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高性能混凝土耐久性

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2016/12/05 13:53
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        现在混凝土的使用性能得到更多的关注,特别是近年来普遍产生的劣化和失效,使人们对高强度、低渗透性混凝土的生产与使用的兴趣日益增加,这曾经被认为是不可能的。一般认为,高强混凝土不仅能使结构更轻、更高,而且也比普通混凝土更耐久。伹在缺乏依据的情况下,下这样一个普遍的结论,尚需考虑许多因素。本文就一些必须回答的相关问题进行了简短的讨论。因为往往是在混凝土失效后,才究其原因,如果事前仔细地评估现在能制备和使用的不同范围的混凝土的应用前提与后果,许多失效是可以避免的。此外,许多情况下的不一定需要高强度。这些也适用于修补材料的制备和应用,不断变化的环境使得修补材料与修补面不匹配而引起失效。 
  1 硬化混凝土 
  假设HPC的使用目的明确了,例如用于海洋环境中的公路桥梁的混凝土要求轻质高强,或能抵抗环境中侵蚀性气体、液体的渗入。一旦知道这些要求,就可能列出一份混凝土必须满足的具体性能指标清单。 
  如果需要高强度,相应地需要调查达到目标强度是否会带来副作用:混凝土是否较脆,且单一裂缝形成后会不会迅速扩展?弹性模量是否低于低强混凝土,高多少?横向变形是否更可能成为设计和施工上的何题,尤其是在构件截面较薄时。 
  很少使用不配筋的素混凝土,尤其是对于HSC而言。构件(如柱子)中的箍筋和纵向钢筋对混凝土有效地施加三轴约束作用,从而提高了承载力。与HSC相比,低强和较脆的混凝土构件中这种约束作用的益处要大得多,因此的优势可能要比看上去的小。 
  有时可能需要高强度和低密度,这时的关键何题涉及到不同材料间的相容性,例如混凝土框架采用常规材料,而填充墙使用轻质混凝土,则该结构体系的不同部分就会对使用荷载或环境变化产生不同的反应。在热天,密实混凝土可能比耐热性较好的轻质混凝土的膨胀大而快。这说明在此最关键的因素是热膨胀和收缩。笔者了解一些隔热复合板的实例。这种板由玻纤增强的高强水泥薄板和泡沫塑料隔热材料夹层构成,使用该板的建筑物的内部温度几乎常年不变,而涂成深褐色的板外层则随季节及日照的变化而波动较大,虽然认为玻纤可以使材料足够强韧,但由于对温差引起的热量迁移考虑不够,自然发生了开裂。失效原因是多方面的。首先是对夏天的日散热量缺乏估计;其次,当温度变化时,这种复合板的内层温度几乎不变,而通过隔层与内层相连的外层则发生膨胀或收缩,因此这种板应有足够的挠度(应变能力)以避免开裂;最后,深色涂层吸收太阳能,使问题更加严重,该体系的物理因素没有被仔细考虑,外层温度肯定大大高于在阴凉处记录的温度。在这个实例中,值得更仔细地审视一下原来的设计要求,以搞清为什么会犯如此明显的错误。原来这样深褐色的表面是为了降低维修费用,因为这种板的使用环境中的喷气式发动机喷洒出的油可能会弄脏墙面,而采用深褐色可以避免经常地涂刷。复合板的内层与外层在结构上相连,以至于它们之间的相对运动不可避免地产生开裂,即使是对于抗裂的外层玻纤板,而且对实际情况中的这类行为未认真考虑。后来进行了重新设计,板的内外层可以独立地胀缩,并把颜色换成深浅适中的色彩,结果令人满意:在过去的10年中没有发生问题。显然,建筑师和工程设计者需要与那些懂得实际环境对材料性能的影响的人进行交流,仅仅有简单的结构分析是不够的。在此要讨论的另一方面是板与结构框架之间的相对位移。与附加的大面积薄板相比,框架的胀缩要慢得多,因此要注意面定件,使其能允许相邻单元发生相对位移而不开裂,还要注意相邻板之间的密封胶。 
  这个工程实例给予我们如下启示:首先,当结构物将处于特殊的或环境恶劣的使用条件下时,最好列出所有可能影响其行为的因素,不能简单地认为密实的低渗透性混凝土是唯一的或最好的解决办法;很容易理解,应力下产生大量微裂紋的混凝土要比一旦开裂就产生几条宽而长的裂纹的高强脆性材料更具有承载潜力。 
  2 渗透性与化学侵蚀 
  混凝土受到的化学侵蚀有多种。其中,一些是由环境中的气体、液体侵入引起的,一些是由混凝土内部离子经过孔溶液的迁移引起的,还有一些发生于特定混凝土本身的组分之间。某些劣化涉及到钢筋锈蚀,另一些涉及到混凝土的解体。后者当中,有的是与骨料的反应,有的是与水泥浆基体的反应,有的则是骨料与水泥浆之间的反应。每个问题都需要妥善解决,没有普遍适用的HPC。不幸的是,特种水泥、摻合料或混凝土生产商的某些声明给人以相反的印象,并且没有承认他们推荐的产品中任何可能的缺点。 
  相反,有许多混凝土不管其使用方式如何,几乎都可以认为是劣质的。但是,混凝土性能低劣的原因很少是由于配合比设计的不完善,而是更多地归因于不良的使用方法。振捣不良是混凝土出现烽窝狗洞的常见原因,这往往抵消了对钢筋的所有保护性措施。因此才有上文中对混凝土拌合工作性的评述,即使看上去混凝土浇注得很好,每批浇注的不同部位也会有所差异。混凝土泌水时,水膜常常会在接近混凝土表面的地方,或者是沿着模板的垂直截面形成,这会使局部混凝土的质量降低,因为泌出水被包裹在靠近模板处,也就是靠近以后的暴露面。若是浇注、捣实和养护不当,其潜在的高性能则得不到充分的发挥。采用半渗透性模板有望解决这个问题,它可以允许集中于模板附近的水分排出,从而减小该部位的有效水灰比,改善混凝土的质量。 
  在实际应用中,混凝土的潜在高性能不能达到预定目标的另一原因与混凝土的高水泥用量有关,水化反应放热引起大量的热量迁移和开裂、违反正确的施工程序将使这个潜在的问题更加严重。 
  迄今为止,人们的注意力大都集中在实验室制备的混凝土试件与现场混凝土试件性能的基本差别上,在使用过程中混凝土的劣化原因也应受到关注。还有一个需要考虑的问题是火对低渗透性混凝土的作用。混凝土优于其它建筑材料的一个优良属性是其抵抗火灾的齒力。实际上,钢柱经常包裹一层混凝土以提高耐火性。有确凿证据表明,在火灾作用时,在低渗透性混凝土内部积累的高蒸汽压足以使混凝土表面爆裂、脱落。这再次使我们思考到底意味着什么,同时使我们认识到强度不是混凝土的唯一指标。 
  3 结语 
  当利用HPC的优势来解决具体问题时,上述影响因素可能无关紧要,但重要的是混凝土结构设计人员应当知道任何可能有的不利影响,才能综合评价不同方案的相对优劣。 

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