1 前言
混凝土的耐久性是混凝土抵抗氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨損或任何其它破壞過(guò)程的能力,當(dāng)在暴露的環(huán)境中,能耐久的混凝土應(yīng)保持其形態(tài)、質(zhì)量和使用功能。混凝土的耐久性研究?jī)?nèi)容包括:鋼筋銹蝕、化學(xué)腐蝕、凍融破壞、堿集料破壞。混凝土的抗凍性作為混凝土耐久性的一個(gè)重要內(nèi)容,在北方寒冷地區(qū)工程中是急待解決的重要問(wèn)題之一。
我國(guó)地域遼闊,有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒地帶,致使不少水工建筑物發(fā)生了凍融破壞現(xiàn)象。根據(jù)全國(guó)水工建筑物耐久性調(diào)查資料,在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中,22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問(wèn)題,大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區(qū)。尤其在東北嚴(yán)寒地區(qū),興建的水工混凝土建筑物,幾乎100%工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞。除三北地區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)混凝土的凍融破壞現(xiàn)象外,地處較為溫和的華東地區(qū)的混凝土建筑物也發(fā)現(xiàn)有凍融現(xiàn)象。
因此,混凝土的凍融破壞是我國(guó)建筑物老化病害的主要問(wèn)題之一,嚴(yán)重影響了建筑物的長(zhǎng)期使用和安全運(yùn)行,為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用和效益,各部門每年都耗費(fèi)巨額的維修費(fèi)用,而這些維修費(fèi)用為建設(shè)費(fèi)用的1~3倍。美國(guó)投入混凝土基建工程的總造價(jià)為16萬(wàn)億美元,據(jù)估計(jì)今后每年用于混凝土工程維修和重建的費(fèi)用估計(jì)達(dá)3000億美元。
2 外加劑改善抗凍耐久性技術(shù)研究動(dòng)態(tài)
2.1引氣劑
長(zhǎng)期的工程實(shí)踐與室內(nèi)研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個(gè)十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質(zhì),它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細(xì)管通路能使混凝土結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力得到緩解,不使混凝土遭到破壞,起到緩沖減壓的作用。這些氣泡可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界的通路,使外界水份不易浸入,減少了混凝土的滲透性。同時(shí)大量的氣泡還能起到潤(rùn)滑作用,改善混凝土和易性。因此,摻用引氣劑,使混凝土內(nèi)部具有足夠的含氣量,改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu),大大提高混凝土的抗凍耐久性。國(guó)內(nèi)外的大量研究成果與工程實(shí)踐均表明引氣后混凝土的抗凍性可成倍提高。
美國(guó)是最早開(kāi)始研究引氣劑的國(guó)家,自1934年在美國(guó)堪薩斯州與紐約州道路工程施工中發(fā)現(xiàn)引氣混凝土,至今已有半個(gè)多世紀(jì)。挪威1974年首次在大壩中使用引氣劑,經(jīng)過(guò)20年運(yùn)行后,摻引氣劑的混凝土表面完好無(wú)損,而未摻引氣劑的混凝土則已遭受較嚴(yán)重的凍融破壞。我國(guó)這方面的工作始于50年代。我國(guó)混凝土學(xué)科創(chuàng)始人吳中偉教授,在50年代初期就強(qiáng)調(diào)了混凝土抗凍的重要性,并創(chuàng)先研制了松香熱聚物加氣劑(引氣劑),應(yīng)用于治淮水利混凝土工程,開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)采用引氣劑而提高混凝土抗凍耐久性的先河。范沈撫(1991年)分析了摻引氣劑混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍耐久性,得出與上述同樣結(jié)論:摻用引氣劑,使混凝土達(dá)到足夠的含氣量要求,可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì),并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。
國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了影響混凝土抗耐久性的因素,Seibel,Sellebold,Malhotra,Pigen等人研究表明:混凝土的含氣量、臨界氣泡間距、水灰比、骨料、臨界飽水度和降溫速度等因素綜合決定了混凝土的抗凍耐久性能。StarkandLudwig(1993)提出:水泥熟料中C3A的含量的增加會(huì)提高其混凝土的抗凍耐久性,但會(huì)降低混凝土抵抗鹽凍能力。OsamaA.Mohamed(1998)研究了水泥品種,引氣劑質(zhì)量及引氣的方法對(duì)混凝土抗凍融耐久性影響,得出:引氣能顯著提高混凝土的抗凍融性,然而,長(zhǎng)期處于凍融循環(huán)的混凝土的抗凍能力則取決于天氣的惡劣程度及凍融周期的頻率。關(guān)英俊,范沈撫(1990)討論了提高水工混凝土抗凍耐久性的技術(shù)措施,提出耐凍混凝土必須正確進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),摻優(yōu)質(zhì)引氣劑,減小水灰比,合理選用原材料,還要嚴(yán)格按施工規(guī)范技術(shù)要求施工,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。
范沈撫(1993)進(jìn)一步研究得出:混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性的根本所在。混凝土的抗凍耐久性隨孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化而變化,當(dāng)孔間距系數(shù)小于250μm時(shí),混凝土抗凍耐久性指數(shù)基本能達(dá)到60%以上,即可經(jīng)受300次快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。這一點(diǎn)與Powers的臨界孔間距概念相符:早在50年代,鮑爾斯(T.C.Powers)等人首先開(kāi)展了摻引氣劑硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試分析研究,并提出了滿足混凝土抗凍耐久性要求的孔間距系數(shù)的重要概念:即當(dāng)孔間距小于臨界孔間距(<250μm)時(shí)混凝土是抗凍的。宋擁軍(1999)認(rèn)為,只要引氣量合適,普通混凝土均能獲得較高的抗凍耐久性。引氣混凝土中氣泡平均尺寸及其間距隨水灰比的增大而加大,同時(shí)水泥漿中可凍水的百分率也相應(yīng)加大,從而導(dǎo)致混凝土抗凍耐久性的顯著下降,因此,不能忽視對(duì)水灰比的限制。
朱蓓蓉,吳學(xué)禮,黃土元(1999)認(rèn)為:合理的氣泡結(jié)構(gòu)是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關(guān)鍵,然而,氣泡體系形成、穩(wěn)定與氣泡結(jié)構(gòu)的建立密不可分,因此高度重視氣泡體系穩(wěn)定性的問(wèn)題就顯得更加重要。他們根據(jù)國(guó)外的研究成果和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:影響混凝土中氣泡體系形成與穩(wěn)定性的因素有混凝土各組成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界條件,如環(huán)境溫度、攪拌、運(yùn)輸和澆灌技術(shù)等。針對(duì)不同環(huán)境條件、不同工程要求的混凝土,必須進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn),才能使得硬化混凝土具有設(shè)計(jì)所要求的含氣量和合理的氣泡結(jié)構(gòu),增進(jìn)了混凝土工程界對(duì)引氣劑應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識(shí)。
由以上眾多學(xué)者的研究表明:混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性及其它性質(zhì)的根本所在。摻引氣劑可以改善混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì),因此,測(cè)試硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是研究混凝土抗凍耐久性能的有效途徑和方法之一。
引氣劑的摻入雖然是提高混凝土抗凍耐久性最有效的手段,但引氣劑的摻入同時(shí)會(huì)引起混凝土其它性能降低,如強(qiáng)度、耐磨蝕能力等。
2.2減水劑
目前,減水劑的應(yīng)用也成為混凝土不可缺少的組份,使用減水劑可以大幅度降低混凝土的水灰比(水膠比),提高混凝土的強(qiáng)度和致密性,使混凝土抵抗凍融破壞的能力提高,從而提高混凝土的抗凍耐久性。遲培云,李金波,揚(yáng)旭等(2000)研究了在混凝土中摻入高效減水劑可取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果如下:(1)保持和易性不變,可減水25%,R28%提高90%,抗?jié)B性提高4~5倍;(2)保持和易性不變,節(jié)約水泥25%,R28提高26%,抗?jié)B性提高2倍;(3)保持用水量和水泥用量不變,R28提高27%,抗?jié)B性提高3倍。
3 活性的礦物摻合料改善混凝土抗凍耐久性技術(shù)研究動(dòng)態(tài)
混凝土是各種建筑工程上應(yīng)用最廣泛、用量最多的人造建筑材料,目前,我國(guó)正處在大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)時(shí)期,對(duì)混凝土的需求量也就更大。因此,有效地降低混凝土的成本,提高混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性能,對(duì)于充分利用有限的投資,延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命,減少自然資源的消耗,保護(hù)生態(tài)平衡,有著非常巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
在混凝土的基本組成材料中,水泥的價(jià)格最貴,因此,在滿足對(duì)混凝土質(zhì)量要求的前提下,單位體積混凝土的水泥用量愈少愈經(jīng)濟(jì)。因此,用一些具有活性的摻和料(硅粉、礦渣、粉煤灰)來(lái)替代一部分水泥正在被廣泛的應(yīng)用。
3.1硅粉的摻入
近年來(lái),硅粉混凝土也已應(yīng)用于混凝土工程各個(gè)領(lǐng)域,其抗凍耐久性問(wèn)題已引起人們的普遍重視,在丹麥、美國(guó)、挪威等國(guó)家,硅粉作為混凝土混合材已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但關(guān)于硅粉混凝土的抗凍耐久性,各國(guó)學(xué)者結(jié)論各異。
日本的Yamato等人通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)果:非引氣混凝土當(dāng)水/(水泥+硅粉)=0.25,不管硅粉的摻量如何,皆具有良好的抗凍耐久性。加拿大的Malhotra等人通過(guò)試驗(yàn)得出:引氣硅粉混凝土不管水灰比多少,硅粉摻量15%以下時(shí)都具有較高的抗凍耐久性。我國(guó)學(xué)者丁雁飛,孫景進(jìn)(1991)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了硅粉對(duì)混凝土抗凍耐久性的影響,得出結(jié)論:非引氣硅粉混凝土的抗凍耐久性與基準(zhǔn)混凝土比較,在膠結(jié)材總量相同,塌落度不變的條件_下,非引氣硅粉混凝土的抗凍能力高。范沈撫(1990)得出:在相同含氣量的情況下,摻15%的硅粉混凝土比不摻硅粉的基準(zhǔn)混凝土,氣孔結(jié)構(gòu)有很大的改善。硅粉對(duì)抗凍耐久性有顯著的效果,但硅粉的產(chǎn)量有限而且成本較高。
3.2礦渣的摻入
磨細(xì)礦渣與混凝土內(nèi)水泥水化生成的Ca(OH)2結(jié)合具有潛在的活性,但磨細(xì)礦渣對(duì)提高混凝土的抗凍融性目前也不少研究。張德思,成秀珍(1999)通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論:隨著礦渣摻量的增加,其混凝土的抗凍融性能愈差,但摻合比例合適時(shí),抗凍性能與普通混凝土相比有較大改善。
3.3粉煤灰的摻入
國(guó)內(nèi)外粉煤灰應(yīng)用已有幾十年的歷史。最早研究粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的是美國(guó)加洲理工學(xué)院的R.E.Davis,1993年他首次發(fā)表了關(guān)于粉煤灰用于混凝土的研究報(bào)告。到本世紀(jì)五、六十年代,粉煤灰作為一種工業(yè)廢料,其活性性能被進(jìn)一步研究和推廣,不僅僅是為了節(jié)約水泥,更主要是為了改善和提高混凝土的性能。美國(guó)加洲大學(xué)Mehta教授指出,應(yīng)用大摻量粉煤灰(或磨細(xì)礦渣),是今后混凝土技術(shù)進(jìn)展最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。
國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料表明:粉煤灰混凝土的抗凍能力隨粉煤灰摻量的增加而降低,和相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土相比較,28d齡期的粉煤混凝土試件抗凍耐久性試驗(yàn)結(jié)果偏低,隨著粉煤灰混凝土技術(shù)的深入研究和發(fā)展,引氣粉煤灰混凝土的抗凍耐久性研究已越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。LinhuaJiang等學(xué)者(2000)通過(guò)研究高摻量粉煤灰混凝土水化作用得出:粉煤灰的摻量和水灰比影響了高摻量粉煤灰混凝土的孔結(jié)構(gòu),并且隨著摻量和水灰比的增加而孔隙率增加,但隨時(shí)間的延長(zhǎng),孔隙率會(huì)下降。這是因?yàn)榉勖夯业膿饺敫纳屏嘶炷恋目壮叽纾畲髶搅坎坏贸^(guò)70%。游有鯤、繆昌文、慕儒等(2000)對(duì)粉煤灰高性能混凝土抗凍耐久性的研究表明:水膠比在0.25-0.27范圍內(nèi),隨著粉煤灰內(nèi)摻量的提高,不摻引氣劑,混凝土抗凍耐久性隨粉煤灰增加而增加。當(dāng)摻引氣劑后,混凝土抗凍耐久性有先升后降的趨勢(shì),既存在最佳的粉煤灰摻量為30%。習(xí)志臻(1999)認(rèn)為:相對(duì)于許多混凝土而言,粉煤灰高性能混凝土提高了混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗碳化能力。田倩、孫偉(1997)討論了摻入硅灰、超細(xì)粉煤灰及兩者的復(fù)合物對(duì)抗凍耐久性能的影響以及鋼纖維的阻裂效應(yīng)對(duì)混凝土抗凍耐久性能的作用。實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)超細(xì)粉煤灰與硅灰相摻時(shí),提高抗凍耐久性的效果尤為顯著,其凍融循環(huán)300次以后,動(dòng)彈性模量與重量基本無(wú)變化,而鋼纖維的進(jìn)一步復(fù)合有利于混凝土抗凍耐久性的改善。由此可見(jiàn),雙摻或多摻礦物的復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土抗凍耐久性的提高是值得研究的課題。
4 高強(qiáng)混凝土抗凍融技術(shù)現(xiàn)狀
目前,高強(qiáng)度混凝土已在工程中得到廣泛應(yīng)用,但是,由于理論上認(rèn)為高強(qiáng)度混凝土應(yīng)具有較高的抗凍能力,所以對(duì)高強(qiáng)度混凝土的抗凍性的研究并不多。
由于試驗(yàn)結(jié)果限制,高強(qiáng)混凝土本身抗凍融能力仍有爭(zhēng)論。Marchandetal.(1995)認(rèn)為:當(dāng)水膠比為0.3,并且硅灰摻量為20%-30%時(shí),混凝土需要適當(dāng)?shù)囊龤鈦?lái)增強(qiáng)抗凍融能力,只有當(dāng)水灰比低于0.25時(shí),混凝土不需要引氣。李金玉(1998)從宏觀和微觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面研究高強(qiáng)度混凝土的抗凍性及其凍融的破壞規(guī)律,并配制出C60.C80.C100高強(qiáng)混凝土。在C60高強(qiáng)混凝土的基礎(chǔ)上,摻用優(yōu)質(zhì)引氣劑配制成C60引氣混凝土,該混凝土具有超高抗凍性,進(jìn)行1200次快速凍融循環(huán)后,相對(duì)凍彈性模量?jī)H為92.6%,為開(kāi)發(fā)研制高強(qiáng)度高耐久性能的混凝土提供基礎(chǔ)。然而,21世紀(jì)的混凝土是高性能混凝土,是混凝土技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。著名的中國(guó)工程院資深院士吳中偉教授對(duì)高性能混凝土下的定義是:高性能混凝土是一種新型高技術(shù)制作的混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代技術(shù)制作的混凝土,以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo),高性能混凝土具有很豐富的內(nèi)容,但核心是保證耐久性,不能片面追求單一性。
5 結(jié)語(yǔ)
雖然各國(guó)學(xué)者研究成果各異,但是,我國(guó)地域遼闊,環(huán)境條件復(fù)雜,雖經(jīng)幾十年的努力,但混凝土工程的抗凍耐久性尤其在三北地區(qū)混凝土工程的抗凍耐久性問(wèn)題仍未得到根本解決。由以上文獻(xiàn)綜述可以看出,摻入活性的礦物摻和料是解決混凝土抗凍耐久性問(wèn)題的有效措施之一,也是21世紀(jì)混凝土技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。單摻礦物摻合料來(lái)配制高性能混凝土的文獻(xiàn)資料及工程報(bào)道很多,并已取得了一定成果。然而,對(duì)于多種礦物摻合料復(fù)摻并研究其復(fù)合疊加效應(yīng)目前尚少系統(tǒng)研究,也是解決問(wèn)題的難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。本論文為解決這一難點(diǎn),對(duì)寧夏這一典型區(qū)域進(jìn)行了提高建筑物抗凍耐久性的技術(shù)研究。采用多種礦物摻合料復(fù)摻能否提高混凝土抗凍耐久性、其復(fù)合疊加效應(yīng)能否實(shí)現(xiàn)及采用的最優(yōu)配合比都要進(jìn)行大量的試驗(yàn),并從宏觀和微觀的角度來(lái)進(jìn)一步研究和分析。該項(xiàng)目的研究克服了目前針對(duì)凍融破壞在分析研究方面的不足,有著廣泛的_理論與工程應(yīng)用價(jià)值和重要的學(xué)術(shù)意義。同時(shí),該項(xiàng)研究大量利用了寧夏廢料資源,保護(hù)了生態(tài)環(huán)境,更重要的是為西部經(jīng)濟(jì)大開(kāi)發(fā)解決能源危機(jī)。該項(xiàng)目的研究和推廣有著不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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