高性能混凝土的研究与发展现状_毕业设计(编辑修改稿)

高性能混凝土的研究与发展现状_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

掺合料的混凝土碳化试验 25 掺磨细钢渣粉、矿渣微粉和硅灰复合掺合料的混凝土碳化试验 27 结论 30 参考文献 31 致谢 32 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 1 第 1 章 绪论 研究背景 混凝土可以追溯到古老的年代，自 19 世纪 20 年代出现了波特兰水泥后，由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，特别是能耗较低，因而用 途极为广泛。 1900 年，万国博览会上展示了钢筋混凝土在很多方面的使用，在 建材领域引起了一场革命，钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料。 然而钢筋混凝土结构并不是十全十美的，事实上从混凝土应用于土木工程至今的 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导致的，有的则是由于使用荷载的不利变化而造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足而造成的失效。 1988 年，我国的一项抽样调查结果表明，大约有 40%混凝土碳化深度已达钢筋表面，在潮湿环境下 建筑物中 90％构件内钢筋已经锈蚀，不仅严重影响交通和安全，而且造成巨大的浪费。 众多工程实例证明，有些钢筋混凝土结构发生过早破坏，其原因不是由于强度不足，而主要是混凝土的耐久性不够 [1]。 进入 21 世纪，随着科学技术的飞速发展，混凝土的应用范围越来越广泛。 在未来的几十年里，海底隧道、海上采油平台、污水管道、核反应堆外壳、有害化学物的容器等恶劣环境下的混凝土结构物，对混凝土要求的使用寿命不再是普通混凝土的 50 年左右，而是将要达到上百年至几百年。 这样，对混凝土的耐久性提出了更高要求，高性能混凝土应运而生。 高性能 混凝土（ High performance concrete,简称 HPC）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，对下列性能重点予以保证 :耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。 为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，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。 近十多年来，高性能混凝土的研究与应用获得了显著进展，但目前我国高性能混凝土的研究与应用仍处于发展阶段，仍然有许多理论 问题和应用问题需要研究，因此积极开展高性能混凝土的研究与应用是非常必要的。 高性能混凝土一般应具有以下特征 [2]： (1) 尽可能多地使用绿色水泥，最大限度地减少水泥熟料用量，代之以工业废渣为主的矿物外加剂，从而减少水泥生产过程中的 CO SO2及 NO 等气体的排放量，降低对天然资源与能源的消耗。 (2) 更多地采用废渣，如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰和稻壳灰等作为活性掺合料以节约水泥，并在改善混凝土耐久性的同时保护环境。 (3) 采用先进生产工艺，对大量建筑垃圾进行资源化处理，使之成为可利用的再生混凝土骨料， 减少对天然砂石的开采。 (4) 最大限度地发挥高性能混凝土的优势，减少结构面积或结构体积，节省混凝土用量，减轻自重。 通过大幅度提高混凝土耐久性，延长结构的使用寿命，使材料和工程充分发挥其功能。 高性能混凝土在配制上的主要特点是水胶比低，必须掺加足够数量的矿物掺和料和 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 2 高效外加剂。 根据国内外高性能混凝土的研究与应用的资料可知，目前配制高性能混凝土时，一般只掺加一种（单掺）或两种矿物掺合料（双掺），对于掺加两种以上的复合型矿物掺合料应用还相对较少。 现在，应用较为广泛的矿物掺合料主要有矿渣微粉、硅灰、粉煤灰等，也有 采用沸石凝灰岩、页岩灰、固硫渣、磨细石灰石粉等作为掺和料的情况。 由于各种掺和料的细度和特性有明显差别，所以采用不同品种、不同掺量的掺合料配制高性能混凝土时，其性能就会明显不同。 近年来，国内外学术界对混凝土碳化问题的研究非常关注，仅 1991～ 1998 年期间，据美国工程索引（ EI）和中文科技期刊文摘收录的以 “ 碳化 ” 为主题发表的文章就有 300多篇。 这些研究，对认识碳化的机理、延缓碳化的发展、评估碳化的危害以及对碳化结构的维修等方面都具有积极意义。 目前，国内外就混凝土碳化问题所做的碳化实验很多，一般碳化试验的推荐 方法是以碳化深度为劣化指标的直接测试法。 其中，自然碳化法过程缓慢且耗时长；加速碳化法对于 CO2浓度的设定，我国国家标准与欧洲目前流行的方法有较大差别。 另外，与自然环境中 CO2的实际体积浓度 (一般 %)相比，我国标准加速碳化试验中 CO2体积浓度为 20%。 进行加速碳化试验时，一方面应尽量减少自然条件下所没有的碳化相，使试验尽可能正确地反映混凝土自然碳化的规律；另一方面还要尽可能增大碳化深度，从而确保读数的准确性并缩短碳化所需要的时间 [3]。 随着混凝土技术的不断发展，高效减水剂和高活性的混凝土掺和料不断得 到开发与应用以及工程结构向大跨度、高层、超高层及超大型发展的需要，要求混凝土具有高强、高体积稳定性、高密实度、低渗透性、耐化学腐蚀性、高耐久性及高工作性等特性使高性能混凝土逐渐成为主要的工程结构材料，而高性能混凝土的碳化问题也越来越得到大家的关注和研究。 研究高性能混凝土的碳化机理，提高高性能混凝土的抗碳化性能，对提高高性能混凝土的耐久性，推广高性能混凝土在各种环境下的应用局有战略意义，也符合我国可持续发展要求。 国内外的研究概况 20 世纪 60 年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性 问题，在混凝土碳化方面进行了大量的试验研究及理论分析。 首先，在混凝土碳化机理方面已经取得了比较统一完整的认识。 其次，对于混凝土碳化影响因素、人工加速碳化以及碳化深度检测方面也有了全面的了解。 基于这些研究成果，各国工程界相继都把碳化作为混凝土耐久性的一个主要方面纳入了设计规范，国际混凝土学术界已举办过多次有关混凝土碳化的学术讨论会，国际水泥化学会议也报导了混凝土碳化研究的进展，并且每次都有相当数量关于混凝土碳化的论文发表，并从不同角度提出了碳化深度的计算模型。 我国在混凝土碳化方面的研究起步较晚，从 20 世纪 80 年代开始研究混凝土碳化与钢筋的锈蚀问题，通过快速碳化试验、长期暴露试验以及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型，并且取得了可喜的研究成果。 从混凝土碳化的机理可知，影响碳化的最主要因素，是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小，即混凝土的渗透性及其 Ca(OH)2等碱性物质的含量。 影响混凝土碳化的因素主要分为三个方面：材料因素、环境因素和施工因素 [4]。 材料因素包括水灰比、水泥品种、掺合料品种和掺量、外加剂类型、骨料品种与级配、混凝土表面覆盖层等，它们主要通过影响混凝土的碱度和 密实性来影响混凝土碳化速度。 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 3 （ 1） 水灰比的影响 水灰比对混凝土碳化速度影响极大。 水泥用量不变的情况下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，从而促进了二氧化碳的扩散，加速了混凝土的碳化。 碳化深度与水灰比并非呈线性正比关系，而是近似呈指数函数关系。 在混凝土拌和过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间也会变成微孔或毛细管等。 因此水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。 在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，碳化速度增大。 （ 2）水泥品种与用量的影响 水泥品种决定了单位体积混凝土中可碳化物质的含量，因而对混凝土的碳化有重要的影响。 在同一试验条件下，不同水泥配制的混凝土的碳化速度大小顺序为：硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 其他品种的水泥。 研究结果显示：早强水泥与同强度等其他水泥相比，抗碳化能力更高 ,矿渣水泥和火山灰配置的浮石混凝土比普通硅酸盐水泥配制的混凝土碳化速度快。 水泥用量也直接影响到混凝土中可碳化物质的含量。 增加水泥用量不仅可改善混凝土和易性、提高混凝土密实性，还可增加混凝土的碱性储备。 一般情况下，水泥用量越大，碳化速度越慢 [5]。 （ 3）掺合料的影响 矿物掺合料特别是磨细矿物掺合料，用作混凝土的掺合料能够改善或提高混凝土的综合性能，其作用机理在于磨细矿物掺合料在混凝土中具有微集料效应、微晶核效应、火山灰效应和形态效应。 混凝土中掺入的粉煤灰、矿渣等活性掺合料，与水泥水化后的Ca(OH)2 结合，混凝土碱性降低，使混凝土抗碳化能力减弱。 随着粉煤灰掺量增加，混凝土抗碳化能力下降。 文献 [6]认为：粉煤灰混凝土的早期抗碳化能力低于不掺粉煤灰的混凝土，但是后期的抗碳化能力有所提高。 混凝土中掺入粉煤灰有正负两方面作用：一方面由于水泥用量减少 ，水化反应生成的可碳化物质减少，碱储备降低，抗碳化能力降低；另一方面，粉煤灰的二次水化填充效应可显著改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性。 粉煤灰混凝土早期强度低，二次水化填充效应未充分发挥，孔结构差，加速了二氧化碳扩散速度，使碳化速度加快。 （ 4）外加剂的影响 外加剂对混凝土的抗碳化性能的影响与水泥品种有关。 高效减水剂能够降低用水量，改善混凝土的和易性，从而降低混凝土的孔隙率，故可提高混凝土的抗碳化能力。 缪昌文等研究发现 [7]，掺新型聚羧酸系减水剂比同等条件下掺萘系减水剂的混凝土抗碳化能力强。 引气剂为混凝 土引入大量的微细气泡，初期可以在一定程度上抑制混凝土的碳化，但随着碳化的延续，引气剂在混凝土内部留下的孔隙成为二氧化碳扩散的通道，因而会促进碳化的发展。 在早期和后期，减水剂和引气剂双掺对混凝土抗碳化性能影响不同。 文献研究发现：双掺高效减水剂和引气剂的混凝土初期抗碳化能力有所提高，但后期碳化深度增长的趋势比较大。 （ 5）骨料品种与级配的影响 骨料的品种和颗粒级配影响混凝土的密实度，从而影响到碳化速度。 粗骨料粒越大，越容易造成离析、泌水，影响稳定性，增加了透气性，降低密实度。 而轻骨料本身气泡多，透气性大。 所以骨 料的品种及颗粒级配能影响混凝土的碳化速度。 轻骨料和人造骨料本身孔隙较大，有利于 CO2气体扩散，会加速碳化过程。 一般来说普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然轻骨科混凝土的 倍。 （ 6）混凝土表面覆盖层的影响 长沙学院 毕业设计 (论文 ) 4 混凝土覆盖层的种类与厚度对混凝土的碳化有着不同程度的影响。 气密性覆盖层使二氧化碳渗入混凝土的数量减少，浓度降低，可提高混凝土的抗碳化性能。 文献的研究发现：增大覆盖层厚度和提高覆盖层的密实度是有效地延缓碳化的手段。 目前，防碳化处理多采用涂料封闭法，主要使用环氧厚涂料，呋喃改性 环氧涂料、丙烯酸涂料等，对延迟混凝土的碳化是很有效的。 包括自然环境和使用环境两个方面，自然环境包括环境相对湿度，温度、应力以及二氧化碳浓度等；使用环境主要指混凝土构件的受力状态及应力水平，它们主要通过影响二氧化碳扩散速度及碳化反应速率来影响混凝土碳化速度。 （ 1）相对湿度的影响 相对湿度大小的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小。 CO2 溶于水后形成 H2CO3方能和 Ca(OH)2进行化学反应，所以非常干燥时，混凝土碳化无法进行，但由于混凝土的碳化本身既是一个释放水的过程，环境相对湿度过大，生成的 水无法释放也会抑制碳化进一步进行。 试验结果表明，相对湿度在 50%～ 70%之间时，混凝土碳化速度最快。 一般认为碳化速度与相对湿度的关系呈抛物线状，在相对湿度 40%～ 60%时，碳化速度较快，50%时达到最大值。 李果 [8]的研究结果表明：当环境相对湿度超过临界环境相对湿度 RH0时，混凝土内钢筋的腐蚀速度随着环境相对湿度、环境温度的升高而增大；当环境相对湿度低于 RH0时，混凝土内钢筋的腐蚀速度很低，环境温度的变化对其不产生明显影响。 徐 道富 [9]的试验研究发现环境相对湿度和混凝土的碳化速度二者近似呈反比关系。 （ 2） 温度的影响 温度的影响比湿度略大，随着温度的升高， CO2 在空气中的扩散逐渐增大，在混凝土中的扩散速度和碳化反应速率也加快，因而碳化速度加快。 （ 3）应力的影响 混凝土构件在不同应力状态下碳化速度不同。 混凝土受到拉应力，混凝土内部的微细裂缝扩展，使二氧化碳容易扩散，碳化速度加快。 混凝土受到压应力，内部大量的微细裂缝闭合或是宽度减小，这抑制了二氧化碳的扩散，碳化速度减慢。 但是当压力超过一定的限值时，会引起混凝土内部新的裂纹的发展，从而加速碳化。 涂永明、吕志涛 [10]对不同应力状态下的混凝土进行碳化试验发现：在应 力水平不超过 倍的极限应力范围内，拉应力可促进碳化，压应力可减缓碳化，且拉应力越大，碳化速度越快，压应力越大，碳化速度越慢。 （ 4）二氧化碳浓度的影响 环境中二氧化碳的浓度越大，混凝土内外的二氧化碳的浓度梯度就越大。 根据 Fick 第一扩散定律可知：浓度梯度越大，二氧化碳越容易进入混凝土，使得混凝土内部的二氧化碳的浓度升高，从而碳化反应速度增快。 随着空气污染的日益加剧 ,大气中 CO2 浓度的逐渐升高 , 混凝土碳化理论模型中碳化速度系数也随时间的变化而逐渐增大。 施工因素主要是指混凝土的搅拌、振捣 和养护条件等，它们主要通过影响混凝土的密实性来影响混凝土的碳化速度。 实际调。