高性能混凝土(修)
1高性能混凝土指标有关规定
《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS257-2-2012)规定,海水环境钢筋混凝土的电通量最高限值为1000C ,对掺加粉煤灰或粒化高炉矿渣粉的混凝土,应按标准养护56天龄期的试验结果评定,对于设计使用年限超过50年的工程,宜测定高性能混凝土的扩散系数。《海港工程结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)规定,对于掺加粉煤灰或粒化高炉矿渣粉的混凝土,电通量可按90天龄期试验结果评定。但这两本规范均未对混凝土吸水率和渗水深度作出具体规定(一般电通量指标为1000C ,可满足要求) 。
此外,《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS257-2-2012)对海工高性能混凝土的用水量、胶凝材料用量、水胶比等做出规定,最低胶凝材料用量浪溅区不宜小于400kg/m3,其它区域不宜小于380kg/m3,且胶凝材料最高用量均不宜超过500kg/m3;用水量宜控制在130 kg/m3~180 kg/m3;水胶比最大允许值浪溅区应为0.35,其它应为0.40;对于Ⅰ或Ⅱ型硅酸盐水泥粒化高炉矿渣粉掺量为50%~80%。
2国内重大工程高性能混凝土技术指标
洋山深水港设计使用年限为50年,而东海大桥设计使用年限为100年,28天的电通量均要求不大于1000C ,并提出了90天氯离子扩散系数要求。杭州湾大桥和青岛海湾大桥的设计使用年限均为100年,对混凝土氯离子扩散系数提出要求。具体性能指标:
(1)洋山深水港工程:
胶凝材料
水胶比
坍落度 ≥400kg/m3 ≤0.35 ≥120mm
≥C45 强度等级
新拌混凝土氯离子含量 ≤0.10%
抗氯离子渗透性(28天) ≤1000库仑
氯离子扩散系数(90天) ≤1.5×10-12m 2/s
(2)东海大桥工程:
混凝土设计强度等级 C40
氯离子电渗透试验(28d ) ≤1000库仑
氯离子扩散系数(90d ) ≤1.5×10-12m 2/s
新拌混凝土氯离子含量 ≤0.10%
(3)杭州湾大桥工程
混凝土设计强度等级 C35
氯离子扩散系数(7W ) ≤2.5×10-12m 2/s
新拌混凝土氯离子含量 ≤0.10%
(4)青岛海湾大桥
混凝土设计强度等级 C45
氯离子扩散系数(7W ) ≤1.5×10-12m 2/s
新拌混凝土氯离子含量 ≤0.10%
抗冻性 F300
3本工程耐久性指标及验算
3.1本工程耐久性指标
而本工程采用矿渣水泥配制海工高性能混凝土,且设计使用年限为20年,根据国内有关标准和重大工程高性能混凝土技术要求,可按56天龄期电通量进行试耐久性评定,电通量不大于1000C 。
3.2设计使用寿命验算
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面有一层钝化膜,钢筋处于钝化状态。随着时间的推移,周围环境中的氯离子逐渐进入混凝土中,钢筋表面氯离子浓度也渐渐变高,当氯离子浓度达到一定浓度时钢筋表面的钝化膜被破坏,钢筋处于活化状态,此氯离子浓度即所谓“氯离子浓度临界值”。这一阶段就是诱导期。
扩展期t 2——活化状态的钢筋在水和氧的作用下被氧化、锈蚀,直至混凝土开裂,此阶段称为扩展期。
加速腐蚀期t 3——混凝土开裂后,进入加速破坏期,通水、通氧条件更好了,环境中的氯离子也更易于进入,钢筋的锈蚀速度大大提高,构件破坏加剧,最终因钢筋截面缩小、混凝土蹦落而失效,结构报废。
海港工程一般将(t1+ t2) 的时间定义为安全使用寿命。即通常所说的“不维修使用年限”是诱导期(t 1)、扩展期(t 2)之和。
(2)诱导期的计算原理
对于钢筋混凝土结构诱导期的计算,国际上通用的方法是采用费克第二定律(Fick’s 2nd Law),其表达式为:
C (x , t ) =C s -(C s -C i ) erf (x
4D t T ) (1)
式中:C(x,t) —— 在时间t 深度x 处的氯离子浓度;
Cs —— 暴露表面上的边界氯离子浓度;
Ci —— 混凝土中原始氯离子浓度;
x —— 暴露面以内的深度;
D —— 氯离子有效扩散系数;
t —— 混凝土暴露于海洋环境的时间,即使用寿命;
erf(z) —— 误差函数。
根据美国Life-365,考虑温度影响的混凝土扩散系数可按下式计算:
D t =D ref ⎡U ⎛1⎤1⎫ ⎪⋅exp ⎢⋅-⎥ (2) ⎪⎥R T T ⎢ref ⎝⎭⎦⎣
式中:D t —在时间t 和温度T 时的扩散系数;
D r e f —在某一参考时间t ref 和温度T ref 时的扩散系数;
U —扩散系数过程的激发能量(35000J/mol);
R —空气常数,取8.314J/K/mol;
T r e —参考温度(K ),取273K ; f
T —环境温度(K )。
按照美国Life-365有关文献资料,混凝土扩散系数是不断衰减的,经暴露试验和回归分析,衰减的扩散系数与初始扩散系数之间关系可按下式计算:
e D t e =D ref ⎛t ref ⋅ t ⎝⎫⎪⎪ (3) ⎭m
式中:D t e —混凝土暴露试件在暴露试件t 时测定的扩散系数
D r e e f —混凝土暴露试件在某一参考试件点t ref 上的参照扩散系数
m —为衰减系数
美国Life-365寿命预测软件衰减系数m 推荐值可按表1取值。
(3)计算结果
按照56天混凝土电通量小于1000C ,混凝土扩散系数可取4.5×10-12m 2/s,混凝土原始氯离子浓度Ci 取0.1%,海水表面氯离子浓度Cs 取1.0%,临界氯离子浓度取0.05%,钢筋保护层厚度为70mm ,矿渣掺量区70%,考虑混凝土扩散系数衰减,环境温度取28℃,采用计算软件,可按费克第二定律计算出氯离子扩散诱导期,诱导期为28年,计算如图2所示。此外,高性能混凝土氯离子渗透 电量仅为普通混凝土的十分之一,混凝土保护层为70mm 时,估计其中钢筋的锈蚀扩展期为20年。因此,推算高性能混凝土设计使用年限为48年,远大于20年的设计要求。
图2 混凝土诱导期计算结果
4提高混凝土性能的主要途径
现有混凝土强度等级为C40和C50,目前混凝土主要配制参数为:168 kg/m3~180 kg/m3;胶凝材料用量425 kg/m3~180 kg/m3;矿渣掺量为40%和70%为应采取技术措施,满足混凝土抗压强度和耐久性的要求:
(1)抗压强度
从混凝土试验来看,4天强度达到46%抗压强度等级46%,不能满足要求,现在配制混凝土用水量168 kg/m3~180 kg/m3,用水量偏大,为提高早期强度,主要途径:
1)采用高效减水剂,降低用水量,用水量宜控制在1600kg/m3以下;
2)改善石子的级配,石子最大粒径增大到25mm ,也可降低用水量;
3)国内矿渣水泥粒化高炉矿渣粉在20%~50%(A 型)或50%~70%(B 型),现在水泥矿渣水泥掺量为70%或40%,40%掺量可能偏低,70掺量也可能偏高,适当控制矿渣水泥掺量,保证混凝土早期强度和耐久性。
4)在满足坍落度损 失的条件下,适当降低缓凝剂的用量。
(2)电通量
混凝土试验结果表明,28天电通量为1800C ~2000C ,参照现有国内有关规范标准,为满足工程设计使用寿命20年的要求,混凝土电通量指标确定为56天的电通量不大于1000C 。为满足混凝土电通量的要求,主要技术途径:
1)控制混凝土水胶比,水胶比宜控制在0.35左右;
2)控制矿渣粉掺量;
3)以56天龄期为评定混凝土电通量。