高性能混凝土耐久性-碳化

高性能混凝土耐久性-----纤维混凝土碳化1、混凝土结构耐久性概述
1.1、混凝土结构耐久性定义
随着社会的进步、经济的发展以及人们生产生活需求的不断提高，各类基础设施和民用设施的建设方兴未艾。

人们在享受这些设施给生产和生活带来的各种便利的同时，也被这些建筑物在使用过程中出现的一些问题所困扰。

由于这些建筑物大多数为钢筋混凝土结构，使用一段时间后，便出现了不同程度的老化现象，诸如混凝土碳化、钢筋锈蚀等。

这些于老化而产生的结构损伤轻者会引起使用者心理上的不适，重者会导致结构破坏，危及人民生命和财产的安全。

此外一些建筑物由于老化现象严重，虽然其使用时间还未超过设计基准期，但是却不能再继续使用，造成了经济损失和资源浪费。

因此，如今的钢筋混凝土结构的设计除了要考虑传统的强度、刚度等力学指标之外，还要从避免结构由于耐久性不足而过早出现老化现象的角度进行耐久性设计。

所谓混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力。

1.2、混凝土工程耐久性不足的后果
混凝土工程因其工程量浩大，将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。

据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。

美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3，000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修。

美国对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30-50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%-50%以上。

中国50-60年代所建设的混凝土工程已使用40余年，如果我国混凝土工程的平均寿命按30-50年计，在今后的10-30年内，为了维修建国以来所建基础设施的费用，将是极其巨大的。

目前，我国的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿元人民币以上，约30-50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费或重建费将更为巨大。

作为21世纪的高性能混凝土，更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。

2、各国关于耐久性的研究动态
混凝土结构耐久性问题的日益突出，引起了世界各国学术机构、学者和工程技术人员对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视，表现在各种结构耐久性学术机构的不断成立和频繁的学术活动、大量的与结构耐久性有关的出版物以及大规模的科学研究方面。

1982年，国际材料与结构实验室联合会(RILEM)和国际建筑研究文献协会(CIB)联合组成了建筑材料及构件使用寿命预测委员CIB W80/RILEM71-PSL，共同研究结构的寿命预测问题，1987年又成立了一个新的委员会
CIBW80/RILEM100-TSL,以进一步推进委员会的工作和贯彻已取得的成果。

美国
混凝土学会1957年成立了委员会ACI201，负责并指导混凝土耐久性方面的研究，991年ACI委员会提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告，制定了检测试验的详细方法和步骤。

此后美国联邦公路管理局也制定计划，研究了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。

日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究，并于1985年提交了研究成果概要报告，1986年日本颁布了《考虑耐久性的建筑物设计、施工和维修规程》，该规程以建筑物的一生管理为基础，强调建筑物的全过程管理，重视预防性维修，延长建筑物用寿命，随后又编制了《混凝土耐久性鉴定规程》等一系列的耐久性设计、鉴定规程和方法。

日本建筑学会(AIJ)1988年推出了《建筑物使用指南》，1992年又推出《建筑物现状调查、诊断、维修指南》。

同年，欧洲混凝土委员会颁布了《耐久性混凝土结构设计指南》，反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。

我国的混凝土耐久性研究也已进入了有组织的工作阶段。

1990年4月，建设部组织成立了全国建筑物鉴定与加固委员会，至今已召开了三届学术交流会；1991年12月我国制定了全国钢筋混凝土结构耐久性设计规程，1992年11月，中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会在济南成立。

鉴于钢筋混凝土结构耐久性研究的重要意义，国内外有关机构都专门组织人力、物力对钢筋混凝土结构的耐久性进行大规模的工程调查和试验、理论研究。

1990年，英国水泥协会对英国400多个结构的碳化情况进行了现场实测，得出了一些非常有价值的结果。

1993年-1995年间，台湾海洋大学对海洋环境中钢筋混凝土结构的耐久性进行了系统研究，研究分为3个阶段：第一阶段探讨海洋环境因素和材料因素对钢材的腐蚀作用；第二阶段研究腐蚀对构件力学行为的影响；第三阶段综合第一、第二阶段的研究成果，提出修订桥梁设计规范或施工准则的建议圈。

我国在编制《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)的过程中，规范组成员曾在混凝土耐久性方面做了许多工作，而10余年后在对《混凝土结构设计规范》GBJ10-89)的修订过程中，又将混凝土结构耐久性的可靠度设计方法及措施作为一个专题研究。

国家和省部级的研究基金曾支持过多项有关耐久性的研究课题。

建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。

按现行规范设计的结构其耐久性是无法确定的。

混凝土结构耐久性设计规范(讨论稿)也即将出版，这将为我国混凝土结构耐久性设计提供依据，进一步把对混凝土结构耐久性的研究应用于生产实践。

有关混凝土结构耐久性的国际会议也已召开多次，反映了各国研究的最新成果。

1987年，国际桥梁与结构学会(IABSE)在巴黎召开“混凝土的未来”国际会议；1988年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议；1989年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议；1991年美国和加拿大联合举办了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议；1993年IABSE在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议；由RILEM等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议，自1976年以来，每三年举行一次。

综观整个土木工程界，越来越多的人把研究的重点转向结构耐久性这一课题，这一课题本身广泛的实际意义使得它已成为土木工程领域的一个研究热点。

由此看来，混凝土耐久性已成为国际工程界普遍关注的重大课题。

随着科术的发展和人类文明的进步，人类生产活动涉及的范围越来越广，各种在严酷环境下使用的混凝土工程，如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝等不断增多，这些工程关系国计民生，必须实现百年大计甚至千年大计，这就更加要求混凝土具
有优异的耐久性即足够长的使用寿命。

为此，人们对混凝土耐久性的追求已越来越主动和自觉，甚至超过了过去对混凝土强度的追求，于是以高耐久性为核心内容的高性能混凝土(High Performance concrete，简称HPC)便应运而生了。

3、影响混凝土结构耐久性的因素
混凝土结构耐久性是指一个构件、一个结构系统、一幢建筑物或一座构筑物在一定时期内维持其安全性、适用性的能力。

也就是说，耐久性能良好的结构，在其使用期限内，应当能够承受所有可能的荷载和环境作用，而且不会发生过度的腐蚀、损伤或破坏。

因此可知，混凝土结构的耐久性是由混凝土、钢筋材料本身特性和所处使用环境的侵蚀性两方面因素共同决定的。

图1-1给出影响混凝土结构耐久性的原因、内在条件、影响的范围及其后果。

对混凝土耐久性造成潜在损害的原因是多方面的。

4、混凝土结构耐久性研究的内容
混凝土结构耐久性研究应考虑环境、材料和结构等方面的因素，这些因素可分为环境、材料、构件和结构四个层次，相对而言材料和构件的研究较为深入。

图1-2更直观地说明了混凝土结构耐久性这一课题所收集的研究内容。

5、本论文主要研究的内容
目前时常发生的混凝土构筑物结构失效、塌崩事故,大都是混凝土耐久性不足引起,给世界各国带来了惊人的损失,由此引发混凝土科学界和工程界对混凝土耐久性的关注。

世界各国也都投入大量人力、物力和财力进行研究,以期不断提高混凝土结构的耐久性,延长混凝土工程的使用寿命,确保混凝土结构在设计使用年限内的良好服务性和安全性。

混凝土结构设计的基本原则已从安全性、经济性发展为安全性、经济性和耐久性并重,随着对混凝土耐久性认识和研究的不断深入,如何提高混凝土耐久性,已成为近年来混凝土技术发展的首要课题。

近些年来，混凝土的应用越来越广泛，混凝土的强度不断提高，工程上根据设计年限及所处环境要求等特点的需要，在提出高强度的同时，特提出耐久性的要求。

对高性能混凝土的定义，国际上迄今为止尚没有一个统一的理解，各个国家不同人群有不同的理解。

大多数承认单纯高强不一定耐久，而提出“高性能”则希望能既高强又耐久。

一直到1999年2月的“concrete international”发表布了由美国ACI的技术活动委员会提出的作为ACI对高性能混凝土的定义：“高性能混凝提是符合特殊性能组合和均质性要求的混凝土，采用传统的原材料和一般的拌合、浇筑与养护方法，未必总能产生出这种混凝土。

”在此定义下面的注释为：“高性能混凝土时某种特性适合于特殊工程应用和环境的一种混凝土。

对于一定的工程应用可考虑的特性实例为：易于浇筑，振捣不离析，早强，长期力学性能，抗渗性，密实性，水化温升，韧性，体积稳定性，严酷环境下的较长寿命”。

并指出，由于高性能混凝土许多特性是相关的，改变其中之一，通常造成其他一个或多个特性的改变；因此，对预定的工程，配制混凝土中必须要考虑的一些特性，必须在合同中逐条明确规定。

1999年ACI的定义是1990年讨论会定义发展，强调混凝土的工程针对性以及均质性。

定义中没有提到如何达到高性能混凝土，因为有许多途径达到定义中的最终目的。

通过对董淑慧,葛勇,袁杰,张宝生的论文中试验结果表明,陶粒含水率对混凝土收缩的影响十分明显,通过提高陶粒含水率可以显著降低轻骨料混凝土的收缩率。

在使用过程中,混凝土水化以及表面水分的蒸发,使得混凝土内部湿度不断降低并产生湿度梯度,陶粒中的孔尺寸远大于水泥基体中水化所形成的毛细孔尺寸,从而水泥浆体中毛细孔张力远大于陶粒表面的毛细孔张力。

随着水泥浆体的逐渐硬化,水泥石毛细孔中的相对湿度逐渐低于陶粒内,陶粒中的水分将向水泥石
中迁移,陶粒含水率越高,可供迁移的水分越多对浆体收缩的补偿作用越大,混凝土的收缩值也就越小。

且陶粒内的水分在混凝土中的释放是一个长期的过程,随着龄期的延长,轻骨料混凝土中仍有可供蒸发的自由水存在,收缩仍在持续增长,而普通骨料混凝土的收缩趋于平缓。

因此用部分陶粒代替石子的混合骨料混凝土,早龄期预湿轻骨料的蓄水作用占主导地位,随着龄期的延长,石子对浆体收缩的抑制起主要作用.
(1)轻骨料含水率对混凝土收缩的影响十分明显,含水率大于12.45%时,轻骨料混凝土的早期收缩率低于同条件的普通混凝土。

因此,通过预湿处理提高轻骨料含水率可以显著降低混凝土的早期收缩;
(2)采用高吸水率陶粒配制的轻骨料混凝土的早期收缩较小,可大大降低混凝土早期开裂的可能性,因此,在配制高性能轻骨料混凝土时,应该正确对待高吸水率陶粒的优缺点,充分发挥轻骨料吸水返水特性;
由于上述解释，本实验采取用少量轻骨料代替沙石，通过预湿处理提高轻骨料含水率可以显著降低混凝土的收缩变形。

高性能聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土不同，其重要特征是具有高耐久性。

设计时首先要保证其耐久性。

耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性、抗碳化性、抗大气作用性、耐磨性、碱一骨料反应、抗干燥收缩的体积稳定性等。

在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以显著增强混凝土的耐久性能。

本文通过查阅文献资料，本文首先从高性能混凝土的碳化试验及抵抗钢筋锈蚀试验并参考目前己有的研究成果等进行探讨，通过对高性能混凝土的耐久性试验，分析影响耐久性的机理原因以及提高耐久性的措施。

然后从高性能混凝土的组成材料入手，通过高性能混凝土与普通混凝土基本性能上的差异比较，分析了原材料的选择对高性能混凝土耐久性能的影响。

同时从设计和施工养护等方面，进一步探讨了高性能混凝土作为新型的优质材料提高其耐久性的必要性和有效措施。

最后本文结合国内外高性能混凝土耐久性研究的现状，在近年来基于高性能混凝土碳化的实用模型，分析了将碳化的预测模型作为评定高性能混凝土耐久性的综合指标的可行性和必要性。

混凝土碳化
1.混凝土碳化机理
混凝土的碳化是指空气、土壤等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土中的pH值下降的过程，其中，由大气环境中的CO2引起的中性化的过程。

碳化将使混凝土的内部组成及组织发生变化，直接影响混凝土结构物的性质及耐久性。

普通硅酸盐混凝土中水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙及石膏等，其水化产物为氢氧化钙(约占25%)、水化硅酸
钙(约占60%)、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等，充分水化后，混凝土孔隙水为
氢氧化钙饱和液，其PH值约为12一13，呈强碱性。

在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等多种原因，在混凝土内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡等，大气中的二氧化碳通过这些孔隙向混凝土内部扩散，并溶解于孔隙内的液相，在孔隙溶液中与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生碳化反应，生成碳酸钙。

混凝土碳化主要反应式：
上述混凝土碳化过程的物理模型见图2-1
碳化反应的结果，一方面，生成的CaCO3和其他固态物质堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续的CO2扩散，并使混凝土的密实度提高；另一方面，孔隙水中Ca(OH)2浓度及pH值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。

影响混凝土碳化的因素
从碳化机理可知，影响碳化的最主要因素，是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小，即混凝土的渗透性及其Ca(OH)2碱性物质含量的大小。

但是，
影响混凝土密实性和碱性储备的因素十分复杂，归纳起来，影响混凝土碳化的因素可分为:材料因素、环境条件因素和其他因素等三大类。

1）材料因素
（1）水灰比
水灰比W/C是决定混凝土孔结构与孔隙率的主要因素，其中游离水的多少还关系着孔隙饱和度（孔隙水体积与孔隙总体积之比）的大小，因此，水灰比是决定CO2有效扩散系数及混凝土碳化速度的主要因素之一。

（2）水泥品种与用量
水泥品种决定着各种矿物成分在水泥的含量，水泥用量决定着单位体积
混凝土中水泥熟料的多少，两者是决定水泥水化单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要材料因素，因而也是影响混凝土碳化速度的主要因素之一。

因此,水泥用量越大,混凝土强度越高,其碳化速度越慢。

(3) 骨料品种及级配的影响
骨料的品种和颗粒级配影响混凝土的密实度,从而影响到碳化速度。

粗骨料粒越大,越容易造成离析、泌水,影响稳定性,增加了透气性,降低密实度。

而轻骨料本身气泡多,透气性大。

所以骨料的品种及颗粒级配能影响混凝土的碳化速度。

(4) 外加掺合料对碳化的影响
(5) 混凝土强度的影响
混凝土强度能反映其孔隙率、密实度的大小，因此混凝土强度能宏观地反映其抗碳化性能。

混凝土强度高,抗碳化能力强
2) 环境条件因素
(1) 环境相对湿度的影响
环境相对湿度通过温湿平衡决定着孔隙水饱和度，一方面影响着CO:的扩散速度，另一方面，由于混凝土碳化的化学反应均需在溶液中或固液界面上进行，相对湿度也是决定碳化反应快慢的主要环境因素之一。

(2) CO2浓度的影响
环境中CO:浓度越大，CO:越易扩散进入孔隙，同时也使化学反应速度加快。

因此，C02浓度是决定碳化速度的主要环境因素之一。

(3) 环境温度的影响
3）其他因素
（1）不同应力状态对混凝土碳化的影响。

混凝土施加应力之后对内部的微细裂缝起到了抑制或扩散作用。

微细裂缝的存在使CO
容易渗透,引起碳化速度加快,但施加了压应力之后,使混凝土的大量
2
的渗透速度减慢,从而减弱了混凝土的碳化速度。

微细裂缝闭合或宽度减小, CO
2
当然,混凝土中的压应力过大时,也可使是混凝土产生微观裂缝,加速碳化过程;相反,施加拉应力后,混凝土的微裂缝扩展,加快了混凝土的碳化速度。

另外,碳化速度随时间的增长也越来越慢。

（2）裂缝对混凝土碳化的影响。

混凝土的碳化破坏过程,多是由于各种有害物质从外部向内部的渗透或迁移作用。

因而混凝土结构的抗渗性是反应其耐久性的一个综合性指标。

裂缝的存在将直接影响到混凝土的渗透性与耐久性,并且由于碳化能够通过裂缝较快的渗入到混凝土内部,因而裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处。

高性能混凝土碳化研究（纤维混凝土）
为了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点，在混凝土中掺加纤维以改善混凝土性能的研究发展得相当迅速，其中发展较快、应用较广的是纤维混凝土（掺入高弹模的钢纤维和低弹模的聚丙烯纤维）。

通过大量的检索，发现对纤维混凝土耐久性方面的研究较少，碳化后纤维混凝土力学性能方面在国内尚属白。

本章采用实验室快速试验方法，对碳化后和未碳化纤维混凝土试件的基本力学性能进行了测试和研究。

高性能（纤维）混凝土碳化试验
材料与试验方案
（1）水泥：
水泥品种和成分对高性能混凝土有很大影响，选择强度等级为42.5P.O水泥，其强度富余系数高，对外加剂有较好的适应性。

42.5级普通硅酸盐水泥物理力学性能
标准稠度（%）凝结时间（min）抗折强度（MPa）抗压强度（Mpa）初凝终凝3d 28d 3d 28d
（2）粗骨料：
采用连续级配5mm－25mm的碎石，粗骨料中针片状颗粒所占比例不超过5％，含泥量≤1.0％。

建筑用卵石、碎石应满足国家标准GB/T 14685－2001《建筑用卵石、碎石》的技术要求。

（3）砂：
采用轻质河砂，细度模数在2.3-3.0之间，含泥量应该≤2.0％，泥块含量≤0.5％，砂的使用应符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。

（4）掺合料：
优质的掺合料是配置高性能混凝土的重要组成部分，由于掺合料的微观填充效应、形态效应和火山灰效应，既改善了混凝土的流动性，又提高了强度和耐久性。

本实验中采用一级粉煤灰。

（5）高效减水剂：
优质的掺合料是配置高性能混凝土的重要组成部分，由于掺合料的微观填充效应、形态效应和火山灰效应，既改善了混凝土的流动性，又提高了强度和耐久性。

本实验中采用一级粉煤灰。

（6）钢纤维及聚丙烯纤维：
一般来说，聚丙烯纤维弹模小于基体弹模；钢纤维的弹模高于基体的弹性模量，在混凝土的不同时期对其开裂有不同的阻止作用。

一般来说，钢纤维的掺量在2%以下，超过2%时就会大量结团，从而使增强作用大大减弱，有实验研究当钢纤维体积率 1.5%左右时，纤维的分散度最大，而混凝土的弯拉强度是随分散度的增大而增大的。

对于混凝土这种非理想脆性材料，可掺入钢纤维以提高其抗弯强度、提高弯曲韧性。

钢纤维对混凝土增韧、增强与阻裂效应的提高主要与纤维的形状、体积率长径比、纤维与水泥基界面的粘结、基体强度等因素有关。

当纤维掺量较小时，纤维的增强效果未充分发挥，对混凝土各项性能改善不大；而当纤维掺量较大时，钢纤维在混凝土中分散不好，同时又会造成混凝土成型困难，并由于成型困难难以密实而引入新的缺陷，对混凝土的强度不利。

此外纤维长径比对纤维的破坏形式也起着很重要的作用。

所以选用黑剪切型钢纤维，体积率分别为0.5%、1%、1.5%、2.0%。

聚丙烯纤维能有效提高混凝土、砂浆的抗裂、防渗性能，极大地减少和抑制因高温、干燥、寒冷、潮湿等恶劣环境而引起的混凝土、砂浆塑性收缩裂缝，提高混凝土抗渗、抗冲击、抗爆、耐火的能力。

聚丙烯纤维比重轻、抗拉强度高、耐腐蚀性好、熔点高，弹性模量低，与水泥硬化体粘结性能要比钢纤维差得多等缺点。

本实验试验采用聚丙烯纤维掺量（0、0.6、0.9、1.2 kg/m3）本实验中混凝土中掺入聚丙烯纤维,由于混凝土的密实性增强和气体渗透的
孔径减小,有效地限制了裂缝的开展和CO2渗入通道的形成,对混凝土碳化作用产生了有效的控制。

究其原因在于混凝土中掺加纤维使混凝土各相间的裂缝宽
度和长度减少,气体的扩散与渗透能力下降,减少了CO2通过扩散而传至混凝土内部与水泥产物进行中性化反应的程度。

钢纤维的物理性能
长度（mm ） 直径(mm) 抗拉强度（Mpa ）
产地 形状
聚丙烯纤维的物理性能
混凝土的配合比
实验方案
碳化试验制采用100mm ×100mm ×100mm 的混凝土试件和100mm ×
100mm ×400mm 的(纤维)混凝土试件。

其中，100m ×100mm ×100mm 的(纤维)混凝土试件用于检测混凝土的碳化深度、测试混凝土的抗压强度和混凝土的劈 拉强度，100mm ×100mm ×400mm 的(纤维)混凝土试件用于测试混凝土的抗折强度。

纤维混凝土试件的制作按照《钢纤维混凝土试验方法》(cEcs13:89)进行。

搅拌钢纤维混凝土时，采用强制式搅拌机拌和。

为了保证钢纤维拌和均匀，先拌和除钢纤维以外的其他材料，再将钢纤维均匀撒入，全部投入后再搅拌2分钟左右。

搅拌过程中，人工用钢棒辅助搅拌，以避免出现钢纤维结团现象。

当钢纤维混凝土的量比较少时，采用人工拌和:将水泥和细集料(砂)拌和均匀，粗骨料(碎石)和钢纤维拌和均匀;再将拌和均匀的钢纤维与粗骨料混和料与水泥和细骨料的混和料拌和，最后加水拌和至均匀。

浇筑试件时，在振动台上振动至试件表面不再有 强度等级 钢纤维体积率 聚丙烯纤维体积率
水灰
比
水泥 砂 碎石 水 减水剂 变化 变化
变化。