高性能混凝土浅析.doc

提高混凝土耐久性，降低资源消耗李坦平湖南工学院材料与化学工程学院§1引言—高性能混凝土及其核心问题长期以来，人们以为混凝土是一种坚固、耐久的材料，科技工作者主要把精力集中在提高混凝土的强度上。由于混凝土破坏造成的结构崩塌事故在各地连续发生，这也告诉我们混凝土并不是一劳永逸的耐久材料，混凝土工程也有其一定的使用寿命周期。已建成的水工、海港、桥梁、道路等重要工程构筑物，不仅耗资巨大，而且有许多生命线工程，不能中断运行。如美国现有桥梁57.5万座，有的已经损坏，有的在带病运行，大多已进入工程老化期，急需修理或报废。1991年，美国在提交国会《国家公路与桥梁现状》的报告中指出：为修理或更换现已存在有缺陷的桥梁，需要投资910亿美元，如果拖延这一进程，费用将增至1310亿美元。美国现存的钢筋混凝土工程总价值约6万亿美元，而用于维修的费用每年却高达300亿美元。我国是发展中国家，工程费用主要花在新建工程项目上。但从一些维修翻建的五、六十年代建成的工程看，也普遍存在着严重的缺陷，工程大多已进入老化期，若不维修，随时都有垮塌的危险。从一些工程的抽检结果看：在一般环境下，有40%左右的钢筋混凝土结构已碳化至钢筋表面；在潮湿环境下，90%的混凝土结构的钢筋已经锈蚀。由此可见，普通混凝土工程的使用寿命大体为40年。目前我国已进入钢筋混凝土结构修复的高峰期。人们已渐渐地把注意力集中到混凝土结构的耐久性、安全性与安全使用期上。高性能混凝土是在1990年，美国NIST与ACI召开的一次国际会议上首先提出来的，并立即得到各国学者和工程技术人员的积极响应。现已成为国际工程界的一种时髦，并很快传入了我国。应该说高性能混凝土是在高强混凝土研究与应用达到较高水平基础上发展起来的，是混凝土技术中的一项重大课题。有人称高性能混凝土是“21世纪的混凝土”。但对什么是高性能混凝土?至今国内外尚无统一的认识和定义。根据一般的理解，对高性能混凝土有以下几点共识：①使用寿命要长根据工程使用的环境与部位，对混凝土的耐久性必须有严格的要求。因此，控制混凝土设计的并不是强度，而是耐久性。即混凝土的碳化深度一定要满足工程寿命周期的需要②应具有较高的体积稳定性即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后应具有较小的收缩变形。③应具有良好的施工性能混凝土拌合物应有较高的流动性，不分层、离析，易充满模型;泵送混凝土还应有良好的可泵性。④具有一定的强度和密实度，但不一定是高强高性能，亦可以是中、低强度高性能。由此可见，高性能混凝土不同于普通混凝土，普通混凝土的设计是以强度作为主要控制指标，而高性能混凝土是以耐久性作为主要控制指标、强度只起从属的作用。高强度不一定是高性能，而高性能必须要求混凝土具有较高的密实度与高抗渗能力，故其强度也不会太低。高性能混凝土的技术要求：1、高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，在大幅度提高常规混凝土性能基础上，采用现代混凝土技术，选用优质材料，在严格的质量控制下制成的。除采用优质水泥、集料和水外，必须采用低的水胶比和掺加适量的超塑化剂和超细活性掺合料。2、凝土拌合物应具有良好的流变学特性，不泌水、不离析、甚至可达到自流密实。从而确保混凝土工程质量，防止因泌水、离析或振捣不密实造成的混凝土早期缺陷：如混凝土表层疏松，水泥浆体与钢筋或粗骨料之间的界面出现孔隙乃至蜂窝、麻面等，有害于混凝土的耐久性。3、高性能混凝土在硬化过程中保持体积稳定，使用水化热低、温升小的水泥，冷却时的温度收缩和干燥收缩变形小，硬化后不易产生宏观与微观裂缝。4、高性能混凝土硬化后具有致密的微观和细观结构，抗渗性能好。因抗渗是评价混凝土耐久性的一项重要指标，高性能混凝土的渗透系数可以比普通混凝土小数倍甚至低1～2个数量级。§2混凝土组成、结构及其耐久性分析混凝土是一个多相复杂体系，固相有粗细骨料和水泥水化产物—水泥石；同时还有孔存在。因此混凝土的耐久性取决于粗细骨料和水泥石的物理、化学性能，取决于孔的性质（数量、形状与结构）。一、水泥石的化学性质与混凝土的耐久性1、硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料实际上是一种结晶细小的人造岩石（工艺岩石），它主要由四种矿物组成：硅酸三钙C3S：（3CaO·SiO2或Ca3SiO5）44-62%；硅酸二钙C2S：（2CaO·SiO2或Ca2SiO4）18-30%；铝酸三钙C3A：（3CaO·Al2O3或CaAl2O6）5-18%；铁铝酸四钙C4AF：（4CaO·Al2O3·Fe2O3或CaO4Al2Fe2O10）10-18%。2、硅酸盐水泥的水化及其产物（1）C3S的水化反应如前所述，C3S在水泥熟料中占50%左右，有时高达60%，硬化水泥浆的性能在很大程度上取决于C3S的水化作用、产物及其产物所形成的结构。在常温下的水化反应，可大致用下列方程表