高性能混凝土的耐久性技术分析与发展趋势

高性能混凝土的耐久性技术分析与发展趋势

摘要:介绍了混凝土耐久性破坏的主要因素以及提高其耐久性的途径,从氯离子的扩散性、胶凝材料与集料的界面结构、胶凝材料的水化热及矿物细掺料协调混凝土的膨胀与强度的发展等方面对高性能混凝土的耐久性进行了分析,以推广高性能混凝土的应用。

关键词:高性能混凝土,耐久性,膨胀剂,矿物细掺料

高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代化混凝土技术制作的混凝土,它以耐久性作为设计的主要指标,是一种高耐久性混凝土。各国对高强混凝土与普通混凝土的划分不尽相同。从我国目前的设计施工水平出发,强度等级达到或超过C50的混凝土被定为高强混凝土。高性能混凝土伴随着高强混凝土而问世,各国对高性能混凝土的要求不完全一样,但新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的强度和耐久性,是高性能混凝土的基本要素。高性能混凝土不仅满足工业化预拌生产和机械化泵送施工的要求,具有足够的强度,而且是一种耐久性优异的混凝土。但是,随着混凝土强度的提高,混凝土的变形能力明显下降,延性变差。实验研究与工程应用表明,采用钢纤维混凝土、钢骨混凝土、钢管混凝土可以有效地增大高强混凝土的延性,大大减小构件截面尺寸,在不同的领域发挥各自独特的优势。

1混凝土耐久性破坏的主要因素

混凝土耐久性主要是指混凝土建筑物在使用期间抵抗环境介质的侵蚀而导致混凝土结构丧失安全使用功能的能力。由于环境介质的不同遭破坏的主要因素有:碳化作用、钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、冻融循环、延迟钙矾石形成、火灾等。事实上混凝土结构物的破坏往往不是单一因素造成的,而常常是多种因素复合作用的结果。因此,混凝土耐久性问题应根据其环境与条件综合分析、预防、处理。

2提高混凝土耐久性的主要途径

提高混凝土耐久性的主要途径有两个方面:1)提高混凝土抵抗侵蚀性介质进入其内部的能力即低渗透性;2)提高混凝土结构内部主要组分在侵蚀介质作用下的稳定性即尺寸稳定性。几乎所有耐久性问题最终均可归结为混凝土材料的渗透性和尺寸稳定性。3高性能混凝土的耐久性技术分析

3.1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。

3.2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。

3.3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+FA2>CSA+BFS>CSA+FA1 ;温峰出现时间顺序由短到长为:空白

4高性能混凝土的发展趋势

4.1HPC向GHPC的转化

粉煤灰混凝土是一种高性能混凝土,由于其环保效应,又称为绿色高性能混凝土(GHPC).粉煤灰

具有三项比较公认的基本效应,即形态效应、活性效应和微集料效应,它使粉煤灰混凝土与基准混凝土

(即强度等级相同的普通混凝土)相比,其性能从拌制、施工到硬化整个过程都发生了很大变化,其优异

的性能使粉煤灰混凝土成为优质高性能混凝土:大大提高新拌混凝土的工作性能,即流动性、粘聚性和保水性;明显降低混凝土硬化阶段的水化热;提高混凝土强度,特别是后期强度.而且,GHPC的更多节

约熟料水泥,减少环境污染,使得发展绿色混凝土成为发展趋势.

4.2向超高性能混凝土发展

目前已出现超高性能混凝土(UItra High Performance concrete UHPC),如活性混凝土(Reactive Powder concrete, RPC).其特点是高强度(现在RPC强度已达200 MPa至300 MPa)、高密实性,以大量

纤维增强来克服混凝土材料的脆性.这种UHPC混凝土造价高,首先用于一些特殊工程,如军事工程、

核电站中.加拿大已将RPC-200用在了一座桥上,法国准备在一个核废料罐中研究应用RPC.

4.3智能混凝土