第1个回答 2007-05-09
20世纪以来, 以混凝土为建筑材料的工程结构得到迅速发展。围绕着材料技术与施工水平, 混凝土技术发展经历了从大流动性、塑性、半干硬与干硬、高流态到高强、高耐久、无污染绿色高性能混凝土的发展过程。混凝土仍将是新世纪最大宗的建筑材料, 有着广泛的应用前景。新世纪混凝土的可持续发展战略得力措施之一就是要增强混凝土结构的耐久性。耐久性是指达到设计指标的混凝土经过长年的使用而不毁坏, 能够继续服役于工程环境并且对侵蚀环境有一定的抵抗能力, 保持其适用性。人们对耐久性问题的认识主要是出自于经济因素和安全因素的考虑。在西方发达国家, 每年用于结构维修费用占建筑总投资的40%以上。在我国, 新建的混凝土公路或大桥5～10年就要进行一次大修, 而每公里的维修费用至少要在100万元以上。我国每年投入路桥的维修费用在10亿元左右。所以对混凝土结构工程来说,材料耐久性设计应该放在与力学性能、工程造价一样重要的位置。作为混凝土工程应用分支之一的负温混凝土广泛应用在我国“三北”地区。而“三北”地区
的恶劣气候对负温混凝土的工作性、耐久性等必将提出更高、更苛刻的要求。
一、负温混凝土的基本概念及其特点
(一)负温混凝土与正温混凝土
从温度对混凝土性能影响的角度可以把混凝土分为正温与负温混凝土。前者只可以在正温条
件下凝结、硬化并且强度持续发展, 当放置于负温条件下时遭受冻害, 强度增长缓慢甚至停止增长, 恢复正温条件养护后其强度损失在50%以上，并且其它物理力学性能丧失殆尽。后者可在两种温度条件下水化, 并且在负温条件下表现出其特殊的凝结硬化特性。负温下强度持续增长,28 天强度增长率达到标准养护强度的40～50%, 并且转入正温条件养护后不改变物理力学性能等固有的本构关系。所以对负温混凝土来讲, 改善负温混凝的界面结构状况, 缓解过度区的冻胀压力, 促使负温水泥的水化与早期结构的形成, 尽快达到抗冻临界强度, 提高早期防冻能力, 是增强负温混凝土耐久性的前提与关键。
(二)负温混凝土的性能特点
根据工程环境及施工需要, 要求负温混凝土具有如下优越的物理、力学性能及长期耐久性能等特点：
1.超塑化
在大坍落度条件下, 混凝土不泌水、不离析, 便于施工, 易于密实的性能。
2.负温增强度效果明显
“三北”地区处于常年冻土状态, 要求混凝土在负温下增强效果显著, 防止遭受冻
害。
3.对冻土层的热扰动小
冻土层受扰动, 回冻后势必对混凝土整体结构产生负面影响, 应尽量减小对冻土层的热扰动。
4.高耐久性
鉴于自然环境的恶劣性, 要求混凝土的抗冻融循环次数达300次以上; 抗硫酸盐腐蚀的极限浓度达 15000mg/L；抗氯离子渗透值不超过1000库仑及抗骨料的碱—硅酸反应膨胀率降低50%以上。
二、工程设计实例
(一)青藏铁路沿线工程地貌与环境
青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原, 其地理位置独特, 地质气候复杂, 自然环境恶劣。青藏线二期工程格尔木至拉萨段全长1200km、穿越550km多年冻土地段, 并且全线海拔高程大于400m的地段有965km, 除格尔木与拉萨外, 沿线年平均气温-2～-6℃。年负温天数约180天左右。极端最高气温25℃, 最低气温-36～-45℃。气候干燥, 干湿交替频繁。一些地段河流、土壤当中的氯离子、硫酸根离子浓度已经构成中等侵蚀和强等侵蚀危害, 部分路段还面临着风沙磨蚀。所以在如此恶劣的自然环境下进行铁路建设, 混凝土材料必须具备良好的耐久性性能。
(二)耐久性设计基本思路
青藏铁路沿线地表结构不同, 地质地温不同, 海拔高度以及气候, 温差, 施工等条件的差异要求尽可能的分地段经济合理地选择不同强度等级, 抗冻等级以及抗侵蚀指标的混凝土来满足工程要求。从耐久性来考虑混凝土的设计指标不能低于C30和F300, 由恶劣的
自然条件可知, 负温耐久性混凝土面临的几乎是一切耐久性问题的挑战, 所以比选或复配复合多功能外加剂是配制负温混凝土的技术关键。
(三)影响负温混凝土耐久性的主要因素
1.冻融循环
负温混凝土所要解决的首要问题就是提高混凝土的抗冻耐久性。混凝土的冻害主要与温度、水和混凝土内部的结构孔隙状况有关。影响混凝土抗冻安全性的主要因素是水灰比、含气量以及胶凝材料用量。在一定水灰比区间内, 硬化后混凝土的气泡参数及孔隙结构是影响混凝土抗冻性能的关键。这就要求掺入减水剂来减少用水量(减少可冻自由水冻结膨胀的危害), 减水剂现在已是混凝土不可缺少的组分之一, 掺入占水泥千分之几的用量, 可以大幅度降低用水量, 有利于混土结构性能的改善。水不仅影响混凝土的结构形成，同时还是其它有害离子入侵的载体, 也是很多有害膨胀性物质生成不可缺少的反应组分。要尽可能的在满足施工要求下(可泵性), 让水的用量接近水泥水化所需要的用水量。需要重点解决的问题是超塑化剂和水泥的适应性。因为坍落度损失是负温混凝土不可避免的现象。对单功能的减水剂进行材料功能复合, 在坍落度损失机理的基础上, 通过化学和物理的办法来降低坍落度经时损失。 掺入引气剂来提高新拌混凝土的含气量, 而含气量一般与引气剂掺量、胶凝材料用量、起始坍落度以及有无超塑化剂的使用相关。引气剂带入的不连续的微小、封闭、稳定的气泡能够减少连通孔隙率, 作为水结冰或盐结晶膨胀的缓冲阀。减少自由水(可冻水), 让水尽可能吸附在毛细孔内或凝胶孔内(降低冰点)。需要综合考虑的问题是含气量和混凝土强度损失之间的关系。据统计混凝土含气量每增加1%，混凝土的强度则下降5～7%。根据我国“九五”期间的科研成果混凝土抗冻等级在F300的技术要求是W/C≤ 0 ．55;含气量5．0±0．5%;Γ(气泡间距系数)≤350um。所以掺入引气剂和减水剂是必须途径, 而选择性能优良的引气剂并且解决与超塑化剂的相容性问题以及解决坍落度损失, 满足施工要求等是技术关键。
2.钢筋锈蚀
造成混凝土钢筋锈蚀的主要原因是由于供氧量不足(低于0.2～0.3mA/m2)、碳化导致混凝土碱度降低(PH8.5～9)、氯离子含量过高(Cl�-/OH�-≥0.63)时就会使混凝土钢筋保护膜脱钝并且生锈。根据上述工程地貌可知氯离子渗透是导致混凝土钢筋锈蚀的最危险因素。氯离子在混凝土中的迁移主要有三种方式，即由浓度引起的扩散、压力作用下的渗透、毛细孔的吸入(水溶解)。目前解决的办法主要是掺阻锈剂和活性掺合料。研究表明: 掺入硅灰对氧扩散速度无影响, 但能够降低碳化速度, 提高混凝土的电阻率(混凝土的密实性)。这主要是它的火山灰效应和细颗粒填充效应作用的结果。我们认为提高混凝土的密实性是至关重要的。根据青藏周边的建材情况, 可应用阻锈剂和添加硅灰或纳米矿粉材料来阻止氯离子的渗透以提高混凝土的护筋性。同时密实度的提高也增强了混凝土的耐风蚀能力。
3.硫酸盐侵蚀
硫酸根离子渗入到混凝土中与水化产物反应, 生成膨胀性物质, 使混凝土遭到破坏。硫酸根离子主要来自于土壤或酸雨, 混凝土原料组成中。由于石膏溶解度低, 主要是K�+、Na�+、Mg��2+�硫酸根侵蚀。一般认为当硫酸根浓度大于1500mg/L时很容易产生腐蚀, 并且溶液中含有(H�+、NH��4+�、CL�-、CO��2-��3)离子时对腐蚀有促进作用。对于粉煤灰混凝土的耐腐蚀性能, Dustan提出R=(CaO)/Fe�2O�3的公式, 认为R小于0．75时, 对抗腐蚀性能有很大的改善。可选择掺入粉煤灰的办法来降低游离氢氧化钙的数量, 需要注意的是选择优质的粉煤灰(球状颗粒、比表面积大)，组分尽可能接近Dustan的公式。同时掺入粉煤灰能够改善混凝土的工作性能, 避免离析和泌水, 提高和易性。
4.碱—骨料反应
碱—骨料反应是骨料中活性氧化硅矿物与水泥的碱分（K�2O、Na�2O）起反应，在骨料表面生成一种复杂的碱—硅酸凝胶体。这种凝胶体吸水时，体积将会膨胀，使硬化后的混凝土产生胀裂。碱—骨料反应潜伏期长，破坏性大，应引起足够重视。
混凝土中的碱主要来自水泥和外加剂。我国北方水泥厂生产的水泥含碱量较高，常用萘系高效减水剂和防冻剂都含有数量可观的碱。尽量选择非活性骨料，或选择低碱水泥，掺入活性混合材料，如硅灰、粉煤灰、矿渣等可抑制或降低碱—骨料反应的危害。
三、负温混凝土质量控制
(一)原材料品质
原材料品质的好坏直接影响到混凝土的质量, 因此, 合理选择原材料, 并按照相关标准规范严格试验是提高混凝土耐久性质量的前提条件。
1.优先选用32.5R以上的低碱普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥
2.细骨料
优先选用清洁、级配良好、非碱活性、质地坚硬 , 不得含有易冻裂的矿物质的河砂。
3.粗骨料
优先选用清洁、级配良好、非碱活性, 质地坚硬的碎石、卵石或两者的混合物, 不得含有
冰、雪等冻结物及易冻裂的矿物质。
4.外加剂
选用高性能复合外加剂, 如由铁科院牵头组织的课题组研制生产的“青藏铁路低温早强耐腐蚀高性能混凝土添加剂”, 该产品具有早强、减水、防冻、引气、细化孔结构, 提高混凝土在低温、负温下早强及混凝土的耐久性作用。
5.外掺料
选用品质优良的粉煤灰、硅灰等工业废料来改善混凝土的性能。
(二)优化混凝土配合比的设计
鉴于青藏高原环境的特殊性, 配合比的设计根据不同环境条件不同温度范围进行正交优化设计, 并经试验验证。
(三)混凝土的现场施工过程控制及养护控制
1.原材料的保温及加热。原材料应根据气温不同加以调整。当气温低于-5℃时, 可用加热水的预热方法，但水的加热温度不宜高于80℃。当水温超过60℃时, 应先将骨料与水拌合，均匀后加入水泥、外加剂等，以免水泥假凝。当气温低于-10 ℃时，采用水与骨料同时加热的方法，水与骨料按《低(负)温早强耐久混凝土施工作业指导书》附C热工计算公式进行，且在使用前将骨料移入暖棚中进行预热; 暖棚中至少保证两天用料, 做到边使用边补充。
2.混凝土的搅拌。混凝土的拌制统一在拌和站集中进行, 采用具有自动计量上料系统的强制式搅拌机搅拌。根据上述试验结论, 拌制的时间控制在2.0～2.5min；混凝土拌和物坍落度根据浇筑工艺，按配合比设计严格控制, 含气量控制在5～6%左右。
3.混凝土的运输。混凝土的运输采用混凝土罐车。当气候寒冷时, 在容器外套保温罩，混凝土运输至浇筑处的温度与热工计算的要求不相符时，及时采取措施进行调整，尽量减少混凝土的运输和现场停留时间。根据含气量的损失试验, 控制时间为30min。混凝土的浇筑、振捣及拆模严格按《低 ( 负 ) 温早强耐久混凝土施工作业指导书》规定执行。
4.加强混凝土浇筑后的养护措施。青藏铁路沿线地段气候多变、紫外线照射强、风沙大。针对这一恶劣的自然环境，在混凝土的养护上采取两阶段养护：第一阶段：规定要求脱模后喷涂一次养护液，并在气温为+5～-5℃正负交变条件下，采用塑料薄膜及时密封包裹，用棉毡、彩条布进行保温养护，并预留补水孔进行补水保湿；在气温为-10℃以下时, 采用塑料薄膜、棉被、电热毯、补水等保温保湿措施。第二阶段:养护60d或更长时间后，混凝土表面喷涂一次养护液, 进行自然养护。确保混凝土早期强度，为后期耐久性奠定了良好的基础。
四、结语
(一)耐久性是影响混凝土未来发展的关键，材料耐久性的设计原理要紧密结合 20 年来的工程实践经验和科研理论成果。
(二)耐久性设计必须紧密结合诸多因素, 不可以单一、孤立地研究其中任何一种破坏类型。采用正交设计优化配合比，加强试验研究。
(三)高效多功能防冻剂是提高负温混凝土耐久性的技术关键，抗冻临界结构理论能够较好说明负混凝土的早期防冻能力，也为研制新型防冻剂提供了一个全新的技术路线。
(四)负温混凝土作为混凝土科学的一个分支，许多问题还有待于进一步研究。
(五)我校有大量的毕业生投入到西部大开发建设中，这就需要我们加强负温混凝土的研究，以更好的指导实践。