2023年混凝土性能对结构耐久性与安全性的影响.doc

混凝土性能对结构耐久性与安全性的影响 [摘　要 ]　由于混凝土从干硬性向塑性转变 ,离析、沉降与泌水明显加剧 ,引起匀质性和稳定性下降 ;由于早强水泥和高效减水剂广泛应用,混凝土凝固和硬化强度开展迅速 ,初期收缩变形受约束产生很大的弹性拉应力得不到松弛那么产生开裂,这两方面原因严重地影响处于侵蚀性环境混凝土结构的耐久性和安全性 ,迫切需要提高对这一问题的认识 ,并落实到设计、施工、材料各方面 ,使混凝土结构根底设施建设在新世纪能够可持续地开展。 [关键词 ]　拌合物的稳定性 ;　早强混凝土 ;　开裂性能 ;　耐久性评价 ;　耐久性设计 1　概述 　　改革开放以来 ,我国的根底设施建设进入了高潮期 ,带动国民经济的高速开展 ,取得的成就举世瞩目。但是这一期间修建的许多混凝土结构 ,包括桥梁、道路、隧道、港口、大坝、建筑 物等 ,在建期间或建成不长时间后出现可见裂缝 ,影响外观、影响在侵蚀性环境中运行结构的耐久性 ,还使一些结构的使用功能受到影响。工作环境严酷的结构物 ,例如桥梁与桥面板、路面板、隧道衬砌和海港工程 ,特别是水位变动区的部位等 ,影响尤其严重。 　　前年笔者到某省出差 ,听该省交通科研所负责人说起该省近些年修建的水泥路面高等级公路“三年以内不坏的很少〞 !花费大量人力、物力修建的公路损坏得如此迅速 ,实在令人震惊。正因为如此 ,包括他们在内的一些省区已经放弃利用当地丰富原材料资源修建水泥路面开展公路交通建设的方向 ,改从国外、省外购置原料铺筑沥青路 ;大量损坏的桥面板、路面板上也加罩沥青混凝土面层。 　　为什么这些年来修建的混凝土结构劣化得如此迅速呢 多数人将其归结为施工人员的素质下降 ,导致施工质量出现问题 ,包括混凝土生产、混凝土浇筑与振捣和养护等各方面 ;对于水泥路面的迅速损坏 ,那么常常归因为个体运输户超载所造成。然而 ,无论是设计、施工、监理人员 ,还是混凝土材料的科研和生产人员 ,大都无视了一个非常重要的原因 ,那就是水泥混凝土组成和性能变化带来的影响。 2　水泥混凝土技术的进展 　　 2 0世纪近 50年来 ,我国的水泥混凝土技术可以大致分为三个阶段 : 　　50～ 60年代前半期　当时国内的水泥产量少、生产技术落后 ,水泥中所含早强矿物 (硅酸三钙 )少、粉磨细度小 ;加之在方案经济体制下 ,水泥厂为了完成产量定额指标 ,在产品里掺 入比例不小的混合材 ,因此生产供给的水泥活性小、标号低。从经济角度出发 ,最大限度地节约水泥是当时生产与使用混凝土的重要考虑出发点 ,所以在配制时 ,为了满足并不高的设计强度 ,仍然需要水灰比尽量低 ;粗骨料的最大粒径越大越好、砂率越小越好 ,因此从搅拌机出来的拌合物一般都很干涩 ,即使被称为塑性混凝土的拌合物 ,也只有 2 0ｍｍ左右的坍落度 ,使运送、浇筑和振捣等操作都比拟困难。但是 ,正因为这个时期使用的是干硬性的混凝土拌合物 ,水泥的早期强度开展缓慢 ,因此稳定性较好 (离析、泌水少 ),硬化混凝土的裂缝少 ,耐久性相对较好。例如河北秦皇岛一带当时修筑的水泥混凝土路面、天津港口防波堤使用的混凝土块 ,几十年后仍然保持尚好 ;混凝土的后期强度开展幅度也比拟大 ,如在七、八十年代去检测那个时期修建的强度只有 2 0ＭＰａ的屋架 ,发现强度都翻了一番以上。 　　2 0世纪 70～ 80年代　由于文化大革命期间疏于管理 ,且因为新施工工艺 ,尤其是泵送工艺和混凝土路面真空吸水工艺的应用 ;混凝土外加剂 ,尤其是高效减水剂的应用 ,以及易于浇 捣、加快施工速度、缩短工期的需要 ,混凝土拌合物逐渐从干硬向塑性转变 ,坍落度由 0～ 2 0ｍｍ增大到 1 80ｍｍ甚至更大。虽然因为减水剂对水泥有较强烈的分散作用 ,水灰比可以保持不变或有所降低 ,但拌合物的匀质性和稳定性仍然明显变差 ,在运输、浇筑和振捣过程以及成型后都容易出现离析、沉降、泌水现象 ,从而在骨料与水泥浆的界面 ,或者钢筋与混凝土的界面 形成薄弱的过渡区 ,混凝土硬化后 ,尤其在这一区域 ,形成大量孔隙与微裂缝。 　　2 0世纪 90年代以后 ,由于许多大型结构物 ,尤其是高层建筑物和大跨桥梁的兴建 ,混凝土设计等级提高 ,而大剂量高效减水剂以及矿物掺合料 ,例如硅粉等的复合应用 ,使水灰比(水胶比 )可以大幅度降低 ,配制生产出来的拌合物强度开展迅速 ,满足了工程施工对高早强混凝土的需求。这一时期 ,水泥混凝土技术还发生了一系列重大的变化 ,包括水泥中的早强矿物 (硅酸三钙 )增多、粉磨细度加大 ,使活性大幅度提高 ;由于市场经济的开展 ,水泥中的混合材明显减少 ;以散装运输车大包装方式运送和储存水泥的开展 ,使水泥进入混凝土搅拌机时的温度明显升高 ;单位体积混凝土中水泥用量的增大 ,加剧了水化温升的开展。 　　以上这些变化给混凝土各种性能带来很大影响 ,下面逐一进行分析。 3　混凝土的收缩 　　人们重视混凝土的收缩现象 ,是因为它会引起开裂 ,影响混凝土结构的外观、耐久性乃至使用功能。伴随着混凝土水灰比的降低 ,枯燥收缩会减小 ;由于胶凝材料用量增大 ,温度收缩会加剧 ;但是现今混凝土收缩现象最突出的变化 ,那么是自生收缩的增大。 　　自生收缩与干缩一样 ,也是由于水的迁移而引起。但这时水分并非向外蒸发散失 ,而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降 ,产生所谓的自枯燥作用 ,混凝土内的相对湿度降低 ,体积减小。水灰比变化对两种收缩的影响正相反 ,即当水灰比降低时干缩减小 ,而自生收缩增大。如当水灰比大于0.5时 ,混凝土自枯燥作用不明显 ,其自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计 ;但当水灰比小于 0.3 5时 ,体内相对湿度会很快降低到 80 %以下 ,自生收缩与干缩接近各占一半。 　　与干缩是由表及里不同 ,自生收缩在混凝土体内各处均匀发生 ,并且不失重。此外 ,低水灰比混凝土的自生收缩集中发生于与水拌合后的初龄期 ,因为在这以后 ,由于基体内的自枯燥作用 ,相对湿度降低 ,水化就根本上终止了。换句话说 ,在模板撤除之前 ,混凝土的自生收缩已经大局部产生 ,甚至已接近完成 ,而不像枯燥收缩 ,除了未覆盖且暴露面很大的路面板、桥面板以外 ,许多构件的干缩可以认为只在拆模以后并处于枯燥环境中才发生。 　　在大体积混凝土里 ,虽然水灰比不低 ,自生收缩量值不大 ,但是与温度收缩叠加 ,会增大应力 ,所以水工大坝施工一直将自生收缩作为一项性能指标进行测定和考虑。现今许多断面尺寸虽不很大 ,且水灰比也不算小的混凝土结构 ,也需要像大坝一样考虑温度收缩和自生收缩叠加的影响 ,因为在这些结构里 ,两者的开展速率均要比大坝混凝土中快得多 ,因此也剧烈得多。 　　还有塑性收缩 ,在水泥活性大、混凝土温度较高 ,或者水灰比拟低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少 ,外表蒸发的水分不能及时得到补充 ,当混凝土尚处于塑性状态 ,稍微受到一点拉力 ,外表就会出现分布不规那么的裂缝———塑性收缩开裂。出现裂缝以后 ,混凝土内的水分蒸发进一步加快 ,于是裂缝继续扩展。 　　但是 ,仅了解收缩变形大小 ,还不能很好地预测混凝土的开裂。因为混凝土在结构里所受的约束大小 ,对开裂同样有重要影响。长期以来根据实际经验得出以控制混凝土体内部与外表最大温差 (一般为≤ 2 5℃ )常常并不能奏效 ,其原因就在于不同结构设计条件与环境造成约束上的差异。 4　混凝土的徐变 　　徐变是混凝土这种粘弹性材料的重要性质之一。通常对于混凝土结构会因为徐变而使得变形不断增大 ,或者带来预应力损失 ,人们十分熟悉。但是另一方面 ,徐变会使混凝土的温度或其他收缩变形受约束时产生的应力得到松弛。事实上 ,长期以来结构混凝土因为各种收缩变形受约束而并未引起广泛开裂的重要原因 ,是早期强度增长较缓慢的混凝土徐变松弛作用显著的结果。以一组数据来说明徐变的作用[1 ]:设混凝土到达温峰后下降幅度为 3 0℃ ,其弹性模量为 3 0ＧＰａ,线胀系数 1 0× 1 0 -6,如果不存在徐变 ,那么引起的拉应力可高达 9ＭＰａ ,显然任何普通混凝土都无法承受这样大的应力而产生开裂 ,由此可见徐变的影响之大。 　　徐变与混凝土强度通常是反向开展的。Ｂｕｒｒｏｗｓ认为[2 ]:美国的水泥自 2 0世纪 3 0年代以来的变化 ,使混凝土的徐变降低到接近 0 ,使普通混凝土原来具备开裂后的自愈能力完全丧失 ,因此一旦混凝土开裂就无法再愈合 ,而且在外界荷载与环境条件 (包括干湿、冷热循环 )作用下继续收缩 ,使裂缝会进一步连通和扩展。国内水泥这些年来的变化 ,也促使混凝土的徐变能力发生了同样的演变。 5　混凝土的强度与延伸性 　　如上所述 ,国内 2 0世纪 70年代以后混凝土从干硬性向塑性转化 ,稳定性与匀质性下降 ,导致强度 ,主要是抗弯拉强度明显下降。尽管另一方面 ,当混凝土抗压强度提高时 ,抗拉强度 也会有所提高 ,但幅度明显要小些。此外 ,高强混凝土比普通混凝土的开裂时间明显提前的事实说明 :混凝土的抗裂性能不仅取决于强度 ,还和其它一些参数密切相关。 　　Ｍｅｈｔａ将徐变、弹性模量和抗拉强度三个参数归纳为混凝土的延伸性 ,显然徐变大、弹性模量低和抗拉强度高的混凝土延伸性良好[3 ]。如上所述 ,现今混凝土早期强度开展迅速 ,弹 性模量随之上升 ,因此少量的收缩变形会产生很大的弹性拉应力 ,而又得不到徐变松缓和解 ,因此即使抗拉强度伴随抗压强度提高 ,但混凝土的延伸性却往往随着抗压强度的提高而减小 ,开裂时间反而提前 (图 1 )。 　 　　有关混凝土强度一个突出的新问题 ,是对它的预测与评价。现行标准沿用标准养护室与现场放置的试件作为评价强度开展基准的方法 ,在如今混凝土构件温升显著的情况下越来越不适应了。由于小试件不能反映结构混凝土在温升影响下强度开展明显加速的实际结果 ,带来许多显而易见的问题 ,例如确定拆模并开始养护的时间存在很大盲目性等 ,然而最大的问题发生在混凝土原材料选择和配合比设计确实定上。因为矿物掺合料 ,尤其是粉煤灰在 2 0℃温度下水化缓慢 ,可是随着温度升高 ,其二次水化的速度会明显加快。 1 980年Ｂａｍ ｆｏｒｔｈ[4]对一厚度为 2 5ｍ的结构进行的试验证明 :掺有 3 0 %粉煤灰、水胶比为 0 51的混凝土在浇注温度为 1 5℃ ,温峰到达50多度的条件下 , 3ｄ以前抗压强度达 50ＭＰａ以上 ;而没掺粉煤灰的纯水泥混凝土 (水灰比 0 54),由于温升 (超过 60℃ )的负面影响 ,其 2 8ｄ强度仅约 40ＭＰａ。可是在标准养护条件下的试验结果却截然不同 :纯水泥混凝土 2 8ｄ强度到达 50ＭＰａ以 上 ,掺 3 0 %粉煤灰的混凝土强度在 2 8ｄ后才赶上前者。这个例子生动地说明现行评价方法带来的严重偏差 ,Ｉｄｏｒｎ[5]曾在1 991年拟文指出 :在特定试验室条件下取样制备试件进行试 验作为控制质量的方法 ,而不去开发以物理化学为科学依据的控制方法是不符合当今时代的错误。 2 0世纪 80年代挪威开发并在工程中应用的“温度匹配养护〞技术 ,即将试件放在与混 凝土结构温度变化过程相同的条件下养护 ,从而预测实际强度开展的方法值得仿效。 　　综上所述 ,不是强度 ,而是混凝土的稳固性 (没有裂缝 )对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用。换句话说 ,单纯依靠限定强度等级 ,或最大水灰比 (水胶比 )是不能到达使结构高耐久性的目的 ,甚至有时会相反———加速劣化。 6　混凝土的耐久性 　　人们基于长期以来积累的经验得出结论 :混凝土的强度越高 ,渗透性就越小 ,耐久性也就越好。但现今的实践说明 :采用适宜材料与良好操作制备的Ｃ3 0混凝土 ,能在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和