（道路与铁道工程专业论文）高寒地区混凝土抗冻性试验研究.pdf

摘要 本文以西藏交通科技攻关项目西藏高寒地区提高桥梁结构混凝土耐久性关 键技术研究为课题背景。西藏地区具有气候干燥、常年积雪、昼夜温差与季节 温差大等气候特点。且混凝土结构物处在盐渍地区域，与水接触的结构物将遭受 更为严重的冻融破坏，有必要提高其抗冻性能。本文主要研究满足高抗冻要求的 混凝土( c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 ) 制备技术。主要进行了以下工作： 在分析大量文献资料的基础上，通过掺加矿物掺合料、减水剂、引气剂配 制c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 混凝土。研究不同掺合料及掺量对c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 混凝土力学 性能的影响，获得不同掺合料在不同等级混凝土中的合理掺量，同时为抗冻性能 的研究提供合适掺量；在优选出合适掺量后，研究不同复掺方式、含气量对c 3 0 、 c 4 0 、c 5 0 混凝土抗冻性能及抗氯离子渗透性能的影响，提出不同等级抗冻混凝土 的合适含气量；综合力学性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能，提出各项性能优 良的高寒地区混凝土配合比。 通过对c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 混凝土力学性能试验研究，发现不同强度等级的混 凝土掺合料的掺量是不一样的；c 3 0 混凝土掺合料的掺量宜为：硅灰6 ，矿渣1 0 ， 粉煤灰1 0 ；c 4 0 混凝土掺合料的掺量宜为：硅灰6 ，矿渣2 0 ，粉煤灰1 0 ；c 5 0 混凝土掺合料的掺量宜为：硅灰6 ，矿渣2 0 ，粉煤灰2 0 。 通过对掺引气剂的不同强度等级混凝土性能试验，得出含气量对混凝土的 力学性能有较大影响；含气量3 5 5 时，引入1 的含气量混凝土强度大致下降 3 4 。当含气量超过5 后每引入l 的含气量混凝土强度大致下降7 8 。 大量的抗冻性试验结果表明，随着含气量的增加，混凝土的抗冻性能先增 加后降低，且在含气量相近时双掺优于单掺。 通过研究含气量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，发现随着含气量的不 断增加各强度等级混凝土抗氯离子渗透性能先增加后降低，且双掺混凝土能够显 著提高混凝土的抗氯离子渗透性能。 不同强度等级混凝土在双掺6 硅灰与1 0 矿渣，以及在适量引气情况下冻 融循环次数均能达到3 0 0 次以上。综合考虑含气量对混凝土力学性能、抗冻性能 和抗氯离子渗透性能的影响，建议：高寒地区c 3 0 混凝土含气量宜控制在3 5 5 ，c 4 0 混凝土含气量宜控制在5 左右，c 5 0 混凝土含气量宜控制在5 7 。耐 久性系数与强度下降率之间相关系数达到o 9 。 关键词：混凝土；双掺；含气量；力学性能；抗冻性能：抗氯离子渗透性能 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e du p o nt h et r a f f i cs u b j e c t - k e yt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ht o i m p r o v et h ed u r a b i l i t y o fb r i d g es t r u c t u r ec o n c r e t e t h ec l i m a t ei nt i b e ti sd r y , y e a r - r o u n ds n o w , b i gt e m p e r a t ed i f f e r e n c eb e t w e e nd a ya n dn i g h ta sw e l la ss e a s o n s a n di t sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ef r o s tr e s i s t a n c e ，b e c a u s ec o n c r e t es 仃u c t 瑚a 1o b j e c ti s l o c a t e di ns a l i n i z e da r e a , w h a t sm o r et h ep a r ta t t a c h e dw i t hw a t e rw i l lb ef r e e z i n ga n d t h a w i n gm o r es e r i o u s l y t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e se n g i n e e r i n gc o n c e r n i n gw i m c o n c r e t e ( c 3 0 ，c 4 0 ，c 5 0 ) m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fh i g hf r o s tr e s i s t a n c e t h em a i n w o r k sa sf o l l o w ： ( ! ) a f t e ra n a l y z i n ga m o u n to fd o c u m e n t a t i o n , a n dt h r o u g ha d d i n gm i n e r a la d m i x t u r e , w a t e r - r e d u c i n ga g e n t ，a i r - e n t r a i n i n gm a k ec o n c r e t e ( c 3 0 ，c 4 0 ，c 5 0 ) t or e s e a r c hh o w d ot h ed i f f e r e n ta d m i x t u r ea n dd o s a g ei n f l u e n c em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t ec 3 0 ， c 4 0 ，c 5 0 a f t e rg e t t i n gp r e f e r r e dp r o p e rd o s a g er e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t d o u b l ed o p i n gm e t h o d sa n da i rc o n t e n tt oc o n c r e t e f r o s tr e s i s t a n c ea n dp e r m e a b i l i t y r e s i s t a n c eo fc h l o r i d ei o nt od e c i d ep r o p e ra i rc o n t e n to fd i f f e r e n tg r a d eo ff r o s t r e s i s t a n c ec o n c r e t e i n t e g r a t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dr e s i s t a n c ep e r m e a b i l i t yo f c h l o r i d ei o nt ob r i n gu pac o n c r e t ef o r m u l a t i o nw h i c hc a np e r f o r m a n c ew e l li np a r a m o s t or e s e a r c ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t ec 3 0 ，c 4 0 ，c 5 0 ，f i n d i n go u t d i f f e r e n ts t r e n g t hg r a d en e e dd i f f e r e n td o s a g e t oc 3 0 ，ab e t t e rd o s a g eo fa d i i l i x t u r e s h o u l db e ：s i l i c e o u sd u s t6 ，s l a g10 ，f l ya s h10 t oc 4 0 ：s i l i c e o u sd u s t6 ，s l a g 2 0 ，f l ya s h10 t oc 5 0 ：s i l i c e o u sd u s t6 ，s l a g2 0 ，f l ya s h2 0 e x p e r i m e n tt h ec o n c r e t ea b i l i t yo fa i r - e n t r a i n i n gw i t hd i f f e r e n ts t r e n g t hg r a d et o g e tt h i sr e s u l tt h a ti sa i rc o n t e n tw i l li n f l u e n c ec o n c r e t e m e c h a n i c a lg r e a t l y i ft h ea i r c o n t e n tr a n g e sb e t w e e n3 5 t o5 ，a n dt h a ti ss a i dt h es t r e n g t ho fc o n c r e t ew i l lb e r e d u c e db y3 t o4 a s1 o fa i rc o n t e n ti se n t r a i n e d a f t e r1 o fa i rc o n t e n ti s e n t r a i n e d t h es t r e n g t ho fc o n c r e t ew i l lb er e d u c e db y7 t o8 w h e nt h ea i rc o n t e n t e x c e e d s5 ag r e a tq u a n t i t yo fe x p e r i m e n t ss h o wa sa i rc o n t e n ti n c r e a s i n gt h ef r o s tr e s i s t a n c e o fc o n c r e t ew i l le n h a n c ef i r s t l yt h e nr e d u c e ，a n dw h e nt h ea i rc o n t e n ti sc l o s e ，d o u b l e d o p i n gi sb e t t e rt h a ns i n g l ed o p i n g t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ei n f l u e n c eo fa i rc o n t e n tt op e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eo f c h l o r i d ei o n , f i n d i n gt h a ta st h ei n c r e a s i n go fa i rc o n t e n t , c h l o r i d ei o n p e r m e a b i l i t yo f e v e r ys t r e n g t hg r a d ec o n c r e t ew i l le n h a n c ef i r s t l yt h e ni tw i l lr e d u c e a n dt h ed o u b l e d o p i n gc o n c r e t ec a ni m p r o v et h ep e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eo f c h l o r i d ei o no b v i o u s l y a nt h ef r e e z e - t h a wc y c l eo fd i f f e r e n ts t r e n g t hg r a d ec o n c r e t ec a nr e a c h3 0 0t i m e s a f t e rd o u b l ed o p i n g6 s i l i c e o u sd u s t , 1o s l a ga n dp r o p e ra i r - e n t r a i n i n g t h e r e sa p r o p o s a lt h a ti np a r a m o st oc 3 0t h ea i rc o n t e n ts h o u l db eb e t t e rc o n t r o l l e db e t w e e n 3 5 t o5 ，a n dt oc 4 0a b o u t5 ，t oc 5 05 t o7 c o e f f i c i e n to fd u r a b i l i t ya n d i n t e n s i t yd e c l i n er a t ew i l lr e a c h0 9 k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；d o u b l ed o p i n g ；a i rc o n t e n t ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；f r o s t r e s i s t a n c e ；p e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eo fc h l o r i d e i o n ； 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：曳涯和 日期：纱矿年中月iz e t 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 岗呶指导教师签名：蕞鲐蘑 日期：护户年 牛月1v 日 日期：2 p j c 口年牛月1 2 - 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：栽嫩 指导教师签名：雀锑躇 日期：2 。归年牛月1 2 e t日期：z o k 年牛月1 2 e 1 第一童绪论 11 研究意义 第一章绪论 我国地域辽阔，随着我国工程建设事业尤其是水电建设事业的迅速发展，加 之有相当大的地域处于高寒地区，致使不少水工建筑物发生丁冻融破坏现象。根 据全国水工建筑物耐久性调查资料“。，对于兴建的水工混凝土建筑物，几乎1 0 0 工程局部或太面积地遭受不同程度的冻融破坏，1 0 0 的坝体都存在裂缝及渗漏病 害，6 87 存在空蚀、冲刷和磨损破坏，1 88 存在冻融破坏，3 6 2 存在水质侵蚀， 4 06 存在因钢筋锈蚀引起的顺筋胀裂，其中近海地区钢筋锈蚀更是占8 7 以上 。在3 2 座大型混凝土坝工程，4 0 余座中小型工程中，2 2 的大坝和2 1 的中小型 水工建筑物存在冻融破坏问题。 混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华北、西北地区。除了水工建筑物以外， 公路桥梁与铁路桥梁用水泥混凝土也遭受羞冻融破坏，尤其在西北高寒盐溃地区， 混；鲢土遭受着更为严重的冻融破坏，如图1l 所示，由于冻融循环作用，桥梁腹板 和桥墩在使用一段时间后均出现了不同程度的冻融开裂现象。除三北地区普遍发 现的混凝土冻融破坏现象外，地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有 冻融现象。同时，世界环境污染的日趋加剧，工程结构中与自然水、工业污染水 接触的部位大部分存在着侵蚀介质对混凝土的侵蚀、损伤等现象。 a j 桥墩遭受冻融破坏b 王梁腹板遭受冻融破坏 图11 遣受冻融破坏的混凝土结构物 f 1 911 t h e d a m a g es u f f e r e d f i r e e 2 e t h a w o f z o d 盯e t es e u c n l 佗 据统计川，在我国现有的近7 0 亿平方米的城镇建筑物中，有5 0 以上已经进入 老化阶段，其中约有l o 亿平方米需经加固改造才能安全使用。1 9 8 9 年，建设部辩 2 第一章绪论 技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物 进行了调查，其结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态；现有大多 数工业建筑不能满足安全、经济使用5 0 年的要求，一般使用2 5 - - 一3 0 年就需大修加 固。 随着国民经济的不断发展，我国的基础设施建设现在正处于大规模的发展阶 段。混凝土是目前土木工程建设的主导材料，目前国内外大量使用的是普通强度 的混凝土，我国混凝土年产量约为1 3 亿立方米，其中大约9 0 以上属于c 3 0 ，c 4 0 ， c 5 0 强度等级的普通混凝土，其使用寿命一般为4 0 - - 5 0 年。而传统的混凝土结构 是按强度进行设计的，耐久性未必能满足使用要求。近几年来，混凝土结构因材 质劣化造成过早失效以及崩塌破坏的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之 势。这些混凝土工程的过早破坏，根据调查这些破坏的原因不是强度不够，而是 由于混凝土耐久性不良所致。如何使这些混凝土获得高性能、高耐久性，对节约 资源、能源及资金均有重大意义，并且可以减少混凝土过早毁坏带来的环境污染， 所以耐久性成为工程应用中的一个十分突出的问题。 所谓混凝土耐久性妒是指其抵抗环境介质的作用，并长期保持良好的使用性 能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全和正常使用的能力。混凝土耐久性 具体包括抗渗、抗冻、耐腐蚀、碳化、碱骨料反应及混凝土中的钢筋锈蚀等性能。 影响混凝土结构耐久性的因素很多，可分为内在因素和外在因素两大类。内在因 素是指混凝土结构抵御环境的能力，由结构的设计形状和构造形式、选用的水泥 和骨料的种类、外加剂的品种，钢筋保护层的厚度和直径的大小、混凝土的水灰 比、浇注和养护的施工工艺等多种因素所决定。外在因素是环境对混凝土结构的 物理和化学作用，包括干湿和冻融循环、碳化、化学介质侵蚀、磨损破坏等诸多 方面，不同环境对混凝土结构耐久性的影响程度不尽相同，外在因素是通过内在 因素起作用的。混凝土在遭受压力水、冰冻或侵蚀作用时的破坏过程各不相同， 但影响因素却有许多相同之处，混凝土的密实度是最为关键的因素，其次是材料 的性质、施工质量等。 上述种种数据表明普通混凝土的耐久性问题是一个有待解决的问题。与此同 时，从我国的地域分布和气候条件来看，特别是我国西北地区，由于海拔较高， 虽然全年干旱少雨，但光照时间长，气候干燥、季节温差与昼夜温差大，冻融次 数多，并且盐渍地覆盖区域广，加之除冰盐的使用，使得西北地区水泥混凝土路 面和桥梁结构物较南方地区经受着更为严酷的考验，破坏形式更为多样化。除上 述一些破坏外，在氯盐侵蚀、干湿交替存在的同时，混凝土的冻害加剧了腐蚀的 进程，大大降低了混凝土的耐久性和使用年限。因此，针对我国寒冷地区、严寒 地区路桥结构的特点，开展混凝土抗冻性能研究，对提高我国西北地区和三北地 第一章绪论 区混凝土桥梁结构的耐久性，延长路桥结构物的使用年限，提高投资效益，加快 经济建设步伐，具有重大的现实意义。 1 2 国内外研究现状及发展动态 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。 1 2 1 国外研究现状 早在上世纪4 0 年代前后，国外的学者就对混凝土冻融破坏的机理进行了大量 的研究，主要有这么一些结论“。：t c p o w e r s 提出的静水压理论学说主要由以 下几个要点组成：首先在冻结时，负温度从混凝土构件的四周侵入，冻结首先在 混凝土四周表面上形成，并将混凝土构件封闭起来。其次由于表层水结冰，冰体 积膨胀，将未冻结的水分通过毛细孔道压人饱和度较小的内部。随后随着温度不 断降低，冰体积不断增大，继续压迫未冻水，未冻水被压得无处可流动，于是在 毛细孔内产生越来越大的压力，从而使水泥石内毛细孔产生拉应力。最后当水压 力达到一定程度，水泥石内部的拉应力过高，超过抗拉强度极限时，则毛细孔会 遭到破裂，混凝土中即产生大量微裂纹而受到破坏。同时提出满足混凝土抗冻耐 久性要求的孔间距系数的重要概念：当孔间距小于临界孑l 间距系数也即小于2 5 0 u m 时混凝土是抗冻的。 在提出了静水压力学说后，p o w e r s 在自己的试验中发现，水泥浆体中的水在 冻结时并不是向外排出，而是向着冷源移动。他和他的同事h e l m u t h 于是又对混 凝土的冻融破坏机制提出了渗透压理论。该理论认为：在负温条件下时，大孔及 毛细孔孔中的溶液首先有部分冻结成冰，由于在溶液中的水从中冻结出来，使得 溶液的浓度变大。从而在毛细孔与凝胶孔内溶液之间存在着浓度差，这引起了从 凝胶孔向毛细孔的扩散作用，形成了渗透压。加拿大的l i t v a n g g 于1 9 7 2 年提 出他的关于混凝土受冻破坏的理论u 一”。他认为，凡是被吸附在多孔固体表面上 或包含在其中的水，如果不经过重新分布就不会冻结；其所以不能固化是由于表 面力的作用，阻止被吸附液体达到形成结晶所需要的压力。但是这些水的蒸汽压 与已形成的冰有差别，能够迁移到易于结冰的地方，例如；较大的孔隙或外表面 并积聚在裂隙中，如果冻融循环中积聚在裂隙中的水不能归还原位，它们将使裂 4 第一章绪论 隙扩大成冰。f a g e r l a n d u 训也曾提出“冻融临界饱水值法 ，认为混凝土能够容纳 的可冻结水含量存在一个临界值。当内部水量未达到临界值时，即使出现冻害环 境，混凝土也不会发生冻融破坏，到达临界值之后，混凝土将迅速破坏。混凝土 中饱水程度越大，可冻水量越大，按照冻融临界饱水度理论，当混凝土饱水程度 超过临界值时，混凝土就会发生破坏。 有关混凝土结构耐久性的国际会议也己召开多次，反映了各国研究的最新成 果。1 9 8 7 年，国际桥梁与结构学会( i a b s e ) 在巴黎召开“混凝土的未来 国际会议； 1 9 8 8 年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估国际会议；1 9 8 9 年美国和葡萄牙 都举办了有关结构耐久性的国际会议；1 9 9 1 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；1 9 9 3 年i a b s e 在丹麦哥本哈根召开了结构残余能 力国际学术会议。这些国际会议都致力于对混凝土耐久性问题进行一定的探讨得 出一些相关对策和有意义的结果。 1 9 8 2 年，国际材料与结构实验室联合会和国际建筑研究文献协会联合组成了 建筑材料及构件使用寿命预测委员会c i bw s o r i l e m 7 1 一p s l ，共同研究结构的寿命 预测问题，1 9 8 7 年又成立了一个新的委员会c i bw 8 0 r i l e m l 0 0 一t s l ，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1 9 5 7 年成立了委员会 a c l 2 0 1 ，负责并指导混凝土耐久性方面的研究，1 9 9 1 年a c i 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。日本从 1 9 8 0 年就组织进行“建筑物耐久性提高技术 的开发研究，并于1 9 8 5 年提交了研 究成果概要报告，1 9 8 6 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，延长建筑物的使用寿命，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( a i j ) 1 9 8 8 年推出了建筑物 使用指南，1 9 9 2 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。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。1 9 9 0 年，英国水泥协会对英国4 0 0 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。 m a l h o t r a ，p i g e n 等人的研究表明u “：混凝土的含气量、临界气泡间距、水 灰比、骨料、临界饱水度和降温速度等因素综合决定了混凝土的抗冻耐久性。o s a m a a m o h a m e d 研究表面u 训水泥品种、引气剂质量及引气方法对混凝土抗冻融耐久性 的影响，得出：引气能显著提高混凝土的抗冻融性，但是，长期处于冻融循环作用 下的混凝土的抗冻能力还取决于天气的恶劣程度及冻融周期的频率。 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 在国内对混凝土抗冻性以及耐久性也做了大量的研究，例如：华南理工大学 研制成功高抗渗混凝土；冯乃谦副等人进行了超高耐久性路面混凝土的应用研究； 中国水利科学院完成了冻融与荷载双重疲劳因素作用下的损伤研究；哈尔滨工业 大学巴恒静1 教授进行了高性能混凝土在盐溶液中的冻融、干湿循环、水中冻融 等等各种耐久性试验中的耐久性裂化特征的研究；范沈抚瞄u 等讨论了提高水工混 凝土抗冻耐久性的技术措施，提出抗冻冻混凝土必须掺入引气剂，减小水灰比， 选用优质原材料，同时严格按施工规范要求施工，加强养护；宋拥军k 纠认为：只要 引气量合适，普通混凝土也能获得较高的抗冻耐久性；黄土元划认为：只有合理的 气泡结构才是混凝土抗冻性能得以真正改善的关键。 吴中伟k 刮教授提出了孔结构理论，认为混凝土的冻融破坏与混凝土内部微孔 结构有关，他把孔分为四级：r 2 0 0 um 为多害孔，对混凝土冻融循环破坏影响较大的为r l o o u m 的 孔。孔结构之所以与冻融破坏有密切的联系主要由于孔中的水在冻融循环过程中 所起的作用。一般情况下，孔隙率越大，相对含水量越多，则可冻水量也就越多。 水灰比也是影响混凝土孔隙率及孔结构的直接因素，随着水灰比的增大，不仅含 有可冻水的开孔体积增加，而且平均孔径也增大，必然导致混凝土的抗冻性降低。 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。1 9 9 0 年4 月， 建设部组织成立了全国建筑物鉴定与加固委员会，至今已召开了多届学术交流会； 1 9 9 1 年1 2 月我国制定了全国钢筋混凝土结构耐久性设计规程，1 9 9 2 年1 1 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。 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。 “七五 攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限 ，包括结 构的耐久性调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响等；“八五 课题 为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”，包括拟建钢筋混凝土结构耐久性设 计方法，服役钢筋混凝土结构的耐久性检测和评估方法，在一定条件下诸因素对 钢筋混凝土结构耐久性的综合影响以及建立钢筋混凝土结构耐久性数据库等，目 前都已取得了一定成果。1 9 9 5 年，国家科委正式批准并启动了攀登计划项目“重 大土木及水利工程安全性与耐久性的基础研究”，这是一项为期5 年，对结构的安 全性与耐久性有更高要求的项目，它的实施将把我国结构安全性与耐久性的研究 水平提高到一个新的高度，从而推动我国结构设计理论的发展。另外，在许多高 校也结合一些实际工程项目，将混凝土结构耐久性的研究作为博士或硕士学位论 6 第章绪论 文的选题，不仅完成了项目，对我国结构耐久性人才的培养也做出了贡献。但遗 憾的是我国目前还没有一部耐久性设计的规程和标准，现行结构设计规范仅在构 造措施和正常使用极限状态验算方面考虑了结构的耐久性要求，按现行规范设计 的结构其耐久性是无法确定的。以上说明我国的混凝土耐久性研究也已进入了有 组织的工作阶段。 2 0 0 3 年西部交通科技项目训“水泥混凝土抗冻融耐久性能研究 于2 0 0 8 年通过鉴定验收。项目组编写了高抗冻耐久性水泥混凝土设计与施工技术指南， 并将主要研究成果应用于依托工程及有关规范中。主要研究成果包括：首次提出 了以地表最低温度确定我国各地区冻融次数及以有害冻结温度一5 划分混凝土抗 冻等级的方法；确定了不同冻结温度以及不同溶液中冻融时混凝土的吸液率、冻 害因子与抗冻性的关系、混凝土的高压吸水饱和度变化规律与影响因素及其抗冻 性的关系。提出了引气能有效提高盐类环境中冻融与干湿循环交替作用下混凝土 的抵抗破坏能力及抗钢筋锈蚀能力的重要结论，揭示了受冻程度对引气混凝土钢 筋握裹力的影响规律。同时发现了内掺常用无机盐对混凝土抗冻性有不利影响； 提出了2 m p a , - - ，2 5m p a 高压渗透法测定c 3 0 - - 一c 8 0 混凝土抗渗性的快速有效试验方 法；基于骨料最紧密堆积和最佳浆骨比理论，首次提出了高抗冻耐久性混凝土配 合比实测一计算一试配的设计方法；提出了采用掺加固体引气剂、纤维、提高搅 拌运输车的搅拌速度等方法，解决了预拌混凝土经搅拌运输车运送过程中含气量 分层的技术难题；总结出高抗冻耐久性混凝土的负温力学性能、早期开裂性能、 温度变形和干缩变形等变化规律。进一步揭示了不同负温下冻融时混凝土的破坏 机理，提出了提高混凝土抗冻融耐久性的综合措施。 1 3 混凝土冻融破坏机理 混凝土冻害损伤分为两种情况1 ：由冻融引起的混凝土表面材料的损伤即 剥落脱皮与开裂，详见图1 2 。由于冻融引起的内部损伤是表面没有明显可见效 应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝土性质改变( 动弹性模量降低) ，详见 图1 3 。 第章绪论 图12 表面脱落与开裂 图13 内部损伤 f i gi 2s h e d d i n ga n dc r a c k i n g o f t h es u r f a c e f i g1 3i n t e r n a li n j u r i e s 混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡，在17 时， 仅63 m m 以上的孔可以结冰，小于63r m 的孔则不能结冰。因此，混凝士的抗冻性 不仅取决于孔隙率，还取决于孔分布”。在某一固定负温下混凝土构件中水分只 有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。可球承主要集 中在水泥石及骨科颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻 结，气泡水易冻结。混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些 空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。可冻水般是温 度的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。随着水泥的不断水化生成凝胶体，并分别 生成个别孤立的毛细孔，而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水 器壁。随着水化深入，材料质地致密及温度的下降将有更多细小空间的水参与 冰冻t 作为器壁的凝胶渗水性也不断减小。当冰冻多余水受水压力推动向附近气 泡( 逃逸边界) 排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破 坏。所以材料组织愈致密水流得不到及时的渲泄，从而导致疏导不畅引起的冻水 压力增大。 同时考虑到水泥浆中包含的一般是赫类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度 更高的溶液，随着温度下降，浓度不断提高。另方面邻近凝胶中水分始终保持 不冻，其溶液浓度保持原有的水平于是在毛细孔溶液和凝胶水之问出现浓度差。 浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛 细4 l 浓溶液转移。其结果是毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐 渐生长和发展。当毛细孔穴中充满冰和溶液时，冰晶进步生长必将产生膨胀压 力，导致破坏。 除了e 述冻融破坏以外还有另外一种破坏形式”“，即在水压的作用下，水分 冻结膨胀，多余水在压力推动下外流，流向可能消纳水分的未冻地点，作为水流 薯 第一章绪论 的结果压力消失。析冰情况正好相反：水分不是从冰冻地点外流，而是从未冻地 点( 凝胶) 流向已冻冰地点( 毛细孔) ，方向恰好相反。未冻地点的水移动一定距离 后，最后以冰冻结束，作为水流运动的结果产生压力。以上两点可以综合为：第 一阶段毛细孔中始发的冰冻，向所有方向产生的水压力，引起内应力；第二阶段 较大毛细孔中水分首先生成冰晶，可从d , - 孑l 中吸引未冻结水使自身增长，产生静 应力。骨料作为混凝土中的一个重要组分，如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土 破裂的应力来源，为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。 由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证，从这个意义上来说， 骨料抗冻性更具有突出意义。凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石，这种 危险较突出。空隙多、渗透性强的骨料临界尺寸也很大，在特殊情况下岩石吸水 率极低则可冻水极少。根据施工经验应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以 保证混凝土有较好的抗冻性。 1 4 提高混凝土抗冻性的技术途径 1 4 1 影响混凝土抗冻性的主要因素 混凝土的抗冻性与内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等因 素有关。而混凝土的孔结构及强度又主要取决于其水灰比、有无外加剂及养护方 法等嘲。 水灰比 水灰比直接影响混凝土的孔隙率及结构。随着水灰比的增大，不仅可饱水的 开孔总体积增加，而且平均孔径也增大，因而混凝土的抗冻性必然降低q 圳。因 此国内外有关规范均规定了用于不同环境条件下的混凝土最大水灰比及最小水泥 量来保证混凝土的耐久性。 孔结构 孔隙率、孔径大小、孔径分布、孔形状和气泡间距系数等都是硬化混凝土孔 结构的重要参数。孔径大小m q 决定了混凝土孔中水的冰点，孔径越小，冰点越 低，成冰率也低，从而减小因结冰引起的对混凝土的破坏，提高了混凝土的抗冻 性。同时d , - 孑l 和闭合孔能够提高混凝土的抗冻性能。在严寒地区的混凝土工程一 般要求使用引气剂，提高混凝土含气量从而改善混凝土内部结构，增强其抗冻性。 随着科学研究的不断深入，人们发现混凝土气泡参数，即气泡尺寸、数量及分布 等都是引气剂提高混凝土抗冻性的决定性因素。 第一章绪论 9 饱水度 水是造成混凝土冻融循环破坏的主要原因，混凝土中水的存在形式是由混凝 土的孔隙结构决定的。当混凝土中的孔隙水都达不到饱和时，也就不会存在水分 迁移以及冻胀破坏。 含气量以及环境条件 含气量驯是影响混凝土抗冻性的主要因素。特别是加入引气剂形成的微小气 泡对提高混凝土抗冻性尤为重要。这些互不连通的微小气泡在混凝土受冻初期能 使毛细孔中的静水压力减少，起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中这些气泡 可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成，每一种混凝土拌和物都有一个可防止其 受冻的适宜含气量。 环境条件主要是指混凝土所处环境的最低冻结温度、降温速率、冻结龄期等 条件。冻结温度越低，破坏越严重。降温速率对混凝土的冻融破坏也有一定的影 响，随着冻融循环过程中降温速率的提高，冻融破坏力度加大，混凝土越容易受 到破坏。 外加剂及掺和料的影响 减水剂、引气剂及引气减水剂等外加剂均能提高混凝土的抗冻性3 9 瑙3 。引气 剂能增加混凝土的含气量，而减水剂则能降低混凝土的水灰比，从而减少孔隙率， 最终都能提高混凝土的抗冻性。掺合料能与水泥水化产物c a ( o n ) 2 发生火山灰效应 使混凝土结构更密实，从而提高混凝土的抗冻性。但是掺合料掺量一定要适量， 不是越多越好，掺合料掺量过大将导致混凝土中有效水泥用量减少从而使混凝土 强度降低，从而导致混凝土的抗冻性降低。 水泥品种及集料质量 混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高4 4 。4 5 1 。普通硅酸盐水泥混凝土的抗冻 性优于复合水泥混凝土，更优于火山灰水泥混凝土的抗冻性。混凝土集料对抗冻 性的影响主要体现在的影响及集料本身抗冻性的影响，一般选用吸水量小和颗粒 较小的集料。 混凝土的受冻龄期 混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高。因为龄期越长，水泥水化越充分， 混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力越大。这一点对于早期受冻的混凝土更为重要。 1 4 2 提高混凝土抗冻性的措施 掺用引气剂和减水剂 加入减水剂可以在不改变混凝土组分的情况下增加工作性；在不改变混凝土 l o 第一章绪论 工作性的情况下减少用水量，降低水灰比；在不改变工作性和强度的情况下减少 水和水泥用量。尤其是高效减水剂对水泥颗粒有很高的分散作用，可以改善混凝 土的工作性，减少单位用水量，降低水灰比，使混凝土更密实。从而提高了混凝 土的抗渗、抗冻和抗碳化性能。 掺入引气剂可以引入大量稳定而封闭的微小气泡，这些微小气泡能切断毛细 孔、增加孔隙的曲折度、阻断混凝土中的毛细孔通道，削弱混凝土中微裂缝端部 的应力集中，抑制裂缝延伸和发展。引气剂还具有一定的减水作用，减少混凝土 中连通的大毛细孔，因而掺入适量的引气剂可以提高混凝土的密实性以及抗渗性， 同时引气剂引入的均匀微小的气泡可缓解结冰产生的膨胀压力，同时气泡还可容 纳自由水的迁入大大缓解了渗透压力，可使混凝土抗冻性得到提高。 严格控制水灰比 水灰比是影响混凝土密实性的主要因素。为了提高混凝土的抗冻性也必须从 降低水灰比入手。当前较为有效的方法是掺减水剂，特别是高效减水剂。许多研 究成果及生产实践证明，掺入水泥重量0 5 , - - - 1 5 的高效减水剂，可以减少用水 量1 5 - - - 2 5 ，使混凝土强度提高2 0 , - - - 5 0 ，抗冻性也能成倍的提高。 掺加矿物掺合料 掺加矿物掺合料主要是发挥其火山灰效应和微集料效应，改变混凝土化学成 分、孔隙率和孔结构、渗透性、界面特征等方面性质。混凝土中掺入矿物混合材 后，降低了胶凝材料中c 3 a 的相对含量，并且矿物混合材可以填充硬化水泥浆体 中的孔隙，提高混凝土的密实性；同时活性混合材中具有潜在火山灰活性的组分 和硬化水泥浆体中c a ( o h ) 2 晶体发生化学反应，生成的c s h 凝胶可以填充在混 凝土的空隙中，降低混凝土的碱含量提高混凝土的密实性和抗渗性，从而有效的 提高了混凝土的抗冻性能。 加强早期养护或掺入防冻剂防止混凝土早期受冻 北方寒冷地区对于预制混凝土构件( 包括大型的桥梁钢筋混凝土预制梁) 常用 热养护法，热养方法有电热法、蒸汽养护法及热拌混凝土蓄热养护法。目前我国 常用的还是蒸汽养护法，但耗汽量巨大。而早强剂、防冻剂的加入对在负温条件 下能使混凝土具有较强的抗冻害能力，从而保证冬季正常施工。大量、大规模的 现场露天浇捣混凝土更应加强早期养护，混凝土振捣要充分、密实、不漏振，推 迟拆模时间或加热水拌制，当日平均气温小于一5 时应停止浇筑。 1 5 主要研究内容 本文以西藏高寒地区提高桥梁结构混凝土耐久性关键技术研究为依托， 第一章绪论 主要以西北地区的砂石材料为主，配制c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 三种强度等级混凝土。在 此基础上对掺加活性矿物材料( 硅灰、磨细矿渣、粉煤灰) 、引气剂的混凝土进行 相关的力学性能研究和抗冻性能研究，并分析相关影响因素，提出适用于高寒地 区的结构物用混凝土，为工程应用提供技术和理论支持。 主要工作为：通过掺加矿物掺合料、减水剂、引气剂配制c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 混 凝土。研究不同掺合料及掺量对c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 混凝土力学性能的影响，获得不 同掺合料在不同等级混凝土中的合理掺量，同时为抗冻性能的研究提供合适掺量， 掺合料掺量的优选以不同养护龄期的立方体抗压强度，抗折强度，抗压弹性模量， 劈裂抗拉强度与基准混凝土进行比较得出，主要试验方案采用单掺硅灰( 以6 为 掺量起点，2 为掺量间隔) 、矿渣( 以1 0 为掺量起点，1 0 为掺量间隔) 、粉煤灰 ( 以1 0 为掺量起点，1 0 为掺量间隔) ，硅灰和矿渣等量取代水泥用量，粉煤灰超 量取代水泥用量，超量系数1 1 ；在优选出合适掺量后，研究不同复掺方式、含气 量对c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 混凝土抗冻性能及抗氯离子渗透性能的影响，提出不同等级 抗冻混凝土的合适含气量；综合力学性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能，提出 各项性能优良的高寒地区混凝土配合比。 1 2 第二章原材料性能及配合比设计 第二章原材料性能及配合比设计 2 1 掺合料作用机理 混凝土在受力前就在水泥石中存在着微裂纹，研究表明混凝土破坏的过程实 际是混凝土内部裂纹产生与发展的过程，特别是界面处存在着大量的微裂纹，当 混凝土受力后，在微裂纹处产生应力集中，使这些裂纹不断发育，并逐渐发展联 通起来，最后形成若干大的可见裂缝从而使混凝土发生破坏。因此，混凝土强度 主要取决于水泥石强度和水泥石与集料界面的粘结状况。 掺合料可以有效改善混凝土拌合物的工作性，降低混凝土的水化热，并通过 二次水化反应，调整水泥石的矿物组成和结构，进而提高混凝土结构的耐久性。 硅灰作用机理： 1 ) 火山灰效应 在硅酸盐水泥水化过程中，水泥水化反应生成水化硅钙凝胶( c - s - h ) 、氢氧化 钙( c a ( o h ) 。) 和钙矾石等水化产物。其中c a ( o h ) 。对强度有不利影响。硅灰中高度分 散的s i o 。组分能与c a ( o h ) 。反应生成c - s h 凝胶，即所谓火山灰效应：c a ( o h ) 。+ s i 0 2 + h 2 0 ，c s h 。