高性能混凝土概况

1、高性能混凝土概况 自高性能混凝土概念的出现至今也只有 10 余年, 不同 国家不同学者依照各自的认识实践、应用范围和目的要求的 差异，对高性能混凝土的定义和解释也不尽相同。不少人认 为，高性能混凝土也应该是高强混凝土，或者更确切的如美 国学者 Mehta 提出的，高性能混凝土应具有高强度（ 60MPa 以上）、高工作度（流态、可泵） 、高体积稳定性（硬化过程 中不开裂、收缩徐变小）和高抗渗性（耐久）。 1992 年法国Malier Y. A. 认为，高性能混凝土也提出与此相似的强度要 求，其特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工 程经济性高和耐久性好，并将强度超过100MPa 并具有良

2、好工作度和其它优良特性的混凝土称为高性能混凝土， 而 1990 年5月，美国国家标准与技术研究所（NIST）和美国混凝土协会（ ACI ）主办的讨论会上，高性能混凝土被定义为具有 所要求的性质和均匀性的混凝土，靠采用传统的组分和施工 方法（一般的搅拌、浇注和养护方法）是不可能制备出这种 混凝土的。 HPC 所具有的性质包括：易于浇注、密实而不离 析的工作性；高的并且能够长期保持的力学性能；高早期强 度；高韧性；高体积稳定性；在严酷的环境中具有长久的寿 命。三年后，加拿大学者 Aitcin 又阐述了 HPC与高强混凝 土的不同，指出，高强混凝土就是强度高的混凝土。这正如 Birchall 和 K

3、elly 能够制造含聚醋酸乙烯酯的超高强水泥基材料制品，但这种材料的耐湿性和耐久性不能令人满意；同样Roy和Gouda通过加压技术在试验室制备出470MPa的水泥砂浆，但这种材料根本没有办法进行现场浇注，仅强调强 度并不是高性能混凝土特征。高性能混凝土在实际应用中， 许多情况下强调的不是抗压强度，而是要求其它方面的性 能。例如，高弹性模量，高密实度，低渗透性或对某种侵蚀 破坏的抵抗能力。1992 年日本的学者等认为： 高性能混凝土应具有高工作 性（高的流动性、粘聚性与可浇筑性） ，低温升、低干缩率、 高抗渗性和足够的强度。在我国，吴中伟则概括地认为，高性能混凝土是一种新 型高技术混凝土，是在大

4、幅度提高普通混凝土性能的基础上 采用现代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。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有 重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳 定性、 经济性。 蒲心诚认为， 高性能混凝土应具有大流动性， 高强度，高耐久性。一、高性能混凝土的特性与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性 能：1高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力，但不一定具有高强度，中、低强度亦可。2高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物应 具有较高的流动性，混凝土在成型过程中不分层、不离析， 易充满模型；泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵 性、自密实性能。3

5、高性能混凝土的使用寿命长，对于一些特护工程的 特殊部位， 控制结构设计的不是混凝土的强度， 而是耐久性。 能够使混凝土结构安全可靠地工作50100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。4高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在 硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变 形。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能 要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结 构的使用年限，降低工程造价。二、高性能混凝土的配备及应用1 高性能混凝土的配备原则在高性能混凝土按配合比拌制之前, 必须对原材料进行检验, 尤其要控制好集料 , 水泥和矿物掺合料的质量 , 主要的 技术指标

6、必须达到施工规范提出的要求。由于高性能混凝土 用水量少 , 水胶比低 , 拌合时较稠 , 因此在具体的操作中 , 应 需要采用拌合性能好的搅拌设备。配制的基本原则是 : 采用 低水胶比 , 选用优质原材料 , 且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂如硅灰、粉煤灰、矿渣等, 并从混凝土拌和物的流动性、施工工艺方面考虑 , 以获得高流态、低离析、 质量均匀的高强混凝土。粉煤灰能有效地提高混凝土的抗渗 性, 显著改善混凝土拌合物的工作性 , 拌合用水采用无污染、 无杂质的饮用纯净水。另外 , 制备高性能混凝土时 , 各种原材 料的计量应尽量准确。2高性能混凝土的应用范围随着材料科学的不断发展 ,

7、 耐久性、养护的难易程度以 及建设的经济性已成为工程建设的目标 . 高性能混凝土具有 易于浇注、 捣实而不离析、 高超的、 能长期保持的力学性能 , 早期强度高 , 韧性高和体积稳定性好 , 在恶劣的使用条件下 寿命长、高强度、高流动性与优异的耐久性。目前 , 高性能 混凝土广泛用于很多离岸结构物和长大跨桥梁的建造 , 包括 长大跨桥梁所用的拌合物。 它们主要用于主梁、 墩部和墩基 , 硅粉混合水泥。另外 , 由于高性能混凝土可以显著降低结构 的重量 , 显著提高受弯构件刚度 , 在预应力结构中则可施加 更高的预应力值 , 并可利用早强特点提高张拉。并且 , 高性能 混凝土还具有较强的抵抗大气

8、环境作用和化学物质侵蚀的 能力以及耐磨能力 , 可以广泛应用于露天工程或地下工程以 及道路桥梁工程当中。三、高性能混凝土配合比设计原则 根据混凝土受力过程及混凝土强度理论。混凝土强度主 要受混凝土中水泥石的密实度决定的，即无论是水灰比强度 公式、 Powers 的胶空比理论， 还是葛里非斯的脆性材料断裂 理论都是以混凝土中水泥石为研究对象，都是从不同的角度 研究混凝土的密实度对混凝土强度的影响。配制高强混凝土 的技术途径很多，例如：采用化学外加剂、超细矿粉、机械 压实、纤维增强、聚合物增强及蒸压养护等措施。实现高强 混凝土的手段，一般认为是由胶凝材料本身的高强化，增强 胶凝材料与集料的界面粘结

9、力及选择最佳集料三要素组成。在高耐久混凝土配合比设计中主要考虑的影响因素有：工作性。良好的工作性是使混凝土质量均匀、获得高 性能且安全可靠的前提。没有良好的工作性就不可能有良好 的耐久性。高性能混凝土拌和物具有高流动性、可泵性。同 时，拌和物还应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性。为 了保证施工的质量，配制时还要考虑减小流动性损失。影响 高性能混凝土拌和物工作性的因素主要有水泥砂浆用量（包 括水胶比、胶凝材料用量以及砂率） 、集料级配、减水剂品 种及用量等；强度。影响强度的主要因素有水胶比和矿物细掺料的 用量等。受界面的影响，粗集料粒径、砂率和浆体数量也会 对强度有一定的影响；耐久性。高性能混

10、凝土配制的最终目标主要是优良的耐 久性，而用于承重结构， 则同时强度应满足不同构件的要求。因为大多数造成混凝土劣化的（物理的或化学的）侵蚀都是 有害介质通过水的渗入而发生的，所以低渗透性是混凝土的 第一道防线。影响混凝土渗透性的主要因素是混凝土的内部 结构。因此，配制混凝土时，影响耐久性的因素是拌和物的 均匀性、稳定性，以及硬化混凝土的密实度、中心质网络的 形成、界面结构、尺寸稳定性和所用原材料的品质等。根据项目的前期研究，认为，对高速铁路用高耐久混凝 土的配制基本原则是是通过降低水胶比、强化水泥石与集料 的界面、改善水泥水化产物、降低孔隙率、提高密实度来实 现高耐久、高强度、高性能。高耐久的

11、混凝土配合比设计的 基本原则是：掺入高效减水剂以下在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用 水量，减小水灰比，使混凝土的总孔率，特别是毛细管孔隙 率大幅度降低。许多研究表明：当水灰比降低到 0.38 时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现。研究与应用的实践表明：大掺量高效减水剂时混凝土在 水胶比很低的条件下，仍能具有较大的流动性，可以成型密 实，生产强度与耐久性良好的高强与高性能混凝土。配制高 强混凝土时，高效减水剂的掺量通常要接近或等于其饱和掺 量。超塑化剂应通过试验，根据与水泥（胶凝材料）的适应 性，在萘系和多羧酸系的超塑化剂中选择，必要时复配其他 成分，以保证混凝土拌和物大流动度、

12、低坍落度损失等性能 掺量按固体计，为胶凝材料用量的 0.5%-2.0% 。 掺入高效活性矿物掺合料 掺入活性矿物掺合料的目的在于改善混凝土中水泥石 的胶凝物质的组成，活性矿物掺合料（硅灰、矿渣、粉煤灰 等）中含有大量活性氧化硅及活性氧化铝，它们能和波特兰 水泥水化过程中所产生的游离石灰及高碱性水化硅酸钙产 生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化硅酸 钙，从而达到改善水化凝胶物质的组成并消除游离石灰的目 的。耐久混凝土的配合比参数的优化 高耐久混凝土的配合比参数主要有水胶比、水胶比确定 下的浆集比（一定水胶比下的胶凝材料总用量或用水量） 水胶比和浆集比确定下的砂石比（反映一定浆集比下的

13、砂率 或粗骨料体积）和超塑化剂用量。这些参数不是孤立地影响 混凝土的个别性能，而是相互制约的。如为了保证高流动性 就要用较大的浆集比和砂率。高耐久混凝土配合比设计的任 务是正确地选择原材料和配合比参数，使其中的矛盾得到统 一，获得保证高耐久性的混凝土。水胶比：高强混凝土的强度与水胶比倒数之间的关系仍 然近似线性， 但是斜率变小。 水胶比越低， 混凝土强度越高 在用水量一定的情况下，水胶比反映的是胶凝材料用量以及其组合。对高强混凝土来说，矿物掺合料对强度的贡献是不可替代的。水胶比是混凝土配合比设计的关键，对高耐久混 凝土，水胶比应根据混凝土的工作性与强度的要求来确定。浆集比： 根据简化的模型来看

14、， 混凝土是一种两相材料，即由水泥浆和骨料复合的材料。水泥浆体是骨料的胶结材， 而骨料是非连续相。可以说，混凝土的渗透性，强度，工作 性，尺寸稳定性和混凝土的其他性能取决于胶结材 / 骨料之 比和两相材料各自的质量。水胶比确定下，胶凝材料用量就反映了水泥浆体和集料 的比例，即浆集比。浆集比主要影响混凝土的工作性，因而 也影响混凝土耐久性，在一定程度上还影响强度、弹性模量 和干缩率。高耐久混凝土特点是流动性大、强度高、水胶比 小，为保证混凝土具有足够的流动性，就要求有较大的胶凝 材料用量。随着浆集比的增大，混凝土的弹性模量会有所下 降，混凝土的收缩也会有所增加。从耐久性角度来看，必须有足够的浆体

15、浓度和数量，得 到良好的工作性，才能保证混凝土的耐久性。砂率：在水泥浆量一定的情况下，砂率对混凝土的主要影响是工作性。HFS-HPC由于用水量很小，砂浆量要由增加砂率来补充，砂率宜较大。据日本资料介绍，平均坍落度每提高20mm砂率应增加1%而强度并无明显变化。砂率的大小与砂的粗细、级配和石子的粒径、级配有关。当砂子的细度模数大而石子最大粒径小时，应减小石子用量。砂率的 选择可用砂浆富裕系数来计算。计算的原则是用砂浆填充石 子空隙并保证一定的富裕量。与普通混凝土相比，HPC 的配合比特点是：低水胶比，胶凝材料用量大，浆集比大，砂率 大，粗集料量小。根据以上应用的高耐久混凝土的配合比设计原则，可以

16、 首先采用砂浆进行力学性能优化试验，采用水泥浆体进行流 动性试验与流动度损失试验，提出如下的混凝土配合比具体 设计步骤使混凝土获得预期的高耐久、高流动度、高强等性 能。四、原材料选用要求1水泥采用品质稳定、强度等级不低于 42.5 级的低碱硅酸盐 水泥或低碱普通硅酸盐水泥（掺合料仅为粉煤灰或磨细矿 碴），禁止使用其它品种水泥。 品质应符合 GB175-2007 规定： 水泥的比表面积不宜超过 350m2/kg ，碱含量不应超过 0.60%， 游离氧化钙含量不应超过 1.5%,水泥熟料中C3A的含量不宜 超过8%（强腐蚀环境下不应大于 5%）, C4AF含量小于7%C3S C2S含量宜在40%4

17、5%之间的水泥。2粗骨料选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等球形、吸水率低、空隙率小的碎石,压碎指标不应大于10%,母岩立方体抗压强度与梁体混凝土设计强度之比应大于2，含泥量小于 0.5%，针、片状颗粒含量不大于5%，颗粒尽量接近等径状。(1)粗骨料粒径宜为520mm且分两级储存、运输、 计量，510mm颗粒质量占(40 ± 5) % 1020mm颗粒质量 占( 60± 5) %。( 2)选用粗骨料无碱活性(因条件所限不得不采用碱 硅酸反应砂浆棒膨胀率为 0.10 0.20%的活性骨料时，由 各种原材料带入混凝土中的总碱量不应超过 3.0kg/m 3)。3细骨料

18、( 1 ) 细骨料应选择级配合理、质地均匀坚固的天然中 粗砂(不宜使用机制砂和山砂，严禁使用海砂) ，细度模数 2.6 3.0 。( 2)严格控制云母和泥土的含量，砂的含泥量应不大于 1.5%，泥块含量应不大于 0.1%，云母含量不应大于 0.5%。( 3 )选用无碱活性砂(因条件所限不得不采用碱硅 酸反应砂浆棒膨胀率为0.10 0.20%的活性骨料时，由各种原材料带入混凝土中的总碱量不应超过 3.0kg/m3 )。4矿物掺和料适当掺用优质I级粉煤灰、磨细矿渣、微硅粉等矿物掺和料或复合矿物掺和料，1级粉煤灰和磨细矿渣粉分别应符合GB1596和GB/T18046的规定，1级粉煤灰需水量比不应 大

19、于 100%，磨细矿渣比表面积应大于 450m2/kg 。矿物掺和料 掺量不超过水泥用量的 30%，粉煤灰与磨细矿渣复合使用时， 两者之比为 1： 1。5专用复合外加剂 采用具有高效减水、适当引气、能细化混凝土孔结构、 能明显改善或提高混凝土耐久性能的专用复合外加剂，尽量 降低拌合水用量，专用复合外加剂必须满足专用复合外加剂 的规定。6拌合及养护用水 用水采用饮用水，并且应符合国家现行混凝土拌合用水标准（JGJ63）的要求。五、高性能混凝土施工工艺控制及要求1高性能混凝土拌合 混凝土的拌合采用两套配有一个砂斗，两个石料斗、 四个胶凝材料罐的全自动计量强制式混凝土搅拌站进行。 各种计量装置经法定

20、计量部门定期鉴定 , 并在每次 开盘前，均应进行校核。原材料称量的允许偏差：细、粗集 料为± 2%；其它为± 1%（均以质量计） 。 混凝土的拌合时间： 2-3min 。 混凝土拌合物入模前进行含气量测试，并控制在24%2高性能混凝土输送 高性能混凝土采用混凝土输送泵输送。泵送混凝土 应连续进行，输送时间间隔不大于45min ，且坍落度损失不大于 10%。 当混凝土坍落度较低时，不准在料斗内加水搅拌。 输送泵接料斗格网上不得堆满混凝土，要控制供料 流量，及时清除超径的骨料及异物。 冬季施工时宜用保温材料包扎输送管防止混凝土受 冻。 夏季高温施工时宜用湿草袋等覆盖输送管，防止

21、因 输送管道温度过高造成高性能混凝土坍落度损失过大影响 施工，直至造成混凝土堵管。3高性能混凝土浇筑混凝土的浇筑方法采用混凝土拖式输送泵浇筑。混凝土浇注时的自由倾落高度不得大于2m;混凝土的一次摊铺厚度不宜大于 400mm。混凝土的入模温度为530 C,夏季气温较高时采用冷却水拌合混凝土，使其入模温度符合要求。模板的温度为 535 C,夏季气温较高时采用冷却水喷洒模板，并采取遮 荫措施。桥面施工时尽量减少暴露的工作面，每段浇筑完成后 立即抹平进入养护程序。泵送混凝土施工工艺按照JG/T3064混凝土泵送施工 技术规程执行。为确保混凝土结构保护层的厚度符合设计要求，本工 程所有混凝土结构均采用定

22、制保护层定位夹（块） ，其尺寸 及形状符合设计要求，布置原则为 4个/m2，呈梅花形布置， 固定牢固。混凝土结构保护层的厚度允许偏差为+5mm并采用钢筋保护层厚度检测仪进行检测。每次浇筑混凝土采取两台输送泵同时进行，浇筑时间控制在 6h 内，保证混凝土在达到初凝时间之前浇筑完成。混凝土的浇筑应尽量选择在一天中气温适宜时进行， 并应连续进行，一次浇筑完毕。混凝土的浇筑顺序应严格按照设计要求进行，预制箱梁采取斜向分段、水平分层、对称连续浇注的方式进行。浇 筑时，先浇筑腹板下部混凝土，然后浇筑底板混凝土，再浇 注腹板上部混凝土，最后浇筑顶板混凝土。4高性能混凝土振捣所有混凝土一经灌注，立即进行全面的

23、捣实，使之形成 密实、均匀的整体。混凝土的密实采用高频插入式振捣棒和 附着式振动器联合振捣的方式进行。混凝土振捣采用操作台 统一控制，操作台由专人负责，统一指挥，严格控制振动时 间及振动顺序。5混凝土养护控制控制混凝土的各种温度主要是为了防止温差过大引起混凝土产生裂缝。混凝土养护要注意湿度和温度两个方面。养护不仅是浇水保湿，还要注意控制混凝土的温度变化。在湿养护的同时，应该保证混凝土表面温度与内部温度和所接触的大气温度之间不出现过大的差异。采取保温和散热的综 合措施，可以防止温降和温差过大。因此，综合考虑，蒸汽 养护能较好地解决以上两个方面的问题。混凝土温度控制的原则是：生温不要太早和太高；

24、降温不要太快；混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间 以及混凝土表面和大气之间的温差不要太大。温度控制的方 法和制度要根据气温（季节） 、混凝土内部温度、构件尺寸、 约束情况、混凝土配合比等具体条件来确定。（1）预制梁蒸养采用可移动和升降的养护棚内进行， 混凝土养生过程采取在混凝土内部埋设温度传感器利用温 度自动监控仪，并编制温度监控程序，对混凝土内部温度、 养护温度及环境温度进行全过程自动报警监控。预制梁蒸汽 养护分为静停、升温、恒温、降温四个阶段。静停期间保持 棚内温度5C以上，灌注完4h后开始升温，升温速度不大于 10 C /h ,恒温时蒸汽温度不超过 45 C,梁体芯部混凝土温度 不超过

25、60C,降温速度不大于 10C/h，整个养护过程控制 梁体芯部与表层、表层与环境温差不超过 15C。（ 2）自然养护采用草袋或麻袋覆盖洒水，并在其上覆 盖塑料薄膜养护，梁体洒水次数应能保持混凝土表面充分潮湿为度。当环境相对湿度小于60%寸，养护不少于 28d ;相对湿度在60%以上时，养护不少于14d。当环境温度低于5 C 寸，采取喷涂养护剂和塑料膜覆盖保温联合养护工艺，禁止 对混凝土洒水，暴露于大气中的新浇混凝土应及时喷涂养护 剂，混凝土喷涂的养护剂与混凝土表面温度之差不大于 15 C，养护剂应符合水泥混凝土养护剂(JC901-2002 )的要求。六、保证高性能混凝土施工质量的具体对策1、严

26、格控制高性能混凝土的拌制和运输高性能混凝土 拌制前 , 严格按照施工配合比进行准确计量。在具体的施工 配备中 , 即使搅拌设备上装有先进的含水量测定及控制设备 操作人员也应该认真操作 , 在其稠度发生波动时 , 及时加以 调整, 从根源上确保高性能混凝土的特性。搅拌前严格测定 粗细骨料的含水率 , 及时调整施工配合比。对于高性能混凝 土运输设备限定 , 则应根据具体建筑工程的结构特点和工程 量的大小以及道路气候状况等各种因素综合考虑后确定 , 在 运输过程中还要尽可能保持混凝土的均匀性。运输时间应保 证混凝土在初凝前浇入模板内并振捣密实。要求道路尽可能 平坦且运距尽可能短 , 最大限度上减少混

27、凝土的转运次数 , 确保高性能混凝土特性在具体施工中的正常发挥。2、高性能混凝土的科学合理浇筑 混凝土的浇筑质量好坏直接关系到具体道路桥梁结构的承载能力和耐久性。浇筑一般包括布料、摊平、捣实、抹 面和修整等诸多工序 , 混凝土浇筑工作十分关键 , 所浇混凝 土必须均匀密实且强度符合施工的具体要求, 保证结构构件几何尺寸准确 , 钢筋和预埋件位置准确 , 拆摸后混凝土表面 平整光洁。同时 , 还要正确留置施工缝 , 采用分层连续浇筑 , 严格控制所浇混凝土的入模温度。在浇筑过程中 , 采用插入 式高频振捣器按要求振捣密实。加强检查支撑系统的稳定性 浇筑后按照工艺仔细抹面压平 , 严禁洒水。3、保

28、证水化反应的正常进行此外 , 保证水化反应的正常进行是保证高性能混凝土高 性能的重要工艺措施 , 温度的高低直接影响水泥水化的速度 而湿度则严重影响水泥水化的能力。因此, 要严格控制温度和湿度条件 , 保证混凝土的水化反应在适宜的环境条件下进 行 , 确保高性能混凝土在施工中的使用功能。七、高性能钢筋混凝土结构耐久性钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较 低，且一直被认为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范 围非常广泛。然而，从混凝土应用于建筑工程至今的150 年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失 效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的 抗力不足造成的，有

29、的是由于使用荷载的不利变化造成的， 但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海及近 海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其 是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏，丧失了结构的耐久性 能，已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花 费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济 损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效 的最主要原因。国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导 致的损失是巨大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久 性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍 定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设 计阶段对钢筋防

30、护方面节省 1 美元，那么就意味着：发现钢 筋锈蚀时采取措施将追加维修费 5 美元；混凝土表面顺筋开 裂时采取措施将追加维修费 25 美元；严重破坏时采取措施 将追加维修费 125 美元。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是 迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久 性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性 评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方 面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部 与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此， 它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行 耐久性设计的理论意义，同时，对于丰富和

31、发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。1混凝土碳化（ 1）所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石 中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化， 使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。PH影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重 要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其 值一般大于 12.5 ，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发 生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝 土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过 孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和， 从而导致了混凝土的 PH 值的降低。当混凝土完全碳化后， 就出

32、现 PH<1 这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋 表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋 就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋 与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性 能降低等一系列不良后果。由此可见，进行混凝土的碳化规律分析，研究由碳化引 起的混凝土化学成分的变化以及混凝土内部碳化的进行状 态，对于混凝土结构的耐久性研究具有重要的意义。（ 2）混凝土碳化的机理混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥 与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度 ( 称为水泥 石) ，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的 整体。在混凝土的

33、硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将 生成氢氧化钙 (Ca(OH) 2) ，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结 晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化 钙的饱和水溶液是 PH值为12.6的碱性物质，所以新鲜的混 凝土呈碱性。然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩 散，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其它 物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，PH值下降到8.5左右。混凝土碳化的主要化学反应式如下：CO 2+H2O H2CO3(1-1)Ca(OH) 2+H2CO3 CaCO3+2 H2O(1-2)(3) 影响混凝土碳化的因素混凝土的碳化是伴随着 C02气体向混凝土内部扩

34、散，溶 解于混凝土孔隙内的水，再与各水化产物发生碳化反应这样 一个复杂的物理化学过程。研究表明，混凝土的碳化速度取 决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而 CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气 体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。所以碳 化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的 影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素 和与环境相关的外界因素。对于服役结构物来说，由于其内 部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因 素，女口 C02的浓度、环境温度和湿度。概况地说，混凝土碳化的影响因素为：混凝土本身的密 实度：混

35、凝土密实度越大，碳化速度越慢；二氧化碳的浓度： 二氧化碳浓度越大碳化速度越快比；环境温度：环境温度越 高，碳化速度越快；环境湿度：环境相对湿度在 5070%时， 碳化速度最快。(4) 混凝土的碳化规律国内外学者对混凝土碳化进行了深入的研究，在分析碳 化试验结果的基础上，国内外公认的碳化深度D与碳化时间t的关系式为：D t(1 -3)式中，为碳化速度系数；D为混凝土碳化深度(mr)t为测定D的碳化时间(年)。碳化速度系数 体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与 混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸 与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关。碳化规律应用1 自然锈蚀和

36、快速碳化之间的关系D1 C1t1D2,。2七2(1-4)式中，D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深 度；C1、C2为测定D1和预测D2时的碳化浓度；t1、t2为 测定D1和预测D2时的碳化时间。例1-1 :某混凝土结构物在建造时，为了估计二氧化碳 侵入混凝土结构的速度，预留了混凝土试块进行混凝土快速 碳化试验。碳化箱浓度是结构物实际环境二氧化碳浓度的 400倍，混凝土试块在放入碳化箱5天后测得其碳化深度为10mm 试问：实际结构使用 30年后的碳化 深度。解：已知 D仁 10 mm; t2 = 30 x 365 天；t1 = 5 天； C2/C1 = 1/400 ;贝廿：D2 = 10

37、 x 30 x 365 /( 5 x 400 )=23.4(mr)碳化规律应用2自根据实测碳化深度推测以后情况D2D1式中，D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；t1、t2为测定D1和预测D2时的碳化时间例 1-2 ：某结构物使用 10 年以后测其碳化深度为 15mm， 试问 : 该结构物使用 30 年后的碳化深度。解: 已知 D1 =15mm; t1 = 10 年; t2 =30 年; 则: D2=15(30/10) =26(mm).(5) 碳化深度和混凝土强度之间的关系分析 混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它 随时间的变化规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。一 般

38、来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减 慢，在后期则随时间下降。 在对服役结构的抗力进行评价时， 所关心的是结构在经过一个服役期后，混凝土强度是高于设 计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些问题是服 役结构抗力评价需要解决的问题。一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。碳化降 低混凝土的碱性，随着时间的推移，碳化的发展使混凝土失 去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀；另一方面，随着 时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有一定的影响。为了 了解碳化后混凝土本身强度的变化，须进行混凝土的抗压和 劈拉试验。2氯离子对混凝土结构的侵蚀我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设都集中

39、于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀， 混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，已建的海港码头等工程 多数都达不到设计寿命的要求。在我国北方地区，为保证冬 季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐，大量 使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋 锈蚀破坏。我国还有广泛的盐碱地，腐蚀条件更为苛刻。在 1991 年召开的第二届国际混凝土耐久性会议上， Mehta 教授 在混凝土耐久性五十年进展主旨报告中指出： “当今 世界混凝土破坏原因， 按重要性递减顺序排列是： 钢筋锈蚀、 冻害、物理化学作用。 ”而来自海洋环境和使用防冰盐中的 氯离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。（ 1

40、）氯离子对混凝土的作用机理 破坏钝化膜 水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密 的钝化膜。以往的研究认为该钝化膜是由铁的氧化物构成， 最近研究表明，该钝化膜中含有 Si-O 键，对钢筋有很强的 保护能力。 然而，此钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的， 当 PH<11.5 时，钝化膜就开始不稳定；当 PH<9.88 时，钝化 膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl 是极强的去钝化剂， Cl 进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜 处时，可使该处的 PH值迅速降低，可使钢筋表面 PH值降低 到 4 以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。 形成腐蚀电池 如果在大面积的钢筋表面上具有

41、高浓度氯化物，则氯化 物所引起的腐蚀可能使均匀腐蚀。但是，在不均质的混凝土 中，常见的局部腐蚀。 Cl 对钢筋表面钝化膜的破坏发生在 局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形 成单位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作 为阴极。腐蚀电池作用的结果使，在钢筋表面产生蚀坑，由 于大阴极对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。 去极化作用Cl 不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。Cl "与阳极反应产物 尸02+结合生成FeCI2,将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进行。通常 把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而加速阳极极化作用 称作去极化作用，

42、 Cl 正是发挥了阳极去极化作用。在氯离子存在的混凝土中，钢筋的锈蚀产物中是很难找到FeCI2存在，这是由于FeCI2是可溶的，在向混凝土内扩散 时，遇到0H就能生成Fe(0H)2沉淀，再进一步氧化成铁的氧 化物，就是通常说的铁锈。由此可见，CI"起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的CI ，会周而复始的起到破坏作用，着也是氯离子危害的特点之 一。 导电作用 腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中CI 的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提 高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯化物 还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴阳极之间的欧

43、姆电 阻。（ 2）氯离子侵蚀模型 基本模型 Fick 第二定律 通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用 的，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理 粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件，其中一种侵 蚀方式是主要的。目前有一些对各种机理全面考虑的模型， 但是由于模型中的一些参数很难确定，有些只能从定性上加 以描述，其实用性还需要继续探讨。尽管氯离子在混凝土中传输机理很复杂，在许多情况 下，扩散仍然被认为是一个主要的传输方式之一。对于现有 的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯 离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，这个扩散过程 一般引用 Fick 第二定律。

44、 Fick 第二定律很方便地将氯离子 的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来，可以直观地体 现结构的耐久性。由于 Fick 第二定律的简洁性及与实测结 果之间较好的吻合性，现在它已经成为预测氯离子在混凝土 中扩散的经典方法。选择 Fick 第二扩散定律也是基于一种 经验的假定，因为它的模型可以很好地拟合结构的实测结 果。CclCcl (Dcl -) txx(%)，一般以氯离子占水泥或假定混凝土中的孔隙分布是均匀的，氯离子在混凝土中 扩散是一维扩散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面 方向变化，Fick第二定律可以表示为：式中：CCi 氯离子浓度 混凝土重量百分比表示；t 时间(年)；x 位置

45、(cm);D ci 扩散系数。Fick第二定律的解取决于问题的边界条件。 氯离子侵蚀模型混凝土结构在经过相当长时间的使用后，表面基本达到 饱和，在稳定的使用环境中不会发生太大的变化，因此可以 假定混凝土结构表面氯离子浓度恒定。另外，假定混凝土结 构相对暴露表面为半无限介质，在任一时刻，相对暴露表面 的无限远处的氯离子浓度治为初始浓度。那么相应初始条件 可以写为：=0Ccl( x,0)边界条件：Cci(O,t) CsCcl ( , t) Co式中：Cs为混凝土表面的氯离子浓度；Co为氯离子初始浓度。根据初始条件和边界条件，可以得到下式的解为:Cx,tC0 (CsCo)1x4Dct"式中

46、：Cx.,t为t时刻x深度处的氯离子浓度;erf()为误差函数，erf(z)z2z2)d z(3)氯离子扩散影响因素 扩散系数 氯离子扩散系数是反应混凝土耐久性的重要指标。一般通过建立扩散深度和实测浓度的关系，然后根据Fick定律拟合氯离子的扩散系数。氯离子的扩散系数不仅和混凝土材 料的组成，内部孔结构的数量和特征、水化程度等内在因素 有关系，同时也受到外表因素的影响，包括温度、养护龄期、掺合料的种类和数量、诱导钢筋腐蚀的氯离子的类型等。 混凝土中Cl -的临界值 尚不致引起钢筋去钝化的钢筋周围混凝土空隙液的游离Cl -的最高浓度，被成为混凝土氯化物的临界浓度。这是一个十分重要的指标，但是因为

47、影响因素很多，既受到混凝 土成份、组织与环境条件的影响，而且氯化物浓度也还没有 一个严格统一的标准方法， 所以目前尚无统一的定论。 但是， 有一点是很清楚的，即钢筋腐蚀危险随混凝土氯化物含量增大而增加，当氯化物含量超过氯化物临界浓度是，只要其它 必要条件已经具备，就会发生很严重的钢筋腐蚀。 表面氯离子浓度 氯离子的扩散是由于氯离子的浓度差引起，表面浓度越 高，内外部氯离子浓度差越大，氯离子扩散至混凝土内部的 氯离子会越多。而结构表面的氯离子除了与环境条件有关 外，还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。 混凝土保护层厚度 混凝土保护层厚度为钢筋免于腐蚀提供了一道坚实的 屏障，混凝土保护层厚度

48、越大，则外界腐蚀介质达到钢筋表 面所需的时间越长，混凝土结构就越耐久。理论上混凝土保护层越厚，混凝土结构耐久性就越好。 但实际上，过厚的保护层在硬化过程中，其收缩应力和温度 应力得不到钢筋的控制，很容易产生裂缝，裂缝的产生会大 大削弱混凝土保护层的作用。一般情况下，混凝土保护层厚 度不应超过相关规定要求，具体尺寸应根据结构设计而定。3混凝土的冻害（1）混凝土冻害机理 在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和 水总要多于水泥的水化水，这部分多于的水便以游离水的形 式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。 这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素， 因为水遇冷冻结冰会

49、发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的 破坏。当处于饱和水状态时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水 处于过冷状态。因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而 降低，胶凝孔中形成冰核的温度在 -78oC 以下。胶凝孔中处 于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽 压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产 生一种渗透压力。此外胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛 细孔中的冰体积进一步膨胀。由此可见，处于饱和状态的混 凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压 力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开 裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强 度也会逐渐降低，最

50、后甚至完全丧失，使混凝土又表及里遭 受破坏。（2）主要影响因素混凝土 水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比 的增加，不仅饱和水的开孔总体积增加，而且平均孔径也增 加，在冻融过程中产生的冰胀压力和渗透压力就大，因而混 凝土的抗冻性必然降低。含气量 含气量也是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，特别是 加入引气剂形成的微细孔对提高混凝土抗冻性尤为重要，因 为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔 中的静水压力减小，即起到减压作用。在混凝土受冻结冰过 程中，这些孔隙可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形成。 混凝土饱水状态 混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。一般认为 含水量小于孔

51、隙总体积的 91.7 就不会产生冻结膨胀压力。 该数值被称为极限饱水度。在混凝土完全饱水状态下，其冻 结膨胀压力最大。由于混凝土表面层含水率通常大于其内部 的含水率，且受冻时表面的温度又低于内部的温度，所以， 冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。 混凝土受冻龄期 混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高。因为龄期越长 水泥水化就越充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力就越 大，这一点对早期受冻的更为重要。4混凝土的碱集料反应 碱集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分 之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性最主要的 因素之一。该反应不同于其它混凝土病害，其开裂破坏是整 体性的，且目前没有有效的

52、修补方法，而其中的碱碳酸盐 反应的预防尚无有效的措施。由于碱集料造成的混凝土开 裂破坏难以被阻止，因而被成为混凝土的“癌症” 。半个多 世纪以来，碱集料反应已经在全世界近二十多个国家造成 了严重的损失。(1)碱集料反应机理 碱集料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土 孔隙中的碱性溶液之间的发生的反应。可见，促使这类反应 发生必须具备三个条件，即在混凝土中同时存在活性矿物集 料(活性二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土质页岩等) 、碱 性溶液(KOH NaOH和水。在水泥水化生成物中，除了C2S C3S S3A和C4AF之外，还有少量的 Ca(OH)2,与集料中的钾长石或钠长石反应 会置换出KOH和

53、NaOH在水泥水化反应初期， 于集料颗粒四 周形成C-S-H凝胶及Ca(OH)2附着层，然后Ca(OH)2与长石 反应置换出KOH和NaOH形成发生碱集料反应的一个必要 条件。混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱集料发生反应：2Na2O SiO2 NaO SiO2 H 2OKOH和NaOH浓度较低时，不足以引气混凝土的破坏，一般认为当含碱量小于 0.6 时，可不考虑碱集料反应。当KOH或 NaOH浓度较高时，KOH或 NaOH不仅能中和二 氧化硅颗粒表面及微孔中的氢离子，还会破坏O-S-O之间的 结合键，时二氧化硅颗粒结果松散，并使这一反应不断向颗 粒内部深入形成碱硅胶。这种碱硅胶会吸收微孔中的水

54、分，发生体积膨胀。在周围水泥浆已经硬化的情况下，这种体积膨胀会受到约束，产生一定的膨胀压力。当该压力超过水泥浆抗拉强度时，就会引气混凝土开裂，时混凝土结构发生破 坏。该反应引气的体积膨胀量与混凝土中的含水量有关系， 水分充足时，体积可增大三倍。因此，为了减少这种膨胀压 力，必须防止水分由外部渗入混凝土孔隙中，即对混凝土结 构予以放水处理。（2）碱集料反应发生条件 碱集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料 或拌合水中的可溶性碱，和混凝土空隙中及集料中能与碱反 应的活性成分在硬化混凝土中逐渐发生的一种化学反应。不 论是碱硅酸反应和碱碳酸反应，必须同时具备如下三种 条件才能发生碱集料反应对混凝

55、土结构造成损坏：配制混凝土时由水泥、集料（海砂） 、外加剂和拌合水中带进混凝土中一定数量的碱，或者混凝土处于有利于碱渗 入的环境；有一定数量的碱活性集料；潮湿环境，可以提供 反应物吸水膨胀所需要的水分。（3）碱- 集料反应的主要影响因素 由碱集料反应的机理可以得知，影响这一反应的主要 因素为水泥的含碱量及集料本身有无反应活性，另外就是孔 隙水量，这三要素缺一不可。因此，影响碱集料反应的因 素也均与这三要素紧密相关，主要包括下列因素：水泥的含碱量、 混凝土的水灰比、 反应性集料的特性、 混凝土孔隙率、 环境温湿度的影响。5钢筋的锈蚀 大量工程实践证明，在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀 是影响服役结

56、构耐久性的主要因素。新鲜的混凝土是呈碱性 的，其 PH 值一般大于 12.5 ，在碱性环境中的钢筋容易发生 钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土 中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳、水汽和氯离子等有害物质 从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中 的碱性物质中和，从而导致了混凝土的 PH 值的降低，就出 现 PH<9 这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面 的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会 发生锈蚀， 并且随着锈蚀的加剧， 将导致混凝土保护层开裂， 钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋受力截面减少，结构 强度降低等一系列不良后果，从而导致结构

57、耐久性的降低。 通常情况下，受氯盐污染的混凝土中的钢筋有更严重的锈蚀 情况。钢筋锈蚀的研究是钢筋混凝土构件耐久性研究的一个 很重要内容，国内外学者进行了大量的试验研究、工程调查 和理论分析。目前为止，还没有既有充分理论根据，又全面 考虑了各种影响因素的实用数学模型，因此将预测混凝土中 钢筋锈蚀尚有不少工作要做。(1)钢筋锈蚀机理 混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。二氧化碳和氯 离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用，但是，这两种环 境物质都是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又最常遇到 的环境介质。因此，混凝土中钢筋锈蚀机理主要有两种：即 混凝土碳化和氯离子侵入。钢筋在混凝土结构中的腐蚀是在有水分子参与的条件 下发生的，钢筋锈蚀的电极反应式为：阳 极 ： Fe Fe2+2e阴 极 ：O2+2H2O+4e 4OH-阳极表面二次化学过程：Fe2+2OH- Fe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3在氧气和水汽的共同作用下，由上述电化学反应是的钢 筋表面的铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢 筋表面生成红铁锈，引起混凝土开裂。钢筋