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<提高混凝土耐久性的措施>
  

提高混凝土耐久性的措施
摘要:在土建工程中,混凝土是用途最廣、用量最大的建筑材料之一。近百年來,混凝土強度不斷的提高成為它主要的發展趨勢。發達國家越來越多的使用50MPa以上的高強混凝土。有些遠見卓識的專家考慮到某些工程的需要,在提出高強度的同時,也提出耐久性和施工和易性的要求,尤其是近5年,在很多重要工程中都成功地采用高性能混凝土。


關鍵詞:混凝土 耐久性

 

高性能混凝土具有豐富的技術內容,盡管同業對高性能混凝土有不同的定義和解釋,但彼此均認為高性能混凝土的基本特征是按耐久性進行設計,保證拌和物易于澆筑和密實成型,不發生或盡量少發生由溫度和收縮產生的裂縫,硬化后有足夠的強度,內部孔隙結構合理而有低滲透性和高抗化學侵蝕。

基于上述特點,高性能混凝土成為我國近期混凝土技術的主要發展方向。

高性能混凝土的核心是保證耐久性。耐久性對工程量浩大的混凝土工程來說意義非常重要,若耐久性不足,將會產生極嚴重的后果,甚至對未來社會造成極為沉重的負擔。據美國一項調查顯示,美國的混凝土基礎設施工程總價值約為6萬億美元,每年所需維修費或重建費約為3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已有損壞,平均每年有150-200座橋梁部分或完全坍塌,壽命不足20年;美國共建有混凝土水壩3000座,平均壽命30年,其中32%的水壩年久失修;而對二戰前后興建的混凝土工程,在使用30-50年后進行加固維修所投入的費用,約占建設總投資的40%-50%以上。回看中國,我國50年代所建設的混凝土工程已使用40余年。如果平均壽命按30-50年計,那么在今后的10-30年間,為了維修這些建國以來所建的基礎設施,耗資必將是極其巨大的。而我國目前的基礎設施建設工程規模宏大,每年高達2萬億人民幣以上。照此來看,約30-50-年后,這些工程也將進入維修期,所需的維修費用和重建費用將更為巨大。因此,高性能混凝土更要從提高混凝土耐久性入手,以降低巨額的維修和重建費用。

一般混凝土工程的使用年限約為50-100年,不少工程在使用10-20年后,有的甚至使用9年以后,即需要維修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能滿足耐久性要求的根本原因,在于混凝土本身的內部結構。

影響混凝土耐久性的主要因素大致可以分為以下幾點:首先,在混凝土工程中為了滿足混凝土施工工作性要求,即用水量大、水灰比高,因而導致混凝土的孔隙率很高,約占水泥石總體積的25%-40%,特別是其中毛細孔占相當大部分,毛細孔是水分、各種侵蝕介質、氧氣、二氧化碳及其它有害物質進入混凝土內部的通道,引起混凝土耐久性的不足;其次,水泥石中的水化物穩定性不足也會對耐久性產生影響。例如,波特蘭水泥水化后的主要化合物是鹼度較高的高鹼性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。此外,在水化物中還有數量很大的游離石灰,它的強度極低、穩定性極差,在侵蝕條件下,是首先遭到侵蝕的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性,就必須減少或消除這些穩定性低的組分,特別是游離石灰。

根據對影響混凝土耐久性的主要因素的分析,就可以找出提高混凝土耐久性的主要技術途徑。如上分析,要提高混凝土的耐久性,必須降低混凝土的孔隙率,特別是毛細管孔隙率,最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果純粹的降低用水量,混凝土的工作性將隨之降低,又會導致搗實成型共所困難,同樣造成混凝土結構不致密,甚至出現蜂窩等宏觀缺陷,不但混凝土強度降低,而且混凝土的耐久性也同時降低。目前提高混凝土耐久性基本有以下幾種方法:

一、               摻入高效減水劑:在保證混凝土拌和物所需流動性的同時,盡可能降低用水量,減少水灰比,使混凝土的總孔隙,特別是毛細管孔隙率大幅度降低。水泥在加水攪拌后,會產生一種絮凝狀結構。在這些絮凝狀結構中,包裹著許多拌和水,從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性,就必須在拌和時相應地增加用水量,這樣就會促使水泥石結構中形成過多的孔隙。當加入減水劑的定向排列,使水泥質點表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下,不但使水泥體系處于相對穩定的懸浮狀態,還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜,同時使水泥絮凝體內的游離水釋放出來,因而達到減水的目的。許多研究表明,當水灰比降低到0.38以下時,消除毛細管孔隙的目標便可以實現,而摻入高效減水劑,完全可以將水灰比降低到0.38以下。

二、               摻入高效活性礦物摻料:普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩定性的不足,是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的目的,在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質的組成。活性礦物摻料中含有大量活性Si02及活性Al203,它們能和波特蘭水泥水化過程中產生的游離石灰及高鹼性水化矽酸鈣產生二次反映,生成強度更高、穩定性更優的低鹼性水化矽酸鈣,從而達到改善水化膠凝物質的組成,消除游離石灰的目的,使水泥石結構更為致密,并阻斷可能形成的滲透路。此外,還能改善集料與水泥石的界面結構和界面區性能。這些重要的作用,對增進混凝土的耐久性及強度都有本質性的貢獻。

三、               消除混凝土自身的結構破壞因素:除了環境因素引起的混凝土結構破壞以外,混凝土本身的一些物理化學因素,也可能引起混凝土結構的嚴重破壞,致使混凝土失效。例如,混凝土的化學收縮和干縮過大引起的開裂,水化性過熱過高引起的溫度裂縫,硫酸鋁的延遲生成,以及混凝土的堿骨料反映等。因此,要提高混凝土的耐久性,就必須減小或消除這些結構破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿、S03、C1- 等可以引起破壞結構和侵蝕鋼筋物質的含量,加強施工控制環節,避免收縮及溫度裂縫產生,以提高混凝土的耐久性。

四、               保證混凝土的強度:盡管強度與耐久性是不同概念,但又密切相關,它們之間的本質聯系是基于混凝土的內部結構,都與水灰比這個因素直接相關。在混凝土能充分密實條件下,隨著水灰比的降低,混凝土的孔隙率降低,混凝土的強度不斷提高。與此同時,隨著孔隙率降低,混凝土的抗滲性提高,因而各種耐久性指標也隨之提高。在現在的高性能混凝土中,除摻入高效減水劑外,還摻入了活性礦物材料,它們不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強度的同時,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外,在排除內部破壞因素的條件下,隨著混凝土強度的提高,其抵抗環境侵蝕破壞的能力也越強。

高性能混凝土在配制上的特點是低水灰比,選用優質原材料,除水泥、水和骨料外,必須摻加足夠數量的礦物集料和高效減水劑,減少水泥用量,減少混凝土內部孔隙率,減少體積收縮,提高強度,提高耐久性。

總之,提高混凝土的耐久性是混凝土發展的必然趨勢。

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