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试析铁路桥梁工程中高性能混凝土的耐久性

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2016/12/16 13:41
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1 高性能纤维混凝土耐久性综述 
  高性能混凝土是通过采用“双掺”法而得到的一种新型混凝土,即在混凝土中加入硅粉、磨细矿渣、粉煤灰及高效减水剂等一些外加剂和活性混合材所获得的一种低水灰比、高耐久性、高强度及高流动性的混凝土。为满足桥梁工程设计使用年限100年的要求,采用了高性能混凝土,它除了要满足混凝土的工作性能和强度要求外,耐久性能是至关重要的一个指标。 
  各种外界环境因素对混凝土的耐久性均有不同程度的影响,如二氧化碳浓度高的环境可能造成混凝土碳化,冰冻或冻融环境造成混凝土劣化等,铁路混凝土结构耐久性设计给出了碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境的设计指标。在混凝土劣化的外部条件存在时,高性能混凝土本身密实并不产生原生裂缝,硬化后体积稳定而不产生收缩裂缝,同时,减少混凝土内部受侵蚀的组合,以保证高性能混凝土的耐久性。高性能混凝土具有水灰比低、密实度高、强度高、体积稳定性好,耐久性好的特点。混凝土的耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、抗碳化性、抗化学腐蚀、抗物理侵蚀、抗微生物侵蚀、碱集料反应、护筋性等。本文主要从抗渗性及抗冻性来尝试性地研究高性能混凝土的耐久性及测定。 
  2 高性能纤维混凝土耐久性分析 
  2.1 抗渗性 
  混凝土的抗渗性是指混凝土在压力水的作用下抵抗渗透的能力,是决定碱骨料的膨胀,以及酸和硫酸盐侵蚀等破坏性作用中质量传输速率的基本因素。如抗渗性不好的混凝土,溶液性的物质能浸透混凝土,使混凝土的耐久性降低。在钢筋混凝土中,由于水分与空气的渗透,会引起钢筋的锈蚀。钢筋的锈蚀导致其体积增大,造成混凝土保护层的开裂与剥落,使钢筋混凝土的结构失去耐久性。 
  纤维混凝土阻止了混凝土的离析现象(即水泥浆与集料的分离倾向),提高了浇注体的整体均匀性,不致发生分层的不均匀收缩,减少浇注体的内部裂缝;即使基材在限制收缩条件下因失水干缩而引发裂缝,由于存在纤维的阻裂作用,亦可显著减少裂缝的数量、裂缝的长度和宽度,并因而降低生产贯通裂缝的可能性;由于混凝土体内大量均匀散步的短纤维呈现三维乱象分布,因此可以起到阻断混凝土内毛细作用的效果;由于掺入合成纤维的作用,混凝土的抗渗性能得到明显改善,透水性减低,因此降低了混凝土内水分、氯离子、空气等的转移速率,从而起到延缓钢筋锈蚀的作用。 
  高性能混凝土一般都含有矿物掺和料硅粉、粉煤灰或磨细矿渣,经过国内外大型桥梁中的实际应用表明,其中以硅粉提高强度和耐久性的效果最显著。硅粉为高活性、无定性 SiO2 微小颗粒,粒径是水泥粒径的 1/100,可以填充在水泥颗粒之间,同时能将水泥水化产生的 Ca(OH)2 转化为 CSH 凝胶(即火山灰反应),从而大幅度提高混凝土强度和降低混凝土渗透性。在非常恶劣环境中要求混凝土结构具有长寿命,或混凝土强度等级在C80 以上,硅粉是高性能混凝土的必要组成部分。优质粉煤灰具有物理减水作用,高细度矿渣具有增强作用。这两种掺和料也都有火山灰反应活性,能够在一定程度上降低混凝土渗透性。 
  赵铁军在其博士论文中研究了用于高性能混凝土渗透性评定的试验方法。该方法采用电压为1V、频率为1KHz的交流电,被测混凝土试件两端都为3%的NaC1溶液,最终是以经修正的混凝土电阻R反映混凝土的渗透性,并参照ASTMC1202对混凝土渗透性评定标准,用该方法将混凝土渗透性分为5级,见表1。 
   
  表1用交流电测量混凝土渗透性的评定标准(参照ACI高性能混凝土委员会用ASTMC1202和AASHTOT277将高性能混凝土渗透性分级的评定标准),赵铁军用交流电测量法也提出了对高性能混凝土渗透性的评定标准,见表2。即认为若用交流电测量混凝土渗透性,当修正后的混凝土电阻大于450Ω时,就渗透性方面讲该混凝土可称为高性能混凝土,修正后混凝土的电阻值越大则高性能混凝土渗透性越低,相应抗渗性等级越高。 
   
  2.2 抗冻性 
  混凝土抗冻性,就是在饱水状态下多次冻融循环时保持混凝土强度的能力。室外负温条件下使用的混凝土,抗冻性是保证耐久性的最重要性能指标之一。饱水状态下受冻时,混凝土的破坏首先与孔隙中水结冰有关。当水在孔隙和毛细管中结冰时,体积膨胀9%。因此,若混凝土中的全部孔都充满水,则第一次冻融循环之后就应该破坏。 
  水泥浆硬化过程之初,生成相互联系的毛细孔体系,孔的体积相当于拌和水的体积,而孔的横截面平均半径与成水灰比成正比。配合比选择正确,混凝土拌和物搅拌正常时,这些毛细孔紊乱地分布,但从统计学观点看来沿混凝土整个体积分布是均匀的。水泥水化条件下,水泥石中的结合水形式和混凝土的孔隙率特性,随龄期的延长而改变。 
  硬化最初几小时中水泥浆由于化学收缩而减小体积。水泥浆的塑性收缩,部分由化学收缩引起的。但水泥石中生成足够坚硬的晶体骨架之后,就不能出现因化学收缩引起的收缩变形,水泥石沿整个体积均匀地形成最小的孔,因而破坏了密实性。这些孔具有很大的毛细孔势能,因而从较大的孔中吸水,结果使较大的孔部分或全部脱水,同时被蒸汽-空气混合气体充填。水泥石在水泥水化时形成的较大孔和毛细孔,由于化学收缩而被蒸汽-空气混合气体充填,由水泥凝胶从各个方向连接成的孔脱水之后,即使试件在水中养护使毛细孔内吸,也不会被水充填,因为脱水孔的毛细孔势能低于凝胶孔的毛细孔势能。 
  饱水混凝土受冻时,由于孔中冻晶体的形成和生长,剩下尚未冻结的液相中产生静水压力。在该压力作用下,水溶液会被挤入储备孔,使水泥石和混凝土晶体连生体固体骨架中的拉应力,或全部消失或大大成小。当容纳水的储备孔和其它孔体积比生成的冰的体积小得多,或是由于多次反复冻融循环,上述全部孔都逐渐填满水并完全结成冰,这时混凝土就会破坏。 
  对于高强混凝土或高性能混凝土,其抗冻性能多采用水中快冻法进行抗冻性试验,进行测试。 
  3 结语 
  高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土,它以优异的耐久性为主要特性,具有高流动性而不离析、不泌水;成型均匀、密实;高早期强度,长期保持的力学性能;具有高韧性,高体积稳定性;优异的耐久性,能够抵抗外部环境的侵蚀,硬化后渗透性低等优点,为混凝土的发展找到了一条新的出路。在这种情况下,鉴于纤维较强的阻裂作用,将其掺入混凝土中是配置新型高性能混凝土的良方。现已有很多将这种高性能纤维混凝土应用于铁路桥梁工程中的成功实例。 

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