jí)灰粉煤灰的缺點(diǎn)點(diǎn)：（1）強(qiáng)度發(fā)展慢慢（用超量取取代設(shè)計(jì)，28天等強(qiáng)度）（2）碳化速度有有所增加，后后期碳化穩(wěn)定定（3）質(zhì)量不太穩(wěn)穩(wěn)定5.2礦粉是最近幾年（（2000年以來）新興興建材行業(yè)目前有寶鋼（（2條）、首鋼、、唐鋼、鞍鋼鋼、蕪湖等7條自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)線已投產(chǎn)，，每條生產(chǎn)線線年產(chǎn)60萬噸。預(yù)期最最近幾年內(nèi)全全國能達(dá)到年年產(chǎn)600萬噸的生產(chǎn)能能力。優(yōu)點(diǎn)：（1）比粉煤灰強(qiáng)強(qiáng)度增長(zhǎng)快，，有自硬性（（C2S），能等量取代水水泥（2）耐久性的好好處與粉煤灰灰相同缺點(diǎn)：（1）收縮較普通通混凝土稍大大。隨礦粉比比表面積增大大，收縮值增增大，因此礦礦粉比表面不不宜超過4500cm2/g。雖然收縮大，，但早期抗裂裂性卻不低于于普通混凝土土。（2）拌合料在同同坍落度條件件下，粘度大大，工作性、、可泵性不如如粉煤灰。應(yīng)用趨勢(shì)：礦礦粉、粉煤灰灰兩者復(fù)摻，，比例大致1：1，取長(zhǎng)補(bǔ)短，，強(qiáng)度發(fā)展適適中，解決了了單摻礦粉的的工作性問題題。6.引氣混凝土以前的認(rèn)識(shí)，，引氣是大幅幅度提高抗凍凍性和抗鹽凍凍的唯一最好好方法。實(shí)際上，引氣氣混凝土是提提高多種耐久久性的最有效效措施。。大幅度提高高抗凍、抗鹽鹽凍性（必不不可少）。提高所有因因膨脹破壞的的耐久性。結(jié)晶壓破壞壞（必需）。堿——集料反應(yīng)?？沽蛩猁}侵侵蝕（必需））機(jī)理：大量小小氣泡成為膨膨脹的緩沖器器，減小膨脹脹值。提高抗Cl-滲透及抗水滲滲透性原因切斷毛細(xì)細(xì)管通道除耐久性