高性能混凝土具有豐富的技術內容,盡管同業(yè)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(fā)生或盡量少發(fā)生由溫度和收縮產(chǎn)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(fā)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(chǎn)生極嚴重的后果,甚至對未來社會造成極為沉重的負擔。據(jù)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*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(zhàn)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?;乜粗袊覈?0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(guī)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(wěn)定性不足也會對耐久性產(chǎn)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(shù)量很大的游離石灰,它的強度極低、穩(wěn)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(wěn)定性低的組分,特別是游離石灰。
根據(jù)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,zui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?lián)v實成型共所困難,同樣造成混凝土結構不致密,甚至出現(xiàn)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(chǎn)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(wěn)定的懸浮狀態(tài),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(xiàn),而摻入減水劑,*可以將水灰比降低到0.38以下。
二、摻入活性礦物摻料:普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)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(chǎn)生的游離石灰及高鹼性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反映,生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)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(qū)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(huán)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(huán)節(jié),避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)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?jié)B性提高,因而各種耐久性指標也隨之提高。在現(xiàn)在的高性能混凝土中,除摻入減水劑外,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(huán)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,選用原材料,除水泥、水和骨料外,必須摻加足夠數(shù)量的礦物集料和減水劑,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.提高混凝土的耐久性是混凝土發(fā)展的必然趨勢。
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