高性能混凝土耐久性

1.前言 随着混凝土结构的广泛应用，其使用环境日益多样化，工业污染日 益加剧，混凝土结构受环境侵蚀的危害性也日益增加，混凝土结构的耐 久性与使用寿命问题，逐渐成为土木工程领域普遍关注的问题。随着建 筑服役时间的增长，老旧建筑物日益增多，结构的耐久性问题将更引人 关注。 据统计，结构的维修投资在发达国家逐年增加，有的已达到或超过 新建工程的投资。如美国 90 年代初期用于旧建筑物维修加固上的投资 就占总建设投资的 50％，德国则达 80％。涉及维修加固的结构，除有一 部分是由于工程事故或偶然灾害造成的损伤和破坏外，剩下的都是经 常性或阶段性的修复加固。修复加固的目的主要是弥补结构由于环境 因素而受到的损伤与破坏，提高其耐久性和使用寿命。美国每年上千亿 美元的腐蚀损失中，与钢筋锈蚀相关的损失就达 40％；瑞典用于桥梁耐 久性修复上的投资每年可达 2800 万美元之多。 在我国，有关资料显示，“一五”期间，我国用于建设工程更新改造 的投资仅为同期基本建设投资的 4.2％， “三五”期间达到 27％， “四五” 和“七五”期间分别达到 31.7％和 54％。当大规模的建设活动达到顶峰 后，在二十一世纪的今天，有关已有结构的适用性、耐久性问题将更加 突出。结构的鉴定评估、维修、改造、加固等工程项目会成为建设项目的 重要组成部分。另一方面，随着经济和社会的发展，人们对建筑的要求 越来越高，对结构耐久性的要求也会越来越高。因此，研究结构的耐久 性具有重要意义。 2.国内外研究概况 19 世纪 40 年代，法国卓越的工程师、研究家维卡对海水环境中水 硬性石灰及用石灰和火山灰制成砂浆性能进行了研究，并得出结论：海 水中的镁盐与氢氧化钙和含水硅酸盐发生反应，生成氢氧化镁和硫酸 钙；硫酸钙继续与水泥石中的其它成分相互作用，造成水泥石的腐蚀破 坏。随着材料科学的发展，1880- 1890 年第一批钢筋混凝土结构问世， 并首先应用于工业建筑物，随之而来的钢筋泥凝土结构腐蚀条件下的 安全使用和耐久性(主要是钢筋锈蚀)问题也就摆在了人们的面前。20 世纪初，格尤思、拉巴利德和克莱罗门等人对工业建筑中使用的混凝土 和钢筋混凝土进行了基本研究和经验总结。此后由于科学技术的迅速 发展，人们对混凝土结构耐久性的研究范围越来越广，研究内容也越来 越深入。如 1925 年在密勒领导下，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤 中进行长期实验，其目的是为了获取 25、50 年以至更长时间的混凝土 结构腐蚀数据；前联邦德国钢筋混凝土结构协会利用混凝土构筑物遭 受沼泽水腐蚀而破坏的事例，对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行 了一次长期试验；1934- 1964 年间，卡皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中 的耐久性进行了试验研究，并提供了许多有关混凝土结构在自然条件 下使用情况的可靠数据以及有关水泥种类、混凝土配合比和某些生产 因素对混凝土结构抗腐蚀性影响方面的见解。从上世纪 60 年代开始， 混凝土结构的耐久性问题已成为国际学术机构或国际学术会议讨论的 重要课题之一，如国际材料与结构研究所联合会 (RILEM) 于 1961 和 1969 年召开了国际混凝土结构耐久性学术会议。近 20 年人们对混凝土 结构耐久性的研究已进入了一个崭新的阶段：1987 年日本土木工程师 协会混凝土结构委员会提出了一个混凝土结构耐久性的实用设计方 案，1989 年欧洲混凝土结构委员会发表了“耐久性混凝土结构设计指 南。有关耐久性的国际会议越来越频繁：1974- 1989 年，每隔两年召开 的一次碱与骨料反应国际学术会议，参加人员越来越广泛，混凝土结构 耐久性变成热门课题；1987 年国际桥梁与结构工程协会在巴黎举行的 “混凝土结构的未来”讨论会上，把耐久性放在一个非常突出的位置； 1989 年葡萄牙和美国都举行了大规模的有关结构耐久性国际学术会 议；1991 年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学 术会议；1993 年 2 月 IABSE 在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际
我国混凝土结构耐久性问题，从 20 世纪 60 年代开始，当时主要的 研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。80 年代初，我国对混凝土结构 的耐久性进行了广泛而深入的研究，取得了不少成果。中国土木工程学 会于 1982 年、1983 年连续两次召开了全国混凝土结构耐久性学术会 议，为随后混凝土结构规范的科学修订奠定了基础，推动了耐久性研究 工作的进一步发展。1991 年在天津成立了全国混凝土耐久性学组，它的 诞生将使我国混凝土结构耐久性研究朝系统化、规范化的方向迈进了 一步。2000 年 5 月在杭州举行的土木工程学会第九届年会学术讨论会， 混凝土结构耐久性是大会的主题之一，会议认为必须重视工程结构耐 久性研究。2001 年 11 月国内众多相关专家学者在北京的工程科技论坛 上，就土建工程的安全性与耐久性问题进行了热烈的讨论，混凝土结构 耐久性问题得到了前所未有的重视。各高校已陆续有从事混凝土结构 耐久性研究的博、硕研究生毕业。混凝土结构的耐久性问题越来越受到 国内土木工程界的关注；建设部把“混凝土结构耐久性及耐久性设计” 作为“八五”科技攻关项目，由清华大学、中国建筑科学研究院等单位承 担。此外，清华大学、同济大学等高校和一些研究单位联合承担的“重大 土木及水利工程可靠性与耐久性的基础研究”是“国家攀登计划与技术 科学重大基础件研究”(攀登 B)中唯一的土木工程科研项目。
"（$1）原材料品质 （$ $2）施工质量
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$ $结构初始质量
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#（3）混凝土结构强度
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（$ $4）保护层厚度 %（$5）防腐处理
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环境中氯离子浓度
外部因素 #2.化学
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环境中 CO2 等酸性气体含量
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$ $3.生物
生物的生长
$ 生物的腐烂
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"$社会因素
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3.影 $ $
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（$ $1）荷载
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恒荷载 可变荷载
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$ （$2）机械磨损
"$结构设计方法 $ $结构构造措施
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$ $1.物理
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# （3）雨水冲刷
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（$ $4）温度
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温度应力 冻融循环
% （$ $5）湿度
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! 内部因素 #
4.高性能混凝土定义 解决以上问题的办法之一是发展高性能混凝土。高性能混凝土是
基金项目：本文系住宅建筑综合防灾标准研究（2008BAJ08B14），城市地震灾害应急救援技术（重科 2007- 014）。 作者简介：王淮峰（1986- ），男，研究生，主要研究方向：防灾减灾及防护工程。
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科技信息
使用不当
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$ $4.其它
#人为因素
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管理不善
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意外事故
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%$土体变形
影响混凝土结构耐久性的因素有混凝土结构的内在因素和外部环
境因素两个方面。内在因素主要为混凝土结构保护层厚度、水灰比和密 实度、水泥品种、标号和用量、外加剂类型、结构或构件的构造、混凝土 和钢筋的应力大小、裂缝等，这些因素影响混凝土结构的碳化速度、结 构或构件的裂缝形式和发展，有些因素与减骨料反应有关。外部环境因 素主要为气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质(酸、酸盐、海水、碱类 等)侵蚀，还有冻融、磨损破坏等。环境不同影响的程度也不同；环境因 素也是通过混凝土结构的内在因素起作用的。可将影响混凝土结构耐 久性的因素用图直观地表示出来（如上图）。
博士·专家论坛
指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成 的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。具体是： (1)拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析，便于浇筑密实；(2)在凝结硬化 过程中和硬化后的体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小；(3)有 很高的抗渗性。其中高工作性是高性能混凝土必须具备的首要条件，即 高流动性、高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性； 并同时具备低成本的技术经济合理性。高性能混凝土具有很丰富的技 术内容，其核心是保证耐久性。
5.高性能混凝土的耐久性技术分析 (1)大大提高混凝土的抗渗透性 影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎都与水有密切的关系，因 此，混凝土的抗渗透性被认为是评价混凝土的耐久性的重要指标。侵蚀 性离子在混凝土中的传输严重影响着混凝土的耐久性，最典型的为氯 离子，其在钢筋和混凝土界面的富集会导致钢筋腐蚀，因而侵蚀性氯离 子的扩散系数是用来评价高性能混凝土渗透性以至耐久性的重要参数 之一。通过试验和分析可确认，高性能混凝土中掺加膨胀剂、硅灰、粉煤 灰、磨细矿渣等掺合料均可以降低其氯离子扩散性能，其降低效果依次 为：硅灰 > 膨胀剂 > 磨细矿渣 > 粉煤灰；在高性能混凝土中复掺膨胀剂 和粉煤灰或膨胀剂和磨细矿渣可以比单掺二者之一能进一步降低高性 能混凝土的氯离子扩散性能，其降低效果甚至优于单掺硅灰。复掺膨胀 剂和粉煤灰或膨胀剂和磨细矿渣的 C40 混凝土的氯离子扩散系数低于 空白 C60 混凝土以及单掺膨胀剂、粉煤灰或磨细矿渣的 C60 混凝土。由 此认为，高强度的混凝土抗渗透性未必就绝对高，矿物细掺料的掺入可 提高混凝土的抗渗透性，膨胀剂与矿物细掺料的复合使用可大大提高 混凝土的抗渗透性。复掺膨胀剂和细掺料混凝土具有高抗渗性的机理 是复掺后混凝土内部水化产物及结构得到进一步优化，混凝土微观结 构致密，内部微观缺陷减少，混凝土膨胀与强度协调发展。 (2)增强薄弱的浆体—— —骨料界面过渡区的密实度 从复合材料的观点，普通素混凝土可被视为三相材料，即含有水泥 浆体、骨料、浆体与骨料之间的界面过渡区这三相。从 SEM 微观图像分 析可得到，浆体与骨料之间的界面过渡区，孔隙率随着离骨料表面的距 离增大而降低，由于内泌水和影响水泥颗粒有效堆积的“墙壁”效应，新 拌混凝土的骨料周围填充了水分，致使该界面区成为薄弱界面区。硅灰 的掺加显著改善了界面过渡区的微结构，因为它能减少内泌水、密实堆 积在骨料表面而消除“墙壁”效应，并提供核化点防止氢氧化钙大晶体 的定向生长。与不掺硅灰的混凝土相比，界面区晶体量和孔隙率均减 少，孔隙率梯度几乎消失。界面过渡区的氢氧化钙晶体、钙钒石和孔隙 数量减少，结构主要组成是密实的 C- S- H 凝胶，界面过渡区结构和基 体的密实度相同。界面过渡区厚度也变小。 (3)大大降低了混凝土的水化放热 高性能混凝土由于胶凝材料用量较高，当用于制备大体积混凝土 时，其水化热问题尤为突出，所以研究高性能混凝土用复合胶凝材料的 水化热十分重要。高性能混凝土胶凝材料中随不同品种辅助胶凝材料 的掺入，其相应的水化绝对温升均明显下降，温峰出现时间均延长；当 采用双掺替代时，水化绝对温升进一步下降，温峰出现时间进一步延 长。单掺时各种辅助胶凝材料水化绝对温升顺序由大到小为：空白 >FA2(高钙粉煤灰)>FA1(低钙粉煤灰)>BFS(磨细矿渣)>CSA(无水硫铝酸 钙膨胀剂)；温峰出现时间顺序由短到长为：空白 <CSA<BFS<FA1<FA2。 双掺时各种辅助胶凝材料组合水化绝对温升由大到小为：空白 >CSA+FA2>CSA+BFS>CSA+FA1；温峰出现时间顺序由短到长为：空白 <CSA+FA1< CSA+BFS<CSA+FA2。高性能混凝土水化热发展规律，纯 42.5 硅酸盐水泥从水化开始(0.5d)到水化 7d 时其水化热值始终保持最 高。单掺 CSA，BFS，FA1，FA2 等膨胀剂或细掺料后，各龄期水化热绝对 值均有一定程度下降，但水化热放热速率变化则不尽相同。例如，加 CSA 后，水化放热速率加快，各龄期水化热占 7d 龄期的水化热比例较 纯水泥对应比值均有所提高。相反地，加 BFS，FA1，FA2 后早期水化放 热速率减慢，表现为在水化 0.5d 和 1d 时水化热占 7d 龄期水化热的比 例较纯水泥浆对应比值有所下降，但 2d 后赶上或超过。双掺 CSA+BFS， CSA+FA1，CSA+FA2 后，各龄期水化热绝对值均有所下降，且早期(水化 1d 前)下降幅度大，后期下降幅度较小。0.5d 时各种双掺试样水化热小 于对应单掺试样的水化热，7d 龄期时各双掺试样水化热大于对应单掺 试样的水化热。试验数据表明，低钙粉煤灰较磨细矿渣具有更好的降低 水化热的效果，而高钙粉煤灰由于具有较高活性，较磨细矿渣的水化热 要高；这个规律在 CSA 存在时及 CSA 与细掺料复掺情况下仍然成立。 双掺膨胀剂与细掺料不仅能降低体系总的水化热，特别是可以较大幅 度地降低体系的早期水化热，降低了混凝土的温升和内外温差，同时在 混凝土内部形成的膨胀应力又可以在一定程度上补偿混凝土的冷缩， 从而形成“抗放兼施”的对于大体积混凝土的裂缝控制措施，这对早期