高能混凝土耐久機(jī)理分析.doc

紹興市曹娥江大閘高性能混凝土試驗(yàn)及耐久性機(jī)理分析傅森彪(紹興市曹娥江大閘建設(shè)管理委員會(huì) 紹興市) 摘要：由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)存在著嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題。由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的，并且隨著環(huán)境的變遷和功能要求的提高，耐久性問(wèn)題愈來(lái)愈突出。曹娥江大閘樞紐工程通過(guò)對(duì)高性能混凝土配合比及其工作性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，分析了影響混凝土耐久性的機(jī)理，并預(yù)測(cè)了工程的使用壽命，提出高性能混凝土是提高大型工程百年耐久性的有力保證。關(guān)鍵詞：高性能混凝土 耐久性 試驗(yàn) 研究 自從波特蘭水泥問(wèn)世以來(lái)，混凝土結(jié)構(gòu)已成為工程基本建設(shè)中最為常用的建筑形式之一。但是，由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)存在著嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的，并且隨著環(huán)境的變遷和功能要求的提高，耐久性問(wèn)題愈來(lái)愈突出。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐表明，高性能混凝土是提高大型工程百年耐久性的有力保證。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始研究高性能混凝土，二十多年來(lái)發(fā)展迅速，成果顯著，但還處于具體工程具體試驗(yàn)研究論證階段，還沒(méi)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和規(guī)范依據(jù)。曹娥江大閘樞紐工程作為I等工程，是國(guó)家重大水利基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，工程規(guī)模大，建設(shè)周期長(zhǎng)，質(zhì)量要求高，其設(shè)計(jì)壽命要求達(dá)到一百年，在國(guó)內(nèi)擋潮閘建設(shè)中前所未有。工程優(yōu)先考慮使用高性能混凝土，對(duì)提高結(jié)構(gòu)耐久性、降低工程造價(jià)、減少工程服役期的維修加固費(fèi)用、保護(hù)環(huán)境有重要意義。1 工程概況 浙江省曹娥江大閘樞紐工程曹娥江大閘樞紐工程位于浙江省紹興市，錢(qián)塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，距紹興30公里。主要建筑物有：擋潮泄洪閘、堵壩、岸墻、翼墻等，擋潮泄洪閘垂直水流方向總長(zhǎng)705m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)636.5m。工程以防洪（潮）、治澇為主，兼顧水資源開(kāi)發(fā)利用、水環(huán)境保護(hù)和航運(yùn)等綜合利用功能，總投資12.76億元，計(jì)劃于2008年建成。曹娥江大閘的修建，將使曹娥江92公里的感潮河段成為內(nèi)陸河，使兩岸的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到100年一遇以上。據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，曹娥江大閘建成后，每年可增加淡水資源40億立方米，同時(shí)將使曹娥江河口段500噸級(jí)通航保證率提高40%以上。曹娥江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替顯著，年溫適中，四季分明，雨量豐沛。曹娥江河口的潮汐為非正規(guī)半日潮，平均高潮位3.6m，平均低潮位-2.0m，平均潮位0.7m。紹興氣象站多年平均氣溫16.5，平均相對(duì)濕度81%，極端最高氣溫39.5，極端最低氣溫-10.1。曹娥江河口地表水中SO42-離子、HCO3-離子、氯離子含量較高，對(duì)混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有中等腐蝕性。2 水工高性能混凝土配合比經(jīng)過(guò)試拌，確定水工高性能混凝土配合比，如表1所示。高性能混凝土配合比 （單位：kg/m3) 表1配合比編號(hào)膠凝材料組合方案水泥粉煤灰礦渣硅粉體積穩(wěn)定劑砂石水NAF2(B)IA440665998198.04.40B219441756901036153.37.00C16287175136891035153.07.87D285132226921040153.710.54E154269186961045154.46.62注：1、用水量包含外加劑中的水，骨料為自然干燥狀態(tài)。2、高性能混凝土水膠比選定0.35，普通混凝土水灰比為0.45。3、粗細(xì)骨料均為工程所在地的非堿活性的材料。4、水泥采用虎山P.O42.5級(jí)低堿水泥，粉煤灰采用級(jí)粉煤灰，磨細(xì)礦渣采用上海寶田公司的S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，硅粉采用遵義圣達(dá)鐵合金有限公司的硅粉。3 水工高性能混凝土試驗(yàn)性能對(duì)比分析3.1施工性能配合比的水工高性能混凝土1小時(shí)后坍落度沒(méi)有損失，反而有稍許增加，含氣量2.2%，和易性中等，適于車(chē)送施工。配合比的水工高性能混凝土1小時(shí)后坍落度沒(méi)有損失，含氣量2.8%，因?yàn)槎喾N礦物摻合料共摻，和易性較好，適于泵送混凝土施工。配合比的水工高性能混凝土1小時(shí)后坍落度沒(méi)有損失，反而有稍許增加，含氣量2.3%，因?yàn)閾郊恿?%硅粉和30%粉煤灰，所以混凝土和易性很好，適于泵送混凝土施工。配合比的水工高性能混凝土1小時(shí)后坍落度損失很小，含氣量2.3%；由于磨細(xì)礦渣顆粒表面不光滑，“滾珠”效果較差，在坍落度較大的情況下，混凝土和易性較差，適用于車(chē)送施工。3.2混凝土力學(xué)、變形性能及耐久性 各方案混凝土技術(shù)性能指標(biāo)匯總表 表2 技術(shù)性能配合比編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa7天34.447.443.841.945.728天41.961.858.353.650.728天抗壓彈性模量/GPa32.035.336.038.436.828天劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa 2.463.723.314.432.7628天抗拉強(qiáng)度/MPa 3.824.213.994.524.32極限拉伸值/10-6128142150138120抑制骨料堿活性效能（14天膨脹率降低率/%）75.092.590.087.5抗氯離子滲透快速試驗(yàn)（相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)D/（10-12m2/s）3.652.001.681.021.25浸泡法氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)D/（10-12m2/s）5.871.641.881.421.7915次浸烘循環(huán)鋼筋銹積率/%50.117.44.100鋼筋失重率/%1.030.160.0500抗硫酸鹽侵蝕抗蝕系數(shù)K0.971.021.151.101.0612個(gè)月膨脹率/%0.0520.012000干縮率/10-6（采取措施后）28天32936037518933960天622604592420528180天73377262749757728天碳化深度/mm4.501.193.503.295.44抗凍融等級(jí)F100F200F200F200F20056天氣體擴(kuò)散系數(shù)/（10-7m2/s）3.612.692.302.352.83抗?jié)B透性相對(duì)滲透系數(shù)/（10-8cm/h）652.0148.946.03.3510.64水工高性能混凝土耐久性機(jī)理分析4.1抑制堿骨料反應(yīng)機(jī)理堿骨料反應(yīng)是指混凝土中來(lái)自水泥、外加劑等的可溶性堿在水的作用下和骨料中某些組分之間的反應(yīng)。發(fā)生堿骨料反應(yīng)會(huì)在界面生成可吸水腫脹的凝膠或體積膨脹晶體，使混凝土產(chǎn)生體積膨脹，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生開(kāi)裂破壞。堿溶液還會(huì)進(jìn)入骨料在破碎時(shí)產(chǎn)生的裂隙中，和骨料中某些組分發(fā)生發(fā)應(yīng)，使骨料受腫脹力破壞。一般把堿骨料反應(yīng)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是堿硅酸反應(yīng)，是指堿與骨料中活性SiO2反應(yīng)，生成堿硅凝膠，凝膠吸水腫脹導(dǎo)致混凝土膨脹或開(kāi)裂。另一類(lèi)是堿碳酸鹽反應(yīng)，指堿與骨料中微晶白云石反應(yīng)生成水鎂石和方解石，在白云石表面和周?chē)|(zhì)之間的空間內(nèi)結(jié)晶生長(zhǎng)，使骨料膨脹，進(jìn)而使混凝土開(kāi)裂。曹娥江大閘樞紐工程附近的料場(chǎng)中石料主要含有微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英為活性成分，所以對(duì)曹娥江大閘樞紐工程來(lái)說(shuō)，堿骨料反應(yīng)主要是堿硅酸反應(yīng)。抑制堿骨料活性效能試驗(yàn)和壓濾試驗(yàn)分析表明，水工高性能混凝土能夠降低堿硅酸反應(yīng)發(fā)生的可能性，其主要原因是：（1）礦物摻合料的加入降低了水泥石孔溶液中K+、Na+離子濃度和pH值；（2）礦物摻合料的摻入對(duì)堿的物理稀釋?zhuān)V物摻合料釋放的堿大部分參與了水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，僅有一部分參與堿骨料反應(yīng)；（3）火山灰反應(yīng)生成低CaO/SiO2的C-S-H凝膠，增加了結(jié)合Na+、K+的能力；（4）低水膠比和礦物摻合料的摻入增加了混凝土微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，降低了混凝土滲透性，降低了堿在混凝土內(nèi)部的遷移速率，也降低了堿硅凝膠吸附水的量，降低了膨脹。4.2 抗硫酸鹽侵蝕機(jī)理硫酸鹽侵蝕是硫酸鹽與水泥中的含鋁相、含鈣成分，或者與早期生產(chǎn)的單硫型水化硫鋁酸鹽反應(yīng)，生產(chǎn)體積膨脹的鈣礬石（3CaOAl2O33 CaSO431H2O），當(dāng)還有CO32-存在并處于高濕度的低溫下時(shí)，硫酸鹽還會(huì)侵蝕和分解水泥的主要水化物C-S-H，生成硅灰石膏（thaumasite, CaOSiO2CaCO3CaSO415H2O），從而破壞混凝土。無(wú)論是外部還是內(nèi)部硫酸鹽侵蝕，其必要條件是環(huán)境，即水能進(jìn)入混凝土中；其充分條件是水泥中含有鋁相或游離Al2O3、CaO的存在。硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法和測(cè)量膨脹值法試驗(yàn)結(jié)果顯示：水工高性能混凝土具有優(yōu)良的抗硫酸鹽侵蝕性能，主要原因是：（1）摻加粉煤灰等活性摻合料后，相對(duì)降低了C3A的含量；（2）礦物摻合料二次水化的產(chǎn)物大多在硬化后的水泥石內(nèi)形成，因而主要填充水泥石的毛細(xì)孔，降低水泥石的孔隙率，增大水泥石的密實(shí)性，低水膠比又進(jìn)一步增加混凝土密實(shí)性，硫酸鹽侵入混凝土內(nèi)部變得十分困難；（3）硬化水泥石中的石灰濃度由于Ca(OH)2被吸收而迅速降低，還會(huì)導(dǎo)致一些極限石灰濃度較高的水化產(chǎn)物的進(jìn)一步分解，其中最重要的是高鹽基的水化鋁酸鈣水解成為極限石灰濃度較低的低鹽基水化鋁酸鈣，因而消除或減小了高硫型水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）形成的可能性，而主要形成低硫型水化硫鋁酸鈣。高硫型水化硫鋁酸鈣是在石灰濃度較高時(shí)，在水化鋁酸四鈣（或水化鋁酸三鈣）固相表面生成并以細(xì)小晶體成刺狀折出，放射狀向四方展開(kāi)，交叉搭空，互相擠壓而產(chǎn)生顯著的膨脹應(yīng)力，而在石灰濃度較低，高鹽基水化鋁酸鈣發(fā)生水解而成為低鹽基水化鋁酸鈣的情況下，低硫型水化硫鋁酸鈣（3CaOAl2O3CaSO412H2O）在遠(yuǎn)離含鋁固相表面的液相中以分散狀析出結(jié)晶。由于它在液相中析出結(jié)晶，填充原來(lái)的充水空間，不僅不會(huì)產(chǎn)生有害的內(nèi)應(yīng)力，而且還可作為水泥石的有效組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水泥石的密實(shí)性和強(qiáng)度；（4）水泥石中Ca(OH)2成分的減少和毛細(xì)孔中液相石灰濃度的降低，還會(huì)使石膏結(jié)晶型侵蝕強(qiáng)烈受阻。因?yàn)槭嘟Y(jié)晶析出只有在Ca2和SO42-的濃度積達(dá)到石膏的溶度積時(shí)才可能發(fā)生，并且只有在石膏結(jié)晶量超過(guò)一定數(shù)值時(shí)才能對(duì)混凝土產(chǎn)生明顯的侵蝕作用。由于火山灰反應(yīng)吸收了大量的Ca(OH)2，基本上消除或減少了石膏結(jié)晶的可能性，即使在SO42-濃度很高的情況下，石膏結(jié)晶的數(shù)量也非常有限。4.3 抗氯離子侵蝕機(jī)理混凝土中Cl-的滲透由兩個(gè)基本因素決定，一是混凝土對(duì)Cl-滲透的擴(kuò)散阻礙能力，這種阻礙能力決定于混凝土的孔隙率及孔徑分布；二是混凝土對(duì)Cl-的物理或化學(xué)結(jié)合能力，即固化能力，這種固化能力既影響滲透速率，又影響水中游離Cl-的結(jié)合速率。水工高性能混凝土中Cl-的遷移雖然同普通混凝土一樣存在著三種方式擴(kuò)散、毛細(xì)管吸附和滲透，但由于水工高性能混凝土結(jié)構(gòu)一定程度上的改善，使其氯離子滲透機(jī)理與普通混凝土表現(xiàn)得有所不同?；炷量孤入x子滲透快速試驗(yàn)和自然浸泡法試驗(yàn)證明，水工高性能混凝土具有比普通混凝土優(yōu)異的抗氯離子侵蝕性能，其機(jī)理主要包括：（1）水工高性能混凝土水膠比小，混凝土更為密實(shí)，孔隙率降低，多害孔和有害孔比普通混凝土減少，氯離子滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部變得困難，氯離子滲透入混凝土內(nèi)部的數(shù)量減少；（2）礦物摻合料改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物組成。由于稀釋效應(yīng)，特別是火山灰效應(yīng)，減少了粗大結(jié)晶、穩(wěn)定性極差、很容易遭到氯鹽等侵蝕介質(zhì)腐蝕的水化產(chǎn)物Ca(OH)2的數(shù)量，也減少了Ca(OH)2在水泥石骨料界面過(guò)渡區(qū)上的富集與定向排列，從而優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)，并生成增強(qiáng)、穩(wěn)定性更優(yōu)、數(shù)量更多的低堿度水化硅酸鈣凝膠，極大提高水工高性能混凝土抗氯離子滲透性能；（3）由于礦物摻合料對(duì)Cl-的物理吸附（初始固化）和二次水化產(chǎn)物的化學(xué)固化與物理化學(xué)吸附，這部分被結(jié)合的Cl-通常不會(huì)對(duì)鋼筋構(gòu)成危害，從而減少了混凝土孔隙液中有害的游離Cl-數(shù)量。對(duì)礦物功能材料的氯離子固化機(jī)理研究表明：高性能混凝土水化早期的氯離子固化主要與礦物功能材料的初始固化力（物理吸附）有關(guān)，該能力的大小與材料種類(lèi)有關(guān)；到了混凝土水化的中、后期，則是由于二次水化反應(yīng)形成較多的CSH凝膠對(duì)Cl-強(qiáng)烈的物理化學(xué)吸附和水化鋁酸鈣與Cl-反應(yīng)生成水化氯鋁酸鈣的化學(xué)固化，對(duì)Cl-的中、后期固化發(fā)揮著重要作用。5工程壽命分析5.1基于碳化深度的壽命預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者早已證實(shí)，在正常的大氣介質(zhì)中，混凝土的碳化深度可用下式表示： （5.1）式中： 混凝土的碳化深度(mm)； 碳化速度系數(shù)； 碳化齡期（d）。中國(guó)建筑科學(xué)研究院混凝土研究所等單位組成的混凝土耐久性專(zhuān)題研究小組認(rèn)為：必須考慮不同材料因素對(duì)混凝土碳化的影響，從而提出了在周?chē)橘|(zhì)及施工條件基本不變的情況下，混凝土碳化深度可用多系數(shù)方程來(lái)表示，即： （5.2）式中： 水泥用量影響系數(shù)；水灰比影響系數(shù)；粉煤灰摻量影響系數(shù)；水泥品種影響系數(shù)；集料品種影響系數(shù)；養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，如果所用原材料、混凝土配合比等內(nèi)容和室內(nèi)試驗(yàn)一致，且養(yǎng)護(hù)充分，則、等系數(shù)也和室內(nèi)試驗(yàn)下一致，則利用（5.2）式可以推出預(yù)測(cè)任何齡期混凝土自然碳化深度的如下公式： （5.3） 式中 ：預(yù)測(cè)某齡期混凝土的自然碳化深度(mm)；快速碳化時(shí)的混凝土碳化深度(mm)；混凝土快速碳化齡期（年）；預(yù)測(cè)的自然碳化齡期（年）；快速碳化時(shí)二氧化碳的濃度，為20%；預(yù)測(cè)對(duì)象周?chē)橘|(zhì)的二氧化碳濃度，在大氣中，一般可取為0. 03%。根據(jù)表3選取?？焖僭囼?yàn)中，為28天，即0.0767年。表4列出保護(hù)層厚度分別為40mm時(shí)，基于碳化深度的工程預(yù)測(cè)壽命。 混凝土碳化深度 表3配合比編號(hào)28天碳化深度/mm4.501.193.503.295.44 基于碳化深度的工程預(yù)測(cè)壽命（保護(hù)層厚度40mm） 表 4配合比編號(hào)工程預(yù)測(cè)壽命/年4040100006679755827655.2基于氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)的壽命預(yù)測(cè)實(shí)際上，氯離子擴(kuò)散系數(shù)并不是固定不變的，而是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)呈遞減變化，還受到礦物摻合料的影響，文獻(xiàn)1中，認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系式為 （5.4）公式（5.4）中，是在時(shí)間等于1秒時(shí)的有效擴(kuò)散系數(shù)，如果時(shí)間不等于1秒時(shí)，則公式（5.4）變?yōu)橄率?（5.5）考慮公式（5.5），則公式（5.6）變?yōu)?（5.6）式中：經(jīng)過(guò)時(shí)間后，深處混凝土的氯離子含量，%；氯離子擴(kuò)散深度，m；氯離子擴(kuò)散時(shí)間，s；表面混凝土氯離子含量；誤差函數(shù)。時(shí)間的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；擬合的指數(shù)，反應(yīng)混凝土滲透性對(duì)時(shí)間的依賴(lài)程度；水化齡期，此處取為五個(gè)月，1.296107s。確定鋼筋腐蝕的臨界濃度C后，代入（5.6）式，以混凝土保護(hù)層厚度作為，當(dāng)確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)（按照表5選?。┖?，即可推測(cè)混凝土中鋼筋開(kāi)始腐蝕的使用壽命。 混凝土水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù) 表5 配合比編號(hào)有效擴(kuò)散系數(shù)D(10-12m2/s)5.871.641.881.421.79普通混凝土的值在0.200.30之間，此處取為0.25；礦渣混凝土的值在0.600.67之間，粉煤灰混凝土在0.790.86之間，硅粉混凝土的值在0.810.89之間2。為偏于保守，此處取水工高性能混凝土的為0.3。曹娥江大閘周?chē)新入x子濃度較低，約3000mg/L， 遠(yuǎn)小于一般海水（約15000mg/L），不能根據(jù)常規(guī)海洋環(huán)境選取C0。距曹娥江大閘上游3.6km的紹興縣迎陽(yáng)閘（建成12年）所處的環(huán)境和曹娥江大閘相近，我們以該工程表面砂漿的C0值作為曹娥江大閘的C0值。取樣地點(diǎn)分別在迎陽(yáng)閘翼墻標(biāo)高3.2m（黃海標(biāo)高，水位變動(dòng)區(qū)）和標(biāo)高5.0m（黃海標(biāo)高，浪濺區(qū)）處，所測(cè)得的水溶性氯離子含量分別為0.046%和0.34%