1.4-高性能混凝土性能评价.ppt

1 高性能混凝土 武汉理工大学本科教学课程 2 第一章绪论 第四节高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化 3 高性能混凝土是指采用常规材料和生产工艺 能保证混凝土结构所要求的各项力学性能 并具有高耐久性 高工作性和高体积稳定性的混凝土 高性能混凝土拌和物配制的目标 4 水灰比 mw mc 单位用水量 mw 和砂率 s 是混凝土配合比设计的三个基本参数 凝胶材料 水 砂 石子 水泥浆 骨料 混凝土 单位用水量mw 砂率 w 水灰比mw mc 与强度 耐久性有关 与流动性有关 与粘聚性 保水性有关 高性能混凝土拌和物配合比参数的选择 5 基本参数 单方混凝土用水量宜 175kg m3 胶凝材料总量宜为300kg m3 550kg m3 其中矿物微细粉用量宜 胶凝材料总量的30 砂率宜为37 44 高效减水剂掺量根据坍落度要求而定 高性能混凝土拌和物配合比参数的选择 6 高性能混凝土 第五节高性能混凝土性能评价1 5 1高性能混凝土拌和物的工作性能评价体系1 5 2高性能混凝土的力学性能1 5 3高性能混凝土体积稳定性1 5 4高性能混凝土的耐久性 7 高性能混凝土的工作性 包括 混凝土拌和物的流动性 黏聚性 抗材料分离性 和泌水性 泵送性 坍落度值及保持性 和易性 工作性 的评价 8 和易性 工作性 的评价 1 三种基本变形及三种理想流变模型真实物体在外力作用下都将发生变形 按性质的不同分为 弹性变形 式中 应力 表示伸长 E 与弹性有关的常量 即弹性模量 1 硅酸盐水泥复合胶凝材料浆体的流变类型 9 粘性流动 塑性变形 当剪切应力小于某一极限值时 不发生剪切应变 当剪切应力达到该极限值时 就发生极大的剪切应变 这种形变称为塑性流动 其应力与应变的关系可表示为 当 f时 0 当 f时 可为任意值 直至 和易性 工作性 的评价 10 2 流变模型与本构方程以上三种理想体 实际是不存在的 真实的材料往往或多或少同时具有以上两种或三种变形 其流变模型可用三种基本元件通过各种串联及并联方式组成 其些材料 例如油漆 水泥浆等 从流动性方面来看似乎是粘性液体 但它刷在垂直面上的薄层 却可以承受一定的剪切应力而不致流下 又具有固体的性质 对于这种材料可用下图所示的流变模型来描述 又称宾汉体模型 和易性 工作性 的评价 11 当剪切力 f时 塑性元件不发生变形 与之并联的粘性元件也只能保持不变 这时 弹性元件的变形 就是整个系统的变形 因此 式中 剪切应力 剪切应变 G 剪切应变弹性模量 和易性 工作性 的评价 12 当 f时 f这个力就会使粘壶发生变形 设弹性元件的剪应变为 1 粘性元件的剪应变为 2 系统的总应变为 则 和易性 工作性 的评价 13 对上式进行数学处理 可得宾汉体在 f时的流变方程 当 常量时 上式可改写为 以上的流变方程也称本构方程 它说明材料中任一点的应力状态和应变状态之间有着密切的关系 可以用以下的通式f 0来表示 这种函数关系当然和材料的性质有关 是由材料的本质与构造决定的 所以 又称为本构方程 和易性 工作性 的评价 14 3 高性能混凝土浆体的流变行为实验 按照下表中给出的6种胶凝材料系统 统一按照水固比为0 6制作浆体 测定每个系统的流变参数 即在不同剪切速率下的浆体屈服应力的变化 由此确定浆体发生塑性流动所需的最小剪切应力值 和塑性黏度 和易性 工作性 的评价 15 结果表明 这6种主要由硅酸盐水泥组成的材料系统的浆体均符合宾汉体的流变特征 在流变学上同属一种流变类型 矿物外加剂对水泥浆体的屈服应力和塑性黏度有不同的影响 在硅酸盐水泥中复合掺加磨细矿渣和硅灰同样显著增大浆体发生塑性流动时的屈服应力值 屈服应力值越大 则浆体越不易发生塑性流动 硅灰对水泥浆体的屈服应力和塑性黏度都有显著的增大作用 磨细矿渣在增大浆体屈服应力的同时可明显降低塑性黏度 减水剂可浆体的降低屈服应力值和塑性黏度 和易性 工作性 的评价 16 2 混凝土的工作性能 Workability 工作性定义为混合料易于运输 浇注和密实成型而不发生分层离析的性能 工作性通常包括以下几个方面 流动性取决于分散系统中固 液相的比率 增加含水量 混合料的流动性提高 可塑性指在一定外力作用下产生塑性变形的能力 它与水灰比及水泥浆或砂浆的含量有关 稳定性指混凝土拌合物不发生离析泌水的性能 易密性指在进行捣实或振动时 克服内部的和表面的阻力 以达到完全密实的能力 和易性 工作性 的评价 17 和易性 工作性 的评价 混凝土拌合物便于施工操作 能够达到结构均匀 成型密实的性能 和易性主要包括流动性 粘聚性和保水性 和易性 粘聚性 保水性 流动性 易达结构均匀 易成型密实 好 好 在本身自重或施工机械振捣作用下 能产生流动并且均匀密实地填满模板的性能 各组成材料之间具有一定的内聚力 在运输和浇注过程中不致产生离析和分层现象的性质 具有一定的保持内部水分的能力 在施工过程中不致发生泌水现象的性质 保证混凝土硬化后的质量 18 砼拌和物在本身自重或施工机械振捣的作用下 产生流动 并能均匀密实地填满模板的性能 和易性 工作性 的评价 流动性 19 泵送混凝土PumpingConcrete 和易性 工作性 的评价 20 离析 分层 组份分离 骨料下沉 水泥浆上浮 砼拌合物粘聚性不良时 硬化后会出现蜂窝 麻面 大型的砼拌和物 甚至出现狗洞现象 粘聚性 混凝土拌和物在施工过程中其组成材料之间有一定粘聚力 不致产生分层和离析的现象 和易性 工作性 的评价 21 骨料 水 可见泌水 内泌水 泌水与塑性沉降 保水性 混凝土拌和物在施工过程中具有一定的保水能力 不致产生严重的泌水现象 和易性 工作性 的评价 22 和易性良好的标准 粘聚性好则保水性往往也好 但当流动性增大时 粘聚性和保水性往往变差 反之亦然 混凝土拌和物的流动性 粘聚性 保水性 三者之间互相关联又互相矛盾 所谓拌和物的和易性良好 就是要使这三方面的性能在某种具体条件下 达到均为良好 亦即使矛盾得到统一 和易性 工作性 的评价 23 如何在施工现场定量评定混凝土和易性 和易性 工作性 的评价 24 1 坍落度法 定量测定拌合物的流动性 辅以直观经验评定粘聚性和保水性 测定混凝土拌合物在自重作用下产生的变形值 坍落度 单位mm 适用范围 集料最大粒径不大于40mm 坍落度值不小于10mm的低塑性混凝土 塑性混凝土 和易性 工作性 的评价 3 混凝土工作性能测试方法 25 坍落度试验仪器 26 和易性 工作性 的评价 27 坍落度试验示意图 和易性 工作性 的评价 28 坍落度与扩展度 坍落度与扩展度是各国通用的新拌混凝土工作性能检测方法 简单而适用 但对于干硬性混凝土或大流动性混凝土 单凭此方法不足以真实地反应混凝土的工作性能 和易性 工作性 的评价 29 保水性 观察稀浆程度 粘聚性 捣棒敲打锥体侧面 流动性 测量坍落度 原来 施工中是这样判定混凝土和易性的 和易性 工作性 的评价 30 干硬的混凝土又如何测定呢 和易性 工作性 的评价 31 2 维勃稠度法测定使拌合物密实所需要的时间 s 适用范围粗骨料最大粒径不大于40mm 坍落度小于10mm 维勃稠度在5s 30s之间的干硬性混凝土 和易性 工作性 的评价 32 3 L形流动仪 a 下沉量Ls L型坍落度 左侧箱中混凝土拌合物的下沉高度 能表示与过去坍落度同样的屈服值指标 b 移动距离Lf 混凝土向水平方向的最大扩散距离 反映混凝土拌合物的最终变形能力 c 流动时间t 混凝土拌合物移动开始至停止时间 反映了混凝土拌合物的变形速度 以移动距离Lf和流动时间t可求出L型流动速度Lf t 在剪切应力不变的条件下 L型流动速度代表粘度参数 进而能反映出混凝土拌合物的粘度 d 成分均匀性 L型流动仪水平方向不同部位的拌合物粗集料的含量 反映混凝土拌合物流动后的成分均匀性 和易性 工作性 的评价 33 按 混凝土质量控制标准 GB50164 的规定 塑性混凝土 干硬性混凝土分别按坍落度 维勃稠度分为四级 见下表 和易性 工作性 的评价 4 混凝土拌合物按流动性的分类 34 5 高性能混凝土工作性能控制指标 和易性 工作性 的评价 35 在便于施工操作并能保证振捣密实的条件下 尽可能取较小的坍落度 以节约水泥并获得质量较高的混凝土 6 混凝土流动性选择的原则 和易性 工作性 的评价 36 构件截面大小 和易性 工作性 的评价 37 钢筋疏密 和易性 工作性 的评价 38 施工机械 和易性 工作性 的评价 39 施工方式 和易性 工作性 的评价 40 混凝土施工时坍落度的选择 混凝土拌合物坍落度的选择 应根据施工条件 构件截面尺寸 配筋情况 施工方法等来确定 见下表 和易性 工作性 的评价 41 请观察下图中混凝土楼面 其中有空洞 俗称蜂窝 该混凝土是采用人工振捣 其混凝土坍落度为30mm 分析混凝土不密实的原因 42 原因分析 该混凝土未采用振动器振捣 仅人工振捣 而混凝土的坍落度偏低 流动性较差 故易产生蜂窝 应增大混凝土的坍落度 具体按GB50204 2001 混凝土结构工程施工质量验收规范 规定进行 实际施工时 混凝土拌和物的坍落度要根据构件截面尺寸大小 钢筋疏密和捣实方法来确定 当构件截面尺筋较密 或采用人工捣实时 坍落度可选择大一些 反之 若构件截面尺寸较大 或钢筋较疏 或采用机械振捣 则坍落度可选择小一些 和易性 工作性 的评价 43 6 影响混凝土和易性的因素有哪些呢 和易性 工作性 的评价 44 1 水泥浆数量的影响 和易性 工作性 的评价 45 合理砂率是指在水泥浆数量一定的条件下 能使拌合物的流动性 坍落度T 达到最大 且粘聚性和保水性良好时的砂率 或者是在流动性 坍落度T 强度一定 粘聚性良好时 水泥用量最小的砂率 2 合理砂率的确定 和易性 工作性 的评价 46 3 骨料品种 骨料的种类 碎石卵石 和易性 工作性 的评价 47 4 骨料级配 粗细程度 骨料的级配 砂的种类 细度模数 和易性 工作性 的评价 48 5 外加剂的影响 加入少量的外加剂能使混凝土拌和物在不增加水泥用量的条件下 获得良好的和易性 不仅流动性显著增加 而且有效地改善混凝土拌和物的粘聚性和保水性 如减水剂 引气剂 泵送剂等 没加减水剂的水泥浆 加减水剂后的水泥浆 和易性 工作性 的评价 49 6 矿物掺合料的影响 掺加矿物掺合料能改变水泥浆的稠度 从而能够改变混凝土的流动性 和易性 工作性 的评价 50 7 时间和温度的影响 混凝土拌和物 随着时间延长而逐渐变得干稠 和易性变差 环境温度升高 水分蒸发及水化反应加快 坍落度损失也变快 和易性 工作性 的评价 51 改善和易性措施 砂率合理 粗骨料级配良好 水泥品种适宜 砂石较粗 增加水泥浆用量 掺外加剂 52 7 混凝土的组分分离性 1 离析粗骨料由于密度与粒径较大 它在砂浆中局部集中或从砂浆中分离出来的现象叫离析 2 泌水混凝土拌合物在凝结硬化过程中伴随着粒状材料的下沉所出现的部分拌合水上浮至混凝土表面的现象叫泌水 离析 泌水 和易性 工作性 的评价 53 7 混凝土的组分分离性 压力泌水及其测试方法 对混凝土试样加压至3 2MPa 打开泌水阀门同时开始计时 保持恒压 加压至10s时记泌水量V10 至140s时记泌水量V140 用公式Bv V10 V140 100 计算压力泌水率 和易性 工作性 的评价 54 离析泌水现象的影响因素 1 单方用水量 2 高效减水剂类型及用量 3 矿物掺合料类型及用量 4 集料的性质 5 新拌混凝土的含气量 离析泌水现象对混凝土性能的影响 1 混凝土的均匀性 2 混凝土的可泵性 3 混凝土中界面过渡区 4 混凝土的表面质量 和易性 工作性 的评价 55 8 新拌混凝土的坍落度经时损失 SlumpLoss 新拌混凝土坍落度随时间的变化而降低的现象即坍落度经时损失 坍落度经时损失的原因 1 物理原因 水泥颗粒之间Zeta电位降低 相互间作用位能下降 产生凝聚而使其流动性变差 另外 高效减水剂有效含量减少 引起作用效果的降低 2 化学原因 水泥水化产生Ca OH 2 CSH等水化产物 使新拌混凝土粘度增大 也是引起混凝土坍落度损失的原因之一 和易性 工作性 的评价 56 影响混凝土坍落度损失的因素 1 高效减水剂种类 萘系 三聚氰胺系具有刚直棒状的分子结构 Zeta电位降低快 容易产生凝聚 坍落度损失快 而聚羧酸系是栉形的吸附形态 水泥粒子间高分子吸附层的作用力是立体静电斥力 具有更大的分散效果 并能保持其分散系统的稳定性 Zeta电位变化小 混凝土的坍落度损失小 2 高效减水剂的掺加方法 减水剂后掺法与同掺法相比 混凝土坍落度损失小 当高效减水剂与水泥同时掺入时 水泥中的CaSO4溶出以前 C3A及C4AF吸附高效减水剂量多 溶液中高效减水剂的含量减少较多 在高效减水剂掺量相同的条件下 采用后掺法 可让水泥颗粒表面先形成一层水膜 表面能下降 C3A之类的矿物对减水剂的吸附能力必然大大下降 溶液中的高效减水剂较多 可供C3S及C2S塑化使用的高效减水剂相对地多 混凝土坍落度损失小 和易性 工作性 的评价 57 影响混凝土坍落度损失的因素 3 水泥品种 细度 存放时间 水泥中C3A C4AF的含量越高 混凝土的坍落度损失越大 水泥细度高 混凝土坍落度损失大 水泥存放时间短 混凝土坍落度损失大 水泥中碱含量高 混凝土坍落度损失大 水泥中石膏量不足或溶解速率慢 混凝土坍落度损失大 4 其他因素如环境温度和湿度 水灰比等 环境温度越高 湿度越小则混凝土坍落度损失越大 水灰比越低则混凝土坍落度损失越大 和易性 工作性 的评价 58 控制新拌混凝土坍落度损失的方法 减水剂 1 复合使用减水剂和缓凝剂 2 分次掺加高效减水剂 3 使用新型高效减水剂 水泥 1 使用C3A C4AF较少的水泥 2 使用细度合适的水泥 3 注意水泥中石膏的品种及用量 4 尽量少用立窑水泥 选用旋窑水泥 5 使用优质矿物掺合料 降低水泥用量 6 避免使用新出磨的水泥 其他方面对新拌混凝土运输车辆等采取遮阳 降温措施 和易性 工作性 的评价 59 8 混凝土的凝结时间 混凝土的凝结时间与水泥的凝结时间有相似之处 但由于骨料的掺入 水灰比的变动及外加剂的应用 又存在一定的差异 水灰比增大 凝结时间延长 早强剂 速凝剂使凝结时间缩短 缓凝剂则使凝结时间大大延长 混凝土的凝结时间分初凝和终凝 初凝指混凝土加水至失去塑性所经历的时间 亦即表示施工操作的时间极限 终凝指混凝土加水到产生强度所经历时间 初凝时间希望适当长 以便于施工操作 终凝与初凝的时间差则越短越好 混凝土凝结时间的测定通常采用贯入阻力法 影响混凝土实际凝结时间的因素主要有水灰比 水泥品种 水泥细度 外加剂 掺合料和气候条件等等 和易性 工作性 的评价 60 高性能混凝土 第五节高性能混凝土性能评价1 5 1高性能混凝土拌和物的工作性能评价体系1 5 2高性能混凝土的力学性能1 5 3高性能混凝土体积稳定性1 5 4高性能混凝土的耐久性 61 高性能混凝土的物理力学性能 混凝土强度 抗拉强度 抗剪强度 抗压强度 抗弯强度 混凝土弹性模量 62 1 混凝土抗压强度 CompressiveStrength 1 立方体抗压强度 2 圆柱体抗压强度 3 轴心抗压强度 高性能混凝土的物理力学性能 63 1 混凝土抗压强度 CompressiveStrength 立方体抗压强度当采用非标准试件时 须乘以换算系数 见下表 高性能混凝土的物理力学性能 64 65 66 1 混凝土抗压强度 CompressiveStrength 高性能混凝土的物理力学性能 67 68 混凝土强度等级按混凝土立方体抗压强度标准值划分的级别 以 C 和混凝土立方体抗压强度标准值 fcu k 表示 主要有C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80等十五个强度等级 立方体抗压强度标准值 fcu k 是立方体抗压强度总体分布中的一个值 强度低于该值的百分率不超过5 强度等级表示的含义 强度的范围 某混凝土 其fcu 30 0 34 9MPa 某混凝土 其fcu 30 0MPa的保证率为95 高性能混凝土的物理力学性能 69 影响抗压强度的因素 1 水泥的强度和水灰比 式中 fcu 混凝土28d龄期的抗压强度值 MPa fce 水泥28d抗压强度的实测值 MPa 混凝土灰水比 即水灰比的倒数 a b 回归系数 高性能混凝土的物理力学性能 70 当混凝土水灰比值在0 40 0 80之间时越大 则混凝土的强度越低 水泥强度越高 则混凝土强度越高 高性能混凝土的物理力学性能 71 2 粗集料的品种 碎石形状不规则 表面粗糙 多棱角 与水泥石的粘结强度较高 卵石呈圆形或卵圆形 表面光滑 与水泥石的粘结强度较低 在水泥石强度及其它条件相同时 碎石混凝土的强度高于卵石混凝土的强度 高性能混凝土的物理力学性能 72 3 养护条件 在保证足够湿度情况下 温度越高 水泥凝结硬化速度越快 早期强度越高 低温时水泥混凝土硬化比较缓慢 当温度低至0 以下时 硬化不但停止 且具有冰冻破坏的危险 混凝土浇筑完毕后 必须加强养护 保持适当的温度和湿度 以保证混凝土不断地凝结硬化 高性能混凝土的物理力学性能 73 4 龄期 龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间 在正常的养护条件下 混凝土的抗压强度随龄期的增加而不断发展 在7 14d内强度发展较快 以后逐渐减慢 28d后强度发展更慢 由于水泥水化的原因 混凝土的强度发展可持续数十年 高性能混凝土的物理力学性能 74 5 试验条件对混凝土强度测定值的影响 试件尺寸 相同混凝土试件的尺寸越小 测得的混凝土的强度就越高 我国标准规定 采用边长为150mm的立方体试件作为标准试件 当采用非标准试件时 所测得的抗压强度应乘以下表所列的换算系数 高性能混凝土的物理力学性能 75 试件的形状 当试件受压面积相同 而高度不同时 高宽比越大 抗压强度越小 这是由于环箍效应所致 当试件受压时时 试件受压面与试件承压板之间的摩擦力 对试件相对于承压板的横向膨胀起着约束作用 该约束有利于强度的提高 愈接近试件的端面 这种约束作用就越大 在距端面大约a的范围以外 约束作用才消失 试件破坏后 其上下部分各呈现一个较完整的棱锥体 这就是这种约束作用的结果 称为环箍效应 表面状态 混凝土试件承压面的状态 也是影响混凝土强度的重要因素 当试件受压面有润滑剂时 试件受压时的环箍效应大大减小 测出的强度值较低 加荷速度 加荷速度越大 测得的强度值也越大 高性能混凝土的物理力学性能 76 压力机压板对试件破坏后不受压力约束时残存的棱柱体试件的破坏情况试件的约束作用 高性能混凝土的物理力学性能 77 案例 某县东园乡美利小学砖混结构校舍 11月中旬气温已达零下十几度 因人工搅拌振荡 故把混凝土拌得很稀 木模板缝隙又较大 漏浆严重 至12月9日 施工者准备内粉刷 拆去支柱 在屋面上用手推车推卸白灰炉渣以铺设保温层 大梁突然断裂 屋面塌落 78 分析 由于混凝土水灰比大 混凝土离析严重 从大梁断裂截面可见 上部只剩下砂和少量水泥 下部全为卵石 且相当多水泥浆已流走 现场用回弹仪检测 混凝土强度仅达到设计强度等级的一半 这是屋面倒塌的技术原因 该工程为私人挂靠施工 包工者从未进行过房屋建筑 无施工经验 在冬期施工而无采取任何相应的措施 不具备施工员的素质 且工程未办理任何基建手续 校方负责人自认甲方代表 不具备现场管理资格 由包工者随心所欲施工 这是施工与管理方面的原因 79 提高混凝土抗压强度的措施 1 采用高强度等级水泥 2 采用单位用水量较小 水灰比较小的干硬性混凝土 3 采用合理砂率 以及级配合格 强度较高 质量良好的碎石 4 改进施工工艺 加强搅拌和振捣 5 采用加速硬化措施 提高混凝土的早期强度 6 在混凝土拌合时掺入减水剂或早强剂 高性能混凝土的物理力学性能 80 2 混凝土抗折强度 FlexuralStrength 高性能混凝土的物理力学性能 81 3 混凝土劈裂抗拉强度 Splittingtensilestrength 高性能混凝土的物理力学性能 82 4 混凝土弹性模量 Young smodulus 影响因素 混凝土强度混凝土容重试件含水率集料养护方法 高性能混凝土的物理力学性能 83 高性能混凝土 第五节高性能混凝土性能评价1 5 1高性能混凝土拌和物的工作性能评价体系1 5 2高性能混凝土的力学性能1 5 3高性能混凝土体积稳定性1 5 4高性能混凝土的耐久性 84 高性能混凝土体积稳定性 1 混凝土的收缩 Shrinkage 化学收缩 ChemicalShrinkage 塑性收缩 PlasticShrinkage 自生收缩 AutogenousShrinkage 温度收缩 ThermalShrinkage 干燥收缩 DryingShrinkage 碳化收缩 CarbonationShrinkage 徐变收缩 CreepShrinkage 85 化学收缩 ChemicalShrinkage 化学收缩是指由于水泥水化 浆体中的固体和液体绝对体积的减少 水化产物的绝对体积要小于水化前水泥与水的绝对体积 86 塑性收缩 PlasticShrinkage 塑性收缩指新拌混凝土在没有硬化之间发生的体积变化 是由化学收缩 自收缩 表面水分的快速蒸发 大于泌水速度 等共同作用的结果 解决办法 喷雾挡风遮阳覆盖喷养护剂 87 自收缩 AutogenousShrinkage 混凝土在恒温绝湿条件下 由胶凝材料的水化作用引起水泥石内部的自干燥 Self dessication 使毛细孔内水分不饱和而产生压力差而引起的收缩称自生收缩 88 温度收缩 ThermalShrinkage 混凝土随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩 简称冷缩 一般情况下 当混凝土温度降至0 以下时 混凝土不仅不收缩 反而会因结冰产生的压力而引起膨胀变形 温度收缩与温差成正比 89 干燥收缩 DryingShrinkage 置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形 称为干燥收缩变形 简称干缩 严格来讲 干燥收缩应为混凝土在干燥条件下实测的变形扣除相同温度下密封试件的自生体积变形 90 碳化收缩 CarbonationShrinkage 在一定湿度的空气中CO2和混凝土表面由于水泥水化生成的水化物发生碳化反应而引起的体积收缩即碳化收缩 Ca OH 2 CO2 CaCO3 H2O 91 徐变收缩 CreepShrinkage 混凝土的徐变是指在持续荷载作用下混凝土的应变随时间的增长而逐步增大的行为 在一般情况下 徐变可以缓解应力集中 减轻或防止裂纹的发生 92 2 混凝土的膨胀 Expansion 化学侵蚀破坏所引起的膨胀冰冻所引起的膨胀浸泡所引起的膨胀温度升高所引起的膨胀掺膨胀剂所引起的膨胀 93 微膨胀混凝土 Micro expansiveConcrete 膨胀剂的种类及原理 以钙矾石为膨胀源的膨胀剂包括硫铝酸钙类 铝酸钙类 明矾石类等 其膨胀机理均为通过化学反应生成AFt而产生体积膨胀 以Ca OH 2为膨胀源的膨胀剂主要成分为CaO 依靠它与水反应生成Ca OH 2而产生体积膨胀 以Mg OH 2为膨胀源的膨胀剂主要成分为MgO 依靠它与水反应生成Mg OH 2而产生体积膨胀 94 微膨胀混凝土 Micro expansiveConcrete 膨胀剂的种类及原理 以Fe OH 2 Fe OH 3为膨胀源的膨胀剂主要成分为Fe粉和氧化剂 依靠它与水反应生成Fe OH 2 Fe OH 3而形成体积膨胀 发气类膨胀剂主要成分为Al粉 也有的用H2O2作为膨胀源 依靠它与反应生成气体而产生体积膨胀 95 微膨胀混凝土 Micro expansiveConcrete c 膨胀剂的要求 96 微膨胀混凝土 Micro expansiveConcrete d 使用膨胀剂的目的 补偿收缩形成自应力 97 按照反应方程式可以计算出各种含铝相原材料中活性Al2O3与石膏完全反应生成钙矾石 AFt 的理论摩尔比 当某二种含铝相原料复合后再加石膏配制成膨胀剂时 其理论 Al2O3 SO3 可以根据各种组分的百分含量计算而得出 硫铝酸盐水泥 Al2O3 SO3 1 0 7高铝水泥 Al2O3 SO3 1 1生 熟 明矾石 Al2O3 SO3 1 1 7 膨胀反应 Al2O3 SO3 理论摩尔比 98 Al2O3 SO3 影响膨胀率的规律1 当 Al2O3 SO3 高于理论值时 即石膏量不足 膨胀量低 膨胀稳定期短 2 随 Al2O3 SO3 降低 即二水石膏的增加 膨胀量增大 早期膨胀量明显增加 在一定的比例范围内可以获得最佳的膨胀值和膨胀稳定期 3 当掺入的石膏量继续增加时 相应的活性Al2O3量减少 大量的SO3剩余下来 在后期AFt还能不断生成 结果可能导致水泥石后期体积的不稳定性 99 组成设计A 对于要求具有较高膨胀能 膨胀稳定期短 早期强度发展快的高强混凝土 可以选用高活性含铝原材料 CAS水泥或高铝水泥 和二水石膏在适宜的 Al2O3 SO3 比条件下配制成膨胀剂 B 对于要求膨胀稳定期较长 并且后期要有一定膨胀量的混凝土 应该选用一般活性的含铝相原料 天然明矾石 煅烧明矾石等 和二水石膏 并且适当降低 Al2O3 SO3 增加石膏的含量 以保证混凝土强度和膨胀协调发展 100 复合膨胀剂BEA的研制 1 未掺膨胀剂的基准样 21d已出现较大的收缩 2 1 早期膨胀能大 但膨胀落差大 在90d龄期已出现收缩 3 3 及掺UEA样 早期膨胀能较小 且在90d龄期已出现收缩 4 2 掺BEA样 早期膨胀能大 且膨胀落差小 在90d龄期仍有较大的膨胀率 持续稳定膨胀 通过BEA组分的设计 可进行膨胀量的精确控制 101 102 式中 RO代表CaO MgO FeO R2O代表K2O Na2O 释水因子制备 1 控制材料组成范围与工艺参数如下 2 确定烧成及冷却制度如下 在1100 1300 条件下焙烧15 20min 出炉温度控制在800 900 急冷至700 急冷时间为1 3min 700 400 缓慢冷却 缓慢冷却时间为20 30min 400 至室温采用急冷 急冷时间为1 3min 3 产品性能及控制指标 颗粒尺度 2 5 7 5mm 表面形状 不规则颗粒形状 粒度系数1 2 1 4 颗粒筒压强度 6 0MPa以上 颗粒表观密度 1400 1500kg m3 吸水率 1h 8 可根据工程需要进行选择 103 释水因子掺量 设混凝土中砂的用量为S 释水因子的吸水率为X 释水因子取代砂的体积率为N 则释水因子的掺加量Q按下式计算 释水因子应用技术 图7混凝土膨胀性能对比试验 104 释水因子在混凝土中的分布及作用效果 图8中棕红色均匀分布在混凝土中的粒状物为释水因子材料 图9中左下部分为一粒释水因子的微观结构显示 左上部分为水化产物 可以看到这些产物生长在释水因子附近区域 结构致密 应该具有较好的膨胀性能 图10是未掺释水因子膨胀混凝土的微观显示 可以看到存在许多空隙 孔洞 结构松散 不仅膨胀性能难以保证 甚至可能出现收缩 105 高性能混凝土 第五节高性能混凝土性能评价1 5 1高性能混凝土拌和物的工作性能评价体系1 5 2高性能混凝土的力学性能1 5 3高性能混凝土体积稳定性1 5 4高性能混凝土的耐久性 106 混凝土耐久性的定义 混凝土耐久性指混凝土材料或混凝土结构在其所设计的使用环境中保持其设计的使用性能而无明显劣化现象的能力 混凝土的耐久性能对结构的安全至关重要 混凝土的劣化往往导致结构的损伤或破坏 为什么要研究混凝土的耐久性 108 国内外众多事例表明 由于混凝土材料的耐久性问题 很多工程未达到设计寿命就显现出耐久性不好的病害 甚至发生严重事故而造成十分巨大的经济 社会损失 威胁了公共安全 国内的一些机场跑道 高速公路 铁路桥梁轨枕 京津地区的立交桥 华东华南地区海港码头等混凝土工程在远低于其设计寿命 有的甚至刚刚建成几年内 即遭损坏 混凝土的工程质量和耐久性 美国数百亿美元 年维修费用英国2 3的建筑需要维修重建费用 2 3倍的新建费用 为解决混凝土耐久性问题 我国正处于大规模基本建设阶段 目前混凝土年产量已占全世界的40 因此 混凝土安全性问题既是全世界所面临的重大问题 也更是我国当前急需解决的重大课题 110 古罗马斗兽场高59米 公元80年建成 111 三峡大坝 112 抗渗性 Impermeability 氯离子渗透 113 抗渗性 Impermeability 氯离子渗透 114 抗渗性 Impermeability 压力渗水 115 分析 A B两混凝土采用相同的水泥 砂 石 A掺用了引气剂 并降低了水灰比 其抗渗性优于B 请观察两混凝土断面的孔结构 如图 并讨论如何可提高混凝土抗渗性 116 A混凝土虽有较多气泡 但这些气泡是不连通的 截断了毛细管通道 从而提高了抗渗性 且其减少了水灰比 使其它部分更为致密 可见 改善混凝土孔结构 提高混凝土密实度 可提高混凝土抗渗性 117 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 钢筋锈蚀机理钢处于高能量状态 是热力学不稳定的 常温 干燥环境下 氧化剂难以与钢发生氧化反应 在土 混凝土等介质当中 含有电解质溶液 为其氧化反应创造了条件 118 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 混凝土中钢筋表面的钝化膜由水泥熟料矿物水化生成了CH 另外Na K 的存在 使孔隙溶液pH值可超过13 强碱环境下钢筋表面形成钝化膜 保护钢筋 两个临界值 pH 9 88 开始形成钝化膜 pH 11 5 钝化膜才能完全覆盖钢筋表面 119 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 钢筋锈蚀的过程由于碳化等原因 混凝土孔溶液中pH值降低 钝化膜破坏 钢筋锈蚀存在两个电极反应 一是金属的阳极溶解反应 即金属被氧化 以离子形式进入溶液 二是在阴极区 大气中的氧扩散至钢筋表面并溶解于钢筋表面的水膜 由它吸收阳极传来的电子 发生还原反应阳极二次化学反应 120 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 钢筋破坏的阶段 1 预备阶段 从浇筑混凝土时到碳化层深达钢筋 或氯化物侵入混凝土使钢筋去钝化 即钢筋开始腐蚀时 2 发展阶段 从钢筋开始腐蚀发展到严重腐蚀 再到结构破坏 121 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion Cl 在钢筋锈蚀中的作用 氯离子是极强的阳极活 去钝化 剂 在水泥的浸出液中 即使其pH值还很高 如达到13 只要有4 6mg L浓度的氯离子 就足以破坏钢筋钝化膜 Fe2 2Cl 4H2O FeCl2 4H2OFeCl2 4H2O Fe OH 2 2Cl 2H 2H2O氯离子虽然并不构成腐蚀产物 在腐蚀中也不消耗 但作为促进腐蚀的中间产物 会给腐蚀起催化作用 122 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 海洋浪溅区混凝土的氯离子侵蚀 浪溅区下部接触氯化物机会多 潮湿 易成为阳极区 而上部接解氧气较多 易成为阴极区 浪溅区混凝土潮湿 又含有渗入的电解质 使其易形成良好的导电通路 浪溅区干湿循环及海风风干作用使氯离子更易由于毛细管作用进入混凝土内部 123 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 钢筋锈蚀的危害 削弱了钢筋的受力截面积 尤其是预应力混凝土结构内的高强钢丝 由于其表面积大 截面小 应力高 一旦发生腐蚀 危险性更大 严重会导致构件断裂的危险 钢筋锈蚀体积膨胀大约增长2 2倍 会使混凝土保护层破裂脱落 从而降低结构受力性能和耐久性能 钢筋锈蚀降低了钢筋与混凝土间的粘着力 影响钢筋与混凝土共同工作的性能 降低结构的强度安全 124 钢筋锈蚀 Steel barcorrosion 防护钢筋锈蚀的措施 提高混凝土的密实度 保持混凝土内部的碱度 固化氯离子 钢筋表面包裹树脂等 牺牲阳极的阴极保护法 外加保护电流型阴极保护法 125 碳化 Carbonation 碳化机理碳化是指空气中的CO2气体不断透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道 气相扩散到混凝土内部充水的毛细孔中与其中的孔隙液所溶解的Ca OH 2进行中和反应 生成碳酸盐或其他物质的现象 CO2 H2O H2CO3Ca OH 2 H2CO3 CaCO3 2H2OC2S2H3 3H2CO3 3CaCO3 2SiO2 6H2O 126 碳化 Carbonation 碳化对混凝土性能的影响 体积收缩不利于钢筋保护有可能提高混凝土强度 127 刘家峡 甘肃 盐锅峡 甘肃 八盘峡 甘肃 龙羊峡 青海 大量已建工程硫酸盐侵蚀破坏严重 硫酸盐侵蚀 Sulphateattack 128 硫酸盐侵蚀的类型 原理及影响因素提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的措施 硫酸盐侵蚀 Sulphateattack 129 硫酸盐侵蚀的类型 物理侵蚀破坏 化学侵蚀破坏 石膏侵蚀钙矾石侵蚀TSA 碳硫硅钙石硫酸盐侵蚀 盐类结晶破坏 130 化学侵蚀破坏 TSA型 TSA侵蚀的认识过程1965年 Erlin和Stark首次发现thaumasite腐蚀产物 1971 1976间 法国人Lachaud报道69例硫酸盐侵蚀破坏 认为有一半以上是由thaumasite形成引起的 1998年 英国格洛斯特郡10座高速公路桥基础因thaumasite而破坏 TEG ThaumasiteExpertGroup 成立 1999年 TEG提交研究报告 明确提出TSA概念 Thaumasiteformofsulfateattack 2002年6月 第一届Thaumasite和TSA国际会议在英国召开 131 化学侵蚀破坏 TSA型 碳酸盐 硫酸盐 水共同作用下水泥石中CSH分解形成无强度的thaumasite 混凝土变为无强度的泥 砂混合物与传统的钙矾石或石膏型侵蚀破坏相比 TSA侵蚀并不引起混凝土宏观体积发生明显膨胀 开裂 英国某桥墩基础混凝土因TSA侵蚀成泥浆状 132 TSA发生的条件 SO42 离子主要来源于含硫地下水及土壤 SiO32 的来源硬化浆体中其主要胶凝物质是CSH 它是形成碳硫硅钙石所需硅酸盐的主要来源 残留的未水化的硅酸三钙和硅酸二钙是次级来源 133 CO32 的来源大部分来自石灰石质骨料或填料的石灰石 或者来源于水中所溶解的无机碳酸盐及生物碳酸盐 水的来源所有的硫酸盐侵蚀形式都需要水源或非常潮湿的环境条件 混凝土中TSA的发生和发展也是如此 干燥条件可以有效阻止或减缓TSA的发生 温度低温条件 15 不是混凝土发生TSA的必要条件 但低温条件加快了TSA的发生和发展 TSA发生的条件 134 改变胶凝材料组份 控制C3A和C4AF的含量 能直接减少钙矾石的生成量 而控制C3S的含量 主要是为了减少水化后混凝土中Ca OH 2的含量混合材的掺入 粉煤灰 矿渣等火山灰质混合材的掺入 特别是与抗硫酸盐水泥联合使用时 能显著提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能 防止水分的进入 一方面它是直接参与反应的物质 另一方面水的存在为各种离子的迁移和反应的进行提供一个介质减少硫酸盐 碳酸盐源 提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的措施 135 青藏铁路工程面临硫酸盐侵蚀的严峻考验 136 内容概要 AAR的分类和反应机理AAR的发生条件AAR的破坏特征AAR的主要影响因素防止AAR的措施AAR与其它耐久性破坏的协同作用 碱骨料反应 Alkali aggregatereaction 137 一 碱 集料反应的分类和反应机理 AAR是指混凝土孔溶液中由水泥 含碱外加剂和环境等释放的Na K OH 与集料中的有害矿物发生具有膨胀性化学反应 导致混凝土膨胀和开裂 按有害矿物的种类不同 AAR可以分为碱硅酸反应 ASR 和碱碳酸盐反应 ACR 138 1碱 硅酸反应 ASR 碱 硅酸反应 ASR 是指混凝土中的碱组分与集料中的某些硅活性组分之间发生的化学反应 其结果导致集料被侵蚀 生成具有膨胀性的产物并导致混凝土结构开裂 其过程包括碱溶液扩散到活性组分 物理过程 碱与活性组分发生化学反应形成ASR凝胶 化学过程 和产物吸水肿胀 物理过程 139 2碱 碳酸盐反应 ACR 碱 碳酸盐反应 ACR 是指混凝土中的碱与某些碳酸盐矿物产生化学反应引起混凝土的地图状开裂 140 ACR的膨胀机理与ASR是完全不同的 当碱与白云石作用时发生如下的反应 并称之为去白云化 dedolomitization 反应 化学方程式表示为 CaMg CO3 2 2OH Mg OH 2 CaCO3 CO32 141 在此反应中 反应物的固相体积大于反应产物的固相体积 因此反应本身不可能引起膨胀 但白云石晶体中包裹有干燥的粘土 去白云化反应使菱形白云石晶体遭受破坏 从而使粘土暴露造成能够吸水而膨胀的条件 即去白云石化是膨胀的前提条件 而干粘土吸水是膨胀的本质原因 142 碱 硅酸盐反应实质上是碱 硅酸反应 而膨胀的快慢决定于石英的晶体尺寸 晶体缺陷以及微晶石英在岩石中的分布状态 当微晶石英分散分布于其它矿物之中 则Na K OH 必须通过更长的通道和受到更大的阻力才能到达活性颗粒表面 从而使反应延缓 143 二 碱 集料反应的发生条件 不论是ASR还是ACR 必须同理具备三个条件 混凝土中有一定量的碱 必须有相当数量的活性集料 使用环境有足够的湿度 144 1混凝土中有一定量的碱 配制混凝土时带入的碱外界环境中带入的碱 145 2必须有相当数量的活性集料 所谓活性二氧化硅一般是指无定形二氧化硅 隐晶质 微晶质和玻璃质二氧化硅 硅质岩石的碱活性主要决定于二氧化硅的结晶度 无定性者活性最大 晶体缺陷越强 则活性越高 146 RILEM 国际材料与建筑构造研究实验所联合会 标准中根据集料所含活性组分的类型及其含量对其进行分类 集料中含有 或更多的蛋白石类高活性的组分时 集料为活性 集料中不含有蛋白石或类似的高活性组分 并且组成中含有95 以上的被认定为非活性组分时 集料为非活性 集料中含有活性组分 但活性组分的含量介于非活性与活性集料含量之间的集料为潜在碱活性集料 147 采用光学显微镜可以在一定程度上做出定