高性能混凝土.docx

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高性能混凝土

第二篇高性能混凝土及混凝土耐久性

第一章概述

第一节基本概念

高性能混凝土定义:

高性能混凝土是以耐久性和可持续发展作为基本要求，并适合工业化生产和施工的混凝土。

与传统的混凝土相比，高性能混凝土在配比上的特点是低用水量，较低的水泥用量，并以矿物掺合料和化学外加剂作为水泥、砂、石和水之外的必须组分。

（中国土木工程学会高强与高性能委员会《高性能混凝土—定义、现状与发展方向》）

混凝土材料的耐久性:

混凝土抵抗大气作用、化学侵蚀、磨损等劣化过程而维持其原有质量和使用性能的能力。

混凝土结构的耐久性:

结构及其构件在各种作用下长期维持其所需性能的能力。

结构设计需考虑的三类作用：

一般作用：

一般荷载与强制变形、永久荷载（自重，土压力）、可变荷载（使用荷载：

人群、车辆、设备，风雪）。

偶然作用：

地震、爆炸、撞击等。

环境作用（或环境影响：

温、湿度及其变化，降水，冰冻等大气作用；土体、水体、空气中有害化学

物质作用。

第二节混凝土结构的耐久性现状

混凝土是世上用量最大的人造材料，基础设施工程主要用混凝土结构建造，混凝土结构的耐久性已成为世界性问题。

美国联邦公路局资料：

登记在册（政府管理）桥梁：

1992年57.2万座，有缺陷21％，1999年58.6万座，有缺陷15％。

拆除老桥费用持续增加。

1998年美国土木工程学会报告:

美国现有29%以上的桥梁和1/3以上的道路老化，有2100个水坝不安全，估计需有1.3万亿美元改善其安全状态。

又据资料报道:

到20世纪末美国共有桥梁约100万座，超过1/4有缺陷。

由于改进了桥梁耐久性设计方法并采用了许多新的防腐技术，美国新建桥梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，预期已能满足75年以上设计寿命。

但是过去建成的桥梁已无法改变，仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至最后拆除重建。

美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础设施总资产的10%。

研究认为，对于桥梁等生命线工程，因修复、更换造成交通延误等间接损失更大，间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍。

在加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费5000亿美元。

在英国，据说有1/3的桥梁需要修复。

发达国家土建设施腐蚀造成的年损失约占GDP的1.5～2%，其中主要是混凝土结构腐蚀。

混凝土结构耐久性不足的严重性：

影响工程正常使用，缩短工程使用寿命,巨大的经济损失；背离可持续发展的道路，资源枯竭，国土破坏、环境污染，废弃混凝土难以处置。

可持续发展的迫切需求：

水泥基混凝土是当今世界上用量最大的人造材料。

世界水泥年产量1900年约0.1亿吨，30年代1亿吨，50年代初1.5亿吨，以后高速增长，1998年达到16亿吨。

全球混凝土人均年消耗量60年代初1吨，80年代初1.5吨，现在接近2吨。

70年代起，混凝土耐久性问题开始在发达国家大量出现。

针对混凝土过早劣化，发达国家不断提高混凝土的强度要求与密实性，研究混凝土与钢筋的防腐蚀技术，并对路桥等工程要求按全寿命费用分析进行设计。

80年代中期起掀起了高性能混凝土的研究开发高潮90年代起，大力开展混凝土结构耐久性设计方法的研究。

高性能混凝土的特点：

l、较低的水泥用量、较多的矿物掺和料用量，较少的拌和水用量；

2、混凝土有较高的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性和工作性；

3、能提高混凝土耐久性，又充分利用工业废料和减少水泥生产的能源消耗与污染。

这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。

北美（加拿大安大略省）公路桥面板耐久性设计要求

我国土建工程耐久性现状：

民用房屋干湿交替的室外构件过早锈蚀30－40年

工业厂房20－30年大修

海港码头10－20年大修浪溅区最严重

桥梁除冰盐侵蚀10－20年大修

隧道渗漏严重

主要原因：

l、钢筋保护层过薄！

混凝土等级过低！

2、钢筋过细！

断面过薄！

我国水泥产量：

1980年0.8亿吨，1985年1.43亿吨开始位居世界之首（当时美国0.88亿吨，日本0.95亿吨，苏联1.4亿吨），1997年突破5亿吨，2000年接近6亿吨，2001年6.4亿吨，2002年7亿吨，2003年7.5亿吨，已接近世界产量的40％，年人均水泥消费量已达570kg。

我国目前水泥年产量如配置混凝土，年人均近3.3吨。

混凝土用量过大，过度开采矿石和砂、石已在许多地方造成资源破坏，严重影响环境和景观。

每生产1t水泥熟料消耗大量燃煤与电能，并排放约1t二氧化碳。

混凝土过早劣化，处置废旧工程的混凝土垃圾将给环境带来威胁。

按照国际经验，水泥的消费量随现代化建设过程，由快速上升到稳定并转而下降，高峰期的人均水泥消费量约600～700kg左右，据此推算，我国今后水泥最高年产量有可能达到9亿吨（按14亿人口计算），届时每年将排放9亿吨二氧化碳，配制成混凝土，年消耗砂石达30多亿方。

解决混凝土结构耐久性问题的迫切性：

我国现在面临的耐久性问题是发达国家早在二、三十年以前曾经遇到过的。

我国的耐久性设计标准一直偏低，对混凝土耐久性起关键作用的施工质量又最为薄弱，正常的检测和维修也不够重视。

近年来为现代化建设而修建的大型工程，在耐久性上依然和过去一样低下。

我们将很快迎来一个大建、大修与拆除重建同时并存的年代

第三节结构耐久性不足的主要原因

l、工程设计的耐久性标准过低；

2、工程施工进度的不适当追求；

3、缺乏正常检测与维修；

4、构件强度设计的安全设置水准过低。

以公路桥梁结构的安全设置水准为例：

最常用车辆（我国为汽超20系列）作用于30米跨度的简支梁桥，桥梁需承受的活荷载效应（标准值）

美国和英国规范分别比我国规范大12%和29%；活荷载安全系数我国1.40，美国1.75，英国的1.73；桥梁需

承受活荷载效应设计值，美国和英国规范分别比我国规范大40%和59%；材料设计强度我国规范规定的较高

对车辆活荷载，我国桥梁的设计承载能力为美、英的68%和60%；永久荷载的荷载系数又过低；此外，还有

计算方法不同对安全设置水准的影响，如美国规范对没有冗余度的简支梁桥，需额外提高安全系数,在预应

力混凝土梁抗剪能力上，我国规范公式偏于不安全。

露天环境下的桥梁等基础设施，由于交通量与日俱增，

车辆载重不断提升，缺乏例行维修，桥梁多处于带病超负工作状态，过早老化，设计荷载过低，安全储备

或保证率不足，对大跨桥梁，永久荷载的荷载系数过低，长期处于重负之下，导致变形、开裂，工程设计

的耐久性标准过低，结构设计规范主要考虑荷载作用下的结构构安全性，环境作用下的耐久性设计被置于

次要和从属地位，规范中没有结构设计寿命和耐久性设计的明确要求耐久性设计要求，未能随着几十年

来由于水泥性能、施工条件、环境条件的巨大转变而与时俱进。

我国现行规范（80年代颁布）与国外比较

日本规范规定的更高（最低相当于C35，100年寿命为C45）

我国隧道混凝土：

l、铁路隧道衬砌结构绝大部分用素混凝土，混凝土强度等级过低，隧道衬砌裂损腐蚀和渗漏现象普遍；

2、据1997年调查，铁路隧道发生裂损的数量约占当年隧道拥有量的10%；

3、抽样调查，漏水隧道数量占50.4%，有的区段高达94%，导致铁路钢轨锈蚀、道床翻浆、电力牵引设备漏电；

4、据1998年统计，铁路隧道受腐蚀裂损的占隧道总数的13.2%

我国隧道混凝土耐久性规范要求：

1、规范的耐久性设置水准基本上停留在解放初或50年代国际水平；

2、由于水泥强度提高和施工进度加快,实际耐久性质量大幅度下降。

早强水泥配制的混凝土，内部微结构和后期强度发展不良，易开裂，耐久性差；

3、规范还阻碍粉煤灰等掺合料和引气剂的使用,为改善混凝土结构耐久性带来不良后果。

工程施工进度的不适当追求：

1、养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低，使钢筋开始锈蚀的年限成倍缩少。

（1天养护与7天养护，可使碳化引起锈蚀年限缩减为原来的1/4）

2、抢工省略必要检验工序，使钢筋位置出现偏差，钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半，出现锈蚀年限将缩减为原来的1/4。

（保护层厚度的5～10mm施工允差，甚至能使钢筋锈蚀的年限发生成倍差别）

3、结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的薄弱环节，其质量在快速施工中最不易保证。

缺乏正常检测与维修：

1、结构耐久性需要有正确使用和正常检测与维修相配合；

2、重新建、轻维修，是土建建设管理工作中的重大缺陷；

3、对于基础设施工程，应在设计中进行结构全寿命经济分析与评价；

4、只有适当加大初始投资费用，强化结构耐久性，才是最经济有效的途径。

大型工程的耐久性：

1、地下工程主体结构混凝土C20；

2、跨海大桥浪溅区混凝土C30，保护层3～4cm；

3、高边坡预应力锚索、高强锚杆无双重保护；

4、特大桥梁的公路桥面板底部保护层1.5-2cm。

环境作用下混凝土结构的劣化与混凝土的抗渗性

混凝土结构性能劣化：

1、钢筋锈蚀氯离子引起水氧

近海环境、除冰盐环境，氯离子从外表侵入

海砂、防冻盐用于混凝土，氯离子拌入

碳化引起二氧化碳水氧

2、冻融破坏水饱和程度冻融循环次数

混凝土损伤剥落

3、硫酸盐、酸、软水侵蚀

4、碱骨料反应

混凝土的内部结构：

骨料，水泥浆体，浆体与骨料界面层。

水泥浆体组成：

水化硅酸钙（C-S-H凝胶），水化铝硫酸钙（少量），氢氧化钙（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性），未水化水泥颗粒，C-S-H凝胶孔隙（纳米级，与有害物质渗透关系不大），毛细孔隙（原为拌合水占据空间，0.01－5微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期体积可占浆体40％），气泡（裹入气泡和引气气泡）。

低水胶比能改善混凝土浆体及其与骨料间的界面微结构，降低毛细孔隙率。

掺加粉煤灰等矿物掺和料能降低水化热和减少拌合水，改善水化产物的微结构；通过火山灰反应，进一步改善浆体及骨料界面结构并增加混凝土后期强度与密实性，消耗薄弱的水化产物氢氧化钙；大掺量粉煤灰混凝土对氯离子有吸附作用，并能抑制碱骨料反应。

传输机理：

扩散自由分子或离子通过无序运动从高浓度到低浓度区的流动，驱动力是传输介质中的浓度差，扩

散规律通常用Fick定律描述

吸收多孔材料毛细孔隙（中空）表面张力引起的液体传输

渗透压力差驱动下产生的液体或气体的流动，对水的流动用达西定律表达

此外还有吸附（物理或化学结合）

混凝土的抗渗性（抗侵入性）：

混凝土阻挡外部分子、离子或流体侵入传输到混凝土内部的能力。

二氧化碳和氧气通过空气中的扩散传输，氯离子通过水溶液中的扩散和溶液受毛细空隙的表面张力吸

收传输。

混凝土湿度和温度对传输有很大影响：

湿度高，毛细孔隙内充水程度高，气体扩散受阻湿度低，毛细孔隙中空，离子溶液被吸入碳化速率－－RH50～75％最高，>75%迅速降低，<45％水分不足以形成化学反应。

温度增加，碳化加速钢筋锈蚀。

钢筋锈蚀：

钢筋在混凝土的高碱性环境中不会锈蚀，能在表面形成氧化钝化膜，隔绝水分与氧气。

空气中的二氧化碳扩散到混凝土内部并与混凝土中的氢氧化钙反应生成中性的碳酸钙（碳化），降低混凝土碱度，当碳化从混凝土表面逐渐向里发展到钢筋表面位置，钝化膜破坏，氯离子从混凝土表面扩散到钢筋表面并累积到临界浓度，钝化膜破坏，钝化膜破坏后，如有充足的水分与氧气供给，钢筋发生持续的锈蚀。

锈蚀前的初始阶段：

碳化从混凝土表面发展到钢筋位置的时间，或氯离子从混凝土表面扩散到钢筋位置并积累到临界浓度的时间。

锈蚀发展阶段：

从脱钝开始持续锈蚀到某一可接受的劣化程度的时间

钢筋锈蚀速率度微米/年。

温度每增加10度，锈蚀速率约可提高一倍

第四节混凝土结构的耐久性设计

传统设计方法：

针对不同环境条件，对混凝土材料和结构构造规定不同要求

（回避使用寿命要求）

Ø混凝土原材料（水泥、掺合料、外加剂、－－）

Ø混凝土配合比（最大水胶比、最低胶凝材料用量－－）

Ø混凝土最低强度等级，抗冻等级，－－－

Ø结构构造（保护层最小厚度，－－－）

改进趋向：

1、按不同劣化机理，细化环境类别及不同温、湿度作用；

2、提出不同使用年限的不同要求。

混凝土结构耐久性设计与施工指南规定：

混凝土结构及其构件的耐久性，应根据不同设计使用年限及其相应的极限状态和不同环境类别及其环境作用等级进行设计。

●设计使用年限－有一定的保证率或安全储备

●极限状态－与环境类别及结构特点有关

●环境类别－分7类，主要按劣化机理

●环境作用等级－分6级，A－F

设计使用年限的安全储备或保证率可以用寿命安全系数或失效概率表示。

定值法设计―――寿命安全系数凭工程经验和必要分析综合给定，考虑工程重要性，耐久性失效后果的严重性，修理的可行性与修理费用，环境作用、耐久性抗力和计算方法本身的不确定性与不确知性。

概率分析方法―――寿命安全系数为均值使用年限与设计使用年限的比值，与设定的保证率或失效概率有关。

若假定使用年限按对数正态分布，变异系数为0.5，对于适用性极限状态，如失效概率5％，K在2左右。

耐久性设计的极限状态：

•钢筋锈蚀

预应力钢筋－开始锈蚀

普通钢筋－顺筋开裂；或裂宽到0.1mm

碳化锈蚀与氯盐锈蚀可取不同状态

•混凝土腐蚀

轻微，不影响混凝土对钢筋的保护

环境作用下的耐久性极限状态

t1－钢筋开始锈蚀；

t2－锈蚀到顺筋胀裂；

t3－开裂至某一限值；

t4－粘着力丧失；

t5―保护层剥落；

t6―钢筋截面削弱，

耐久性极限状态：

性能劣化到不再满足适用性、可修复性或安全性要求

以某一不可接受的状态，如t1、t2或t3，作为极限状态

所以结构的耐久性设计，属于正常使用的极限状态

环境作用与结构安全性：

●环境作用的后果首先是影响结构正常使用下适用性，达到适用性极限状态而不是承载力极限状态的安全性。

除非进行修复，否则就不能继续正常使用。

●但有的腐蚀损伤不易发现：

高应力状态下工作的预应力钢索，吊杆，拉索等高强钢材，锈蚀过程发展快，构件外观上并无保护层胀裂等征象出现，易发生突然脆断破坏。

●环境作用下的安全性，用正常使用状态下的适用性体现，就如早期的结构安全性设计用正常使用状态下的容许应力来体系一样。

环境类别：

1一般环境（无冻融，盐、酸等作用）

●室内干燥环境A

●非干湿交替的室内潮湿环境或

露天环境，长期湿润环境B

●干湿交替环境C

2一般冻融环境（无盐、酸等作用）

●微冻地区，混凝土中度饱水B

●微冻地区，混凝土高度饱水C

●严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水C

●严寒和寒冷地区，混凝土高度饱水D

3近海或海洋环境

●水下区D

●大气区轻度盐雾区D

离平均水位15m以上的海上大气区，

离涨潮岸线50m外至200m内的陆上室外环境

重度盐雾区E

离平均水位上方15m以内的海上大气区，

离涨潮岸线50m内的陆上室外环境

●水位变化区和浪溅区，非炎热地区E

●水位变化区和浪溅区，南方炎热地区F

4除冰盐冻融环境

混凝土中度饱水E

混凝土高度饱水F

5盐碱结晶环境

轻度盐碱结晶E

重度盐类结晶F

6大气污染环境

汽车或机车废气C

酸雨D（pH小于4时按E级）

盐碱地区含盐大气和雨水D，E，C

7土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境（表略）

（海水环境除外）

环境类别设计:

Ø选定一种最主要的环境类别进行设计

Ø多种环境作用影响

Ø荷载对环境作用影响

耐久性设计内容:

按环境类别，环境作用等级，设计年限确定：

1混凝土材料

2结构构造和裂缝控制

3施工要求

4使用阶段检测和维修

5防腐蚀附加措施

氯离子环境下的重要工程，按劣化模型计算复核。

混凝土材料选择：

1） 选用低水化热、低C3A含量、偏低含碱量水泥

2） 选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及

粒形

3） 矿物掺和料作为一般情况下的必需组份

4） 将适量引气作为常规手段

5） 采用偏低的用水量

6） 限制单方混凝土中胶凝材料最低和最高用量

7） 尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量

强度与耐久性的矛盾粉煤灰引气剂

低水胶比与抗裂性的矛盾

构造措施和裂缝宽度限制：

1） 隔绝或减轻环境对混凝土的作用－－

结构形状，防、排水，

2）钢筋的混凝土保护层

3）混凝土裂缝控制 

混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度的矛盾

钢筋保护层：

普通钢筋（主筋、箍筋和分布筋）的混凝土保护层厚度：

c≥cmin+Δ

预应力筋的混凝土保护层厚度：

无密封护套的比普通钢筋大10mm

环境作用等级为C或C级以上（对无粘结预应力钢筋为B或B级以上），应采用有防腐连续密封护套的预应力钢筋。

施工要求与施工质量验收：

必须将施工质量保证作为耐久性设计中特殊重要的内容；

表层混凝土质量－－混凝土养护质量；

保护层厚度的施工允许误差。

质量检验内容：

保护层厚度，含气量，表层混凝土渗透性，必要时现场回弹、抗拔、抗渗。

（钢筋位置的误差，5mm的施工误差，可使20mm保护层厚度的墙、板钢筋开始锈蚀的年限缩短近一半，养护不良影响更大，7天的养护系数为1天的2倍（氯离子作用）和4倍（碳化作用）可使工作寿命从50年分别降到约25年和12.5年）

使用期内的维修和定期检测：

使用年限与使用阶段维修紧密联系；

环境严重作用下的结构物必须定期检测；

设计文件中必须向业主与运营单位提出使用过程中的定期检测和维修要求。

防腐蚀附加措施:

环氧涂层钢筋

混凝土表面防腐涂层、面层

钢筋阻锈剂

渗透模板

阴极保护

不同劣化机理下的耐久性设计

1、碳化锈蚀

影响碳化速率的主要因素：

环境条件－湿度、温度及其变化

二氧化碳浓度

混凝土碱度

混凝土中二氧化碳的扩散系数

碳化引起锈蚀环境：

对付碳化锈蚀不应成为一个问题，关键在于规范要提高标准，尤其干湿交替和炎热环境下的要求。

表面裂缝宽度的限制也不应成为问题，横向裂缝能使裂缝截面处的普通钢筋提前发生局部锈蚀，但通常不会向周边和深部发展，只当保护层被碳化后，才能在钢筋表面发展全面稳定的锈蚀。

混凝土规范的裂缝宽度限制不适用于较厚的保护层。

预应力筋的应力腐蚀则不同。

碳化锈蚀：

GB50010－2002规范中，要求100年设计寿命的保护层厚度为50年的1.4倍（即t∝√a），这个规定值得探讨。

碳化的深度到一定数值后有可能停止。

事实上，仅在不会发生锈蚀的干燥环境，碳化速度才与时间t的0.5次方成正比。

潮湿环境（RH=81%）下与t的0.4次方成正比，长期湿润下（高湿度又经常受雨淋）甚至与t的0.1次方成正比。

2、冻融环境

必须引气（B级可不引气，但需提高一级选择混凝土）

低水胶比的混凝土，不大于0.5，氯盐环境下不大于0.4

新混凝土延迟受冻；加大构件厚度；避免混凝土受湿

混凝土抗冻性能指标－－用耐久性指数DF表示

100年与50年使用年限，在抗冻要求上的差别不明显。

一般冻融环境下，环境作用按降低一个等级选用保护层厚度。

3、氯盐引起锈蚀

氯盐引起的钢筋锈蚀最为严重

水下区混凝土缺氧，腐蚀速度极慢，危险的是干湿交替区。

氯盐轻度腐蚀下，采用水胶比不高于0.4

（或最多不超过0.45）的矿物掺和料混凝土与适当的保护层厚度，一般能解决问题。

干湿交替、使用寿命又长的重要工程部位，可能需要防腐蚀附加措施。

氯盐环境下的裂缝宽度限制，不同标准差别较大氯盐引起锈蚀。

据研究，氯离子侵入混凝土100年或50年后，浓度达到临界值处的深度，即所需保护层厚度为：

对于低水胶比的大掺量矿物掺和料混凝土，x约与t的0.15～0.20次方成正比，并与大气区、浪溅区、水下区等不同环境条件有关。

100年与50年的差别不到15％；对于不加矿物掺和料混凝土的普通混凝土，100年需比50年增加30％。