2. 混凝土的技术研究及其在重大工程中的应用-中国土木工程学会

混凝土的技术研究及在重大工程中的应用混凝土的技术研究及在重大工程中的应用缪昌文江苏省建筑科学江苏省建筑科学研究院高性能土木工程材料国家重点实验室22混凝土技术研究及其在重大工程中的应用国家重大需求建筑工程核电工程2020年达到20国家重大需求建筑工程核电工程2020年达到20个田湾核电站装机容量大型桥梁年达到24个三机量十三五期间估计突破12万公里2020年高铁营业里程达到3万公里海洋工程高速铁路4水电工程水电工程西西气东输高速公路高速公路现代重大基础工程亟需混凝土新技术超长跨距复杂设计离传离构的多样性与复杂性要求超大体积超大体积超高层建筑55体积6体积6混凝土施工要求越来越高"和易性优、泵送、自密实、长距离运输、长时间浇注p武汉绿地中心-606m；天津117-597m桥梁桥面板"桥梁桥面板"凝结之前"平行于钢筋/取向无规律7现代混凝土结构早期开裂问题突出某轨道交通车站某轨道交通车站"拆模即可出现；"竖向裂缝；"间距较规整p美国调研结果：高速公路桥梁开裂问题占50%以上；2000年后修建公路桥均出现开裂问题p某轨道交通调研结果(近期)：裂缝引起的渗漏占85%以上；现有的分段长度下(15-30m)裂缝出现达到94%88严酷环境下混凝土耐久性问题突出p海洋混凝土结构的钢筋锈蚀问题p其他环境下混凝土的开裂与劣化99混凝土材料的可持续发展2015年中国水泥产量23.48亿吨(2014年24.76亿吨)，消耗大量的资源和能源；仅仅2014年就产生了32亿吨的工业固体积积现代混凝土结构亟需突破混凝土功能化瓶颈早强高强1.混凝土超早强与高强化2.组合与装配化3.绿色化4.自密实化混凝土性能提升关键创新技术混凝土流动性调控技术混凝土收缩与裂缝控制技术混凝土耐久性提升技术混凝土功能化关键技术混凝土流动性调控技术混凝土流动性调控技术提高吸附驱动力PO32-水泥PO32-PO32-PO32-PO32-弱化氢键作用弱化氢键作用OON提高吸附驱动力PO32-水泥PO32-PO32-PO32-PO32-弱化氢键作用弱化氢键作用OON选择性吸附技术口高适应性聚合物外加剂增增加优先吸附驱动力3333PO2-PO2-PO3333NNNNN题提升初始吸附驱动力降低溶液粘度水泥工业废渣高电荷密度主链提升初始吸附驱动力降低溶液粘度水泥工业废渣高电荷密度主链选择性吸附技术口快分散降粘型聚羧酸外加剂增增加水膜层厚度快分散降粘型聚羧酸快分散降粘型聚羧酸外加剂解决了低水胶比(W/B=0.18)、大掺量工业废渣(大于50％)复杂组分混凝土初始分散慢、粘度大的难题长侧链M=2000~5000缓释基团链慢释放基团早期释放后期释放减少早期水化掩埋持续补偿长时间损失补充 分散持续水化高分散保持技术作用过程长侧链M=2000~5000缓释基团链慢释放基团早期释放后期释放减少早期水化掩埋持续补偿长时间损失补充 分散持续水化高分散保持技术作用过程缓控释技术口高效保坍型聚羧酸外加剂水水解型侧链快速补充快速补充高温损失 酸外加剂实现了严酷环境下复杂组分混凝土流动性的多外加剂吸附率/%快速水解型聚醚单体快速释放补充早期损失外加剂吸附率/%快速水解型聚醚单体快速释放补充早期损失缓控释技术口中低坍落度保坍型外加剂亲水性网络亲水性网络交联技术降低用水量敏感性降低用水量敏感性逐步水解提供保坍外加剂分子示意图4020020406080100140HSR0经时吸附时间/min满足了核电、水电混凝土流动性保持的特殊需求重大基础工程应用口交通工程306米主塔钢纤维泵送混凝土306米主塔钢纤维泵送混凝土442271m3超大体积混凝土承台世界第二长斜拉世界第二长斜拉桥p选择性吸附技术解决了低水胶比、大掺量工业废渣混凝土初始分散慢、粘度大的难题p缓控释技术解决了高温、长时间流动性保持的技术难题世界最长的跨海大桥，全长36公里位世界最长的跨海大桥，全长36公里位于杭州湾，海洋环境腐蚀作用严重，混凝土耐久性问题突出重大基础工程应用口交通工程湾大桥p解决了大掺量矿渣(50%以上)混凝土粘度大和35℃以上高温保坍的应用难题p显著提高了混凝土抗氯离子侵蚀能力，氯离子扩散系数小于1.0*10-12重大基础工程应用口交通工程桥胶州湾大桥桥相相关技术随后也陆续运用于胶州湾大桥、港珠澳大桥等特大跨海缓控释技术解决了核电混凝土中等坍落度缓控释技术解决了核电混凝土中等坍落度夏季保坍的技术难题，首次实现核电混凝土外加剂的国产化重大基础工程应用口核电工程电站电站瀑布沟等大型水电工程得到成重大基础工程应用口水电工程电站p缓控释技术和选择性分散技术解决了水电工程低胶材用量常态混凝土坍落度保持和复杂组分混凝土的高效分散及分散保持的要求武广高铁成果在京沪、沪宁、贵广、武广、郑西等高铁工程得到武广高铁成果在京沪、沪宁、贵广、武广、郑西等高铁工程得到成功应用重大基础工程应用口高铁工程1318公里，设计时速350km/h京沪高铁郑西客运专郑西客运专线p解决了夏季高温施工流动度损失大、大掺量工业废渣初始分散慢、粘度大的技术难题重大基础工程应用口市政民用工程528米超高层泵送65,000m3混凝土底板p提高了外加剂对民用商混原材料波动的适应性p满足了商混高温、长距离运输对流动度保持的要求混凝土混凝土收缩与裂缝控制技术水分蒸发抑制技术口作用机理基准单分子膜p通过引入两亲性分子结构在高盐、高碱的混凝土表面泌水层上实现自组装，并形成稳定单分子膜，从而减缓水分蒸发，降低混凝土的塑性收缩和开裂风险重大基础工程应用口鼎新机场p环境温度>40℃；地表温度>50℃；湿度<30%；风速>8m/sp成功解决极端条件下养护难题，未出现干燥开裂现象第二双线盖膜覆盖第二双线盖膜覆盖重大基础工程应用口兰新铁路第二双线p相比较传统养护方法，水分蒸发抑制技术可以更好的抑制混凝土早期塑性收缩开裂，对于西部干燥严重缺水地区的意义水分蒸发抑制水分蒸发抑制技术SurfaceTension(mN/SurfaceTension(mN/m)化学减缩技术口化学减缩剂作用机理p作为一种表面活性剂，减缩剂可以显著降低孔溶液的表面张力，进而减少由于水分蒸发/湿度降低而产生的毛细管压力(Kelvin-Laplace公式)p毛细管压力是导致混凝土干燥收缩的驱动力0510152025300-60-6化学减缩技术口减缩型聚羧酸p基于减缩剂的作用机理，设计一种新型的分子结构降低干燥收缩Time/d5降低干燥收缩Time/d5101520253000-500-50-200ControlB1P6001:0.75B2P6001:0.75B2P12001:1-250掺量:-250-300减水作用掺量/%减水作用掺量/%减水率/%位阻，从而使高分子具有p实现了减水和减缩的协同作用重大基础工程应用口公伯峡水电站pp位于青藏高原，常年处于极端干燥、昼夜温差大的气候条件下p世界上最长的大坝混凝土防渗面板，米峡水电站p现场实际监测的结果表明，采用化学减缩技术可以减少约40%的干燥收缩。p首次在隧道工程采用综合化学减缩防裂技术(包括减缩性聚羧酸减水剂)，收缩变形和最高温p首次在隧道工程采用综合化学减缩防裂技术(包括减缩性聚羧酸减水剂)，收缩变形和最高温升均小于传统技术p主体结构未发生开裂和渗水现象重大基础工程应用口南京九华山隧道p该技术相继在南京龙蟠路隧道、模范马路隧道、苏州独墅湖隧道和无锡蠡湖隧道等工程中推广，取得效果p水化热调控材料可以有效降低水泥早期水化放热速率，但不影响p水化热调控材料可以有效降低水泥早期水化放热速率，但不影响总放热量p水化热调控材料与缓凝剂的作用机理与方式并不同口水化热调控材料作用机理率水化热调控技术世界最大的水力发电站600万立世界最大的水力发电站600万立方米大体积混凝土未世界最高的拱坝，305米高混凝土温度收缩与开裂得到了重大基础工程应用锦屏水电站锦屏水电站苏州污水处理厂苏州污水处理厂重大基础工程应用禄禄口国际机场预埋温度传感器℃膨胀历程可调、控膨胀效能大,失水收缩小水化产物稳定需水量较小提高混凝土抗裂能力膨胀历程可调、控膨胀效能大,失水收缩小水化产物稳定需水量较小提高混凝土抗裂能力轻烧CaO膨胀补偿收缩技术补偿自收缩和温降收缩，减小干燥收缩补偿自收缩和温降收缩，减小干燥收缩组组成结构特点：低水胶比、低孔隙率收收缩开裂特点：自收缩、干缩、温缩使使用环境特点：温度、湿度历程早期膨早期膨胀高活性高活性MgO低活性低活性MgO中期膨胀中期膨胀后期膨胀后期膨胀补偿收缩技术CaOCaO储存膨胀预压应力MgOMgO补偿中期及后期段收缩4CaO+H2O=Ca(OH)2实现了收缩过程分阶段、全过程的补偿，为超长、大体积 结构裂缝控制开启新思路向家坝水电站向家坝水电站补偿收缩技术瀑瀑布沟水电站0%MgO2%MgO#孔缝开合度/mm(#孔缝开合度/mm(0%MgO)#孔缝开合度/mm(4%MgO)开合度/mm(5%MgO)-0.120090180270-30龄期/dpp瀑布沟水电站：已服役>5年pp外掺MgO混凝土产生明显膨胀，新老混凝土之间的缝开合度补偿收缩技术代表工程：常州地铁1号线、徐州地铁2号线p车站结构基本信息1-1.4m，中板厚0.5m，顶板厚0.9m施工季节：夏、秋、冬季模板类型：钢/木模补偿收缩技术p常州地铁1号线全线调研结果果侧墙砼开裂占裂缝总量的83.9%，且基本贯穿裂缝出现时间一般是浇筑3d以后的降温期节施工时气温越高，裂缝出现几率越大主要为混凝土开裂引起，占总量的85.3%，其余为施工缝处理不到位p徐州地铁1号线调研结果墙体裂缝据业主与第三方统计，徐州已建1号线主体车站开裂渗漏p渗漏主要由开裂引起，侧墙开裂问题最为突出p浇筑长度越长、气温越高，裂缝出现几率越大开裂风险ηoC开裂风险η侧墙新桥站侧墙t=7.75d~3℃/d~8℃/dd裂开裂风险ηoC开裂风险η侧墙新桥站侧墙t=7.75d~3℃/d~8℃/dd裂η=1.0值t=21dη=0.7ηη补偿收缩技术监测结果监测结果 012345678001.21.00.80.60.401.21.00.80.60.40.20.0t=4.25d051015202530时间/d1.21.21.00.80.60.40.20.0新桥站底板计计算结果051015202530dp底板开裂风险较小：在21d左右达到临界值；侧墙开裂风险突出：在4-5d即达到或超过临界值p开裂主要原因：温度收缩占主导，叠加自收缩项目实施方案侧墙去除矿粉降低水泥用量去除防水剂开裂风险降低10%水化热调控+膨胀剂开裂风险降低项目实施方案侧墙去除矿粉降低水泥用量去除防水剂开裂风险降低10%水化热调控+膨胀剂开裂风险降低25%-35%合理选择浇筑长度略微控温、保温低开裂风险至0.70以下侧墙单掺粉煤灰双重调控抗裂技术提升抗裂性夏季略微控制 (原材料遮盖、夜间浇筑等)根据施工季节长度3d温补偿收缩技术工工程原有技术粉煤灰矿粉双掺防水剂、蓄水p通过400余种工况计算，量化影响抗裂性的关键因素p针对已有技术难以满足抗裂性要求问题，使用抗裂功能材料：补偿收缩+水化热调控东南大学SoutheastUniversity41对比段对比段补偿收缩技术夏季施工夏季施工不采取任何技术措施对对比段侧墙裂缝情况入模温度33℃,浇筑长度25.5m,临近不掺加功能材料，采取入模温度控制冰+延长拆模时间(1d→7d冰加冰效果有限：入模温度仅降低2C；开裂风险仅降低5%；裂缝2-3m出现1条实施段入模温度33℃,浇筑长度实施段混凝土温升降低13℃(配比优化+功能材料)降阶段收缩减小40%无裂缝产生，常州地铁剩余示范段实施工作正有序推进中覆盖位置温升/℃中部中心207边中心18.1中部中心覆盖位置温升/℃中部中心207边中心18.1中部中心0012345678间/d910补偿收缩技术秋、冬季施工口实施效果—秋、冬季施工26-27Cp最大温升：20C(对比段：38C)；温降阶段收缩减小50%p拆模后温度无明显突变(覆盖保温)主体结构已封顶，迄今已浇筑部分，尤其相邻车站，相同浇筑季节：平均每3-5m出现1条裂缝混凝土耐久性提升技术混凝土耐久性提升技术关键技术：硅氧烷口技术原理ppp毛细管渗透小分子硅烷通过毛细管作用渗透水解反应强碱下烷氧基水解生成Si-OH缩合反应Si-OH(硅羟基)与水泥表面-OH以及自身的硅羟基缩合生成M-O-Si-O-Si稳定憎水保护层(M，水泥主要 水解水解2H2O2H2O缩合RRRRSiSiSiSiSi 3H2ORRROOOSiSiSiSi重大基础工程应用广东虎门二桥亚湾核电杭州湾跨海大桥大键技术：侵蚀离子传输抑制剂口技术原理与技术特点pp口细化毛细孔径，降低毛细孔连通性，提高密实度堵孔与憎水复合作用孔少，但较大孔多，都较小作用效果基基准2%疏水孔栓物4%疏水孔栓物6%疏水孔栓物0728混凝土抗渗等级最高可达P混凝土抗渗等级最高可达P35重大基础工程应用口典型工程应用二桥侵蚀离子传输抑制剂施工剂掺量/%0467p侵蚀离子传输抑制剂在虎门二桥中得到应用，显著提升了混凝土的抗硫酸盐腐硫酸盐腐命≤30%≤45年效盐结晶抑制材料≥50%SOmgLClmg/L超盐渍土环境下混凝土结构的服役寿命SO关键技术：高效盐结晶抑制材料口技术原理与技术特点p矿物组成优化与最紧密堆积p竞争与络合反应p结晶抑制AFtAFt生成量减少 超盐渍土环境下与传统防腐技术对比SOSO入明耐蚀系数耐蚀系数10次30次50次60次0.5耐蚀系数耐蚀系数10次30次50次60次0.5关键技术：高效盐结晶抑制材料口作用效果p普通硫酸盐环境，较低掺量抑制腐蚀p高硫酸盐环境，掺量增加，混凝土强度损失明显降低p超盐渍土作用强度损失＜5%(耐蚀系数＞0.95)0.010.05%6%防腐剂掺量75%6%防腐剂掺量7%盐结晶抑制材料掺量对耐蚀系数的影响30次50次60次1.00.50.0420kg/m3450kg/0.50.0420kg/m3450kg/m3普通防腐剂(7%)硫酸盐侵蚀系数＞0.9，普通防腐剂混凝土＜0.9420kg/m3450kg/m3高效防腐剂(7%)重大基础工程应用口青岛万达广场地下水硫酸盐和氯盐浓度严重超标(SO42-12000mg/L、Cl-45000mg/L)区层土层泥层层p高效盐结晶抑制材料解决层土层泥层层FeHm(HNH2CH2C)HNNFeHm(HNH2CH2C)HNNH(CH2CH2NH)mHFeFe Fe关键技术：掺入型有机阻锈剂口技术原理p有机分子膜p抑制钢筋钝化膜溶解口技术特点通过低聚合和强推电子，实现与Fe的牢固吸附，隔离Cl-等有害离子p掺入新建结构混凝土拌合物，预防护p安全性，在各种氯离子浓度下能对钢筋混凝土提供腐蚀保护，钝化膜型阻锈剂在用量不足时有加速点蚀的危险，环境友好，无毒p两极保护，同时保护阴极和阳极，钝化膜型阻锈剂只保护阳极Nconc.,10-2mg/gphase,deg21再提升3.53.02.52.01.51.00.5104Nconc.,10-2mg/gphase,deg21再提升3.53.02.52.01.51.00.51041010chargetransferresolutionCPER0M0.0076M0.019M0.038M0.054M0.076MFitting-100-80-60-40-200f,关键技术：迁移型有机阻锈剂口技术原理与技术特点p多羟基、多吸附中心p定向迁移p取代吸附Cl-、中和腐蚀坑内的H+p涂覆于已有结构表面，寿命再提升JZSBT-TJZSBT-TFMCI20200.11101001000100001000000.1110100100010000100000