高性能混凝土

1. 简述什么是高性能混凝土。

随着各种新材料，新工艺的出现，一些大型的和超大型的混凝土建筑物如高层超高层的大楼，城市立交桥，跨河跨海大桥，大型隧道等大型的混凝土工程的需要越来越多，也越来越多的被兴建。这样的混凝土工程所在的环境恶劣，施工过程中难度大，建成的工程一旦出现问题，维修困难。在这样的情况下，要求新拌混凝土具有良好的工作性，而且制成的混凝土要有足够的使用寿命，更要经久耐用。在这种情况下，高性能混凝土应运而生。

对于高性能混凝土，我们给予以下定义：它是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能上采用现代混凝土技术制作的混凝土，以耐久性作为设计的主要目标，针对不同的用途要求，保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性。

高性能混凝土并不是混凝土的一个品种，而是强调混凝土的“性能”或者质量、状态、水平。对不同的工程，高性能混凝土有不同的强调重点。高性能混凝土是高质量的混凝土，不是只要有配合比就能生产的，而是由包括原材料控制、拌合物生产制备和整个施工过程来实现的，使用高性能混凝土必须特别重视全面质量控制，更严格地执行有关规范和有关技术规定，以保证混凝土具有良好的均质性，不论强度多少，均应在所使用的环境下是耐久的。在配合比设计上，要以耐久性为目标。

2. 高性能混凝土为什么要把耐久性作为设计的主要指标？

混凝土从问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程，似乎人们总是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年以来，混凝土结构因材质劣化造成过早失效以至破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。这些混凝土工程的过早破坏，其原因不是由于强度不足，而是因为混凝土耐久性不良。并且由于混凝土的耐久性劣化或失败，世界各国为此付出的代价十分沉重。然而，值得庆幸的是，由于工程安全因素，更由于耗费巨资的经济因素提醒我们:现在，混凝土耐久性问题己越来越受到人们的重视。美国学者用“五倍定律”形象地说明了混凝土耐久性的重要性，尤其是设计对耐久性问题的重要性。例如设计时，对新建项目在钢筋防护方面无谓地每节省1美元，就意味着当发现钢筋锈蚀时采取措施要多追加维修费5美元，顺筋开裂时需多追加维修费25美元，严重破坏时许多追加维修费125美元。沉重的代价使人们认识到，不仅需用耐久性良好的材料及时修复己出现耐久性劣化的混凝土工程，更重要的是必须使今后新建的混凝土工程具有足够的耐久性以保证设计寿命。例如一些国家要求建设更为耐久的结构物，设计使用寿命为100年或更长。为此，世界各国都开始专门研究混凝土的耐久性及其改善技术。

由此看来，混凝土耐久性已成为国际工程界普遍关注的重大课题。随着科学技术的发展和人类文明的进步，人类生产活动涉及的范围越来越广，各种在严酷环境下使用的混凝土工程，如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝等不断增多，这些工程关系国计民生，必须实现百年大计甚至千年大计，这就更加要求混凝土具有优异的耐久性即足够长的使用寿命。为此，人们对混凝土耐久性的追求已越来越主动和自觉，甚至超过了过去对混凝土强度的追求，于是人们把耐久性作为高性能混凝土设计的主要指标。

3. 混凝土的冻融破坏机理有哪些？氯离子渗透机理有哪些？

混凝土中存在大量的毛细孔，混凝土硬化后毛细孔中会有自由水的存在。事实上，毛细孔中的水结冰并不会使混凝土内部结构遭到严重破坏，因为混凝土中除了毛细孔之外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔和其他原因形成的非毛细孔，这些孔隙中常混有空气，当毛细孔中的水结冰膨胀时，这些气孔能起缓冲作用，能将一部分未结冰的水挤入胶凝孔中，从而减小膨胀压力，避免混凝土内部结构破坏。但当混凝土处于饱水状态受冻时，其毛细孔壁同时承受毛细孔冰晶膨胀压和凝胶孔渗透压两种压力，当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂; 在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝由表及里相互贯通，其强度逐渐降低，直至完全丧失使用性能。

混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期和混凝土的强度等许多因素有关，其中最主要的因素是它的孔结构，而混凝土的孔结构是由混凝土水灰比、添加剂和施工养护方法等因素决定的。一般来说，水灰比较小、内部孔隙少、密实且强度高的混凝土抗冻性较好; 添加引气剂使混凝土结硬后内部包含大量分布较为均匀的封闭微气孔，可以大大改善混凝土的抗冻性。

氯离子侵入混凝土的方式有毛细管吸附、静水压力和扩散三种。最常见方式的是扩散，即氯离子的运动是在浓度梯度的驱动下产生的。出现这种情况时，混凝土中必须有连续的液相，同时氯离子有浓度梯度存在。第二种氯离子侵入的方式是渗透，此时压力梯度是驱动力。如果在混凝土表面施加一个液压压头，同时有氯离子存在时，氯离子将会渗透入混凝土。当混凝土表面处于干湿交替的环境中时，毛细管吸附是氯离子通常侵入混凝土的方式。当水(可能含有氯化物)遇到干燥的混凝土表面时，由于毛细管的吸力作用，水将被吸入混凝土孔隙中。吸附的驱动力是湿度梯度。通常情况下，混凝土表面的干燥深度很小，仅通过毛细管吸附的作用并不能使氯离子到达钢筋的表面，除非混凝土的质量是极端的低劣同时混凝土保护层厚度也很小。但毛细管吸附的确可以很快的使氯离子到达混凝土内部的一定深度，从而减小了氯离子通过扩散到达钢筋表面的距离。

4. 混凝土的中性化的定义，中性化的直接后果是什么？

空气、土壤、地下水中存在的酸性物质：CO2,、HCl、SO2、Cl2等与水泥石中的碱性物质发生化学反应的过程，称为混凝土的中性化。中性化的后果是生产不溶或难溶性盐、体积膨胀、生成易溶和吸潮性盐；硫化作用将环境中硫元素化为硫酸。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其pH一般都大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有C 02和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，与混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土的pH降低，当混凝土完全碳化后，就出现pH小于9的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力界面减少、结构耐久性降低等一系列不良后果。

5. 高性能混凝土可采取什么技术路线提高其耐久性？

高性能混凝土的核心是保证耐久性。高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物集料和高效减水剂，减少水泥用量，减少混凝土内部孔隙率，减少体积收缩，提高强度，提高耐久性。

在混凝土方面，（1）掺入高效减水剂。在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。（2）掺入高效活性矿物掺料。普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。(3)消除混凝土自身的结构破坏因素。除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。(4)浇筑大体积混凝土尽量减少前期裂纹。裂缝一旦形成，特别是基础贯穿裂缝出现在重要的结构部位，危害极大，它会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时会可能危害到建筑物的安全使用。因此施工时要考虑如下因素:混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素，混凝土的搅拌主要是使混凝土获得更好的匀质性和流动性，振捣是使混凝土浇筑后达到密实，浇注完毕后，表面要压实、抹平，以防止表面裂缝。另外，浇注混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。尽量避开在太阳辐射较高的时间浇注，若由于工程需要在夏季施工，则尽量避开正午高温时段，浇注尽量安排在夜间进行。

在钢筋方面，(1)在拌制混凝土时加入阻锈剂可提高混凝土的抗蚀能力。(2)采用钢筋表面防护来提高钢筋混凝土耐久性，钢筋的表面防护可分为金属的表面防护和非金属的表面防护。镀锌是常用的金属表面防护措施;此外，环氧树酷涂层钢筋 (ECR)也是很有代表性的有效方法。由于二者的防腐蚀机理不同，哪一种对钢筋防腐蚀效果最佳不能一概而论，应该视具体情况而定。(3)电化学保护法。电化学保护法是使金属极化到免疫区或钝化区而得到保护，可分为阴极保护和阳极保护法。

采用混凝土表面涂援涂料提高钢筋混凝土耐久性。渗透性防护剂对混凝土具有物理隔离和化学隔离的双重防护。它是一种无机渗透性溶胶，能通过毛细管压力作用或与水一起通过毛细压力作用由孔隙及毛细孔向混凝土内部渗透与混凝土中的液相水和游离氢氧化钙发生反应，生成湿润的凝胶堵塞孔隙，有效阻止了水和有害侵蚀性介质的进入，使混凝土中氢氧化钙不流失，从而保护了混凝土。

6. 高效减水剂掺量是否越高越好，为什么？

各种高效减水剂对混凝土的粘度影响不同，同时，由于各高效减水剂的化学组成有区别，它们对水泥水化速度的影响差别很大。另外，高效减水剂的性能受所用水泥的化学组成及物理性质的影响。所以，无法为所有高效减水剂建立一个总的作用效果模型。

通常情况下，高效减水剂不影响混凝土中水泥或火山灰质材料的总水化热。但可能明显改变它们的早期放热速度。高效减水剂对早期水泥水化有两种作用，一是推迟水化开始时间，二是加速硬化后的水化。

高效减水剂不仅显著改善新拌混凝土的工作性，而且还可改善硬化混凝土的强度。在同样的水胶比和水泥用量条件下，使用高效减水剂可使最终强度提高20%以上。

虽然高效减水剂有很多优点，但是其掺量是要严格控制的。当高效减水剂掺量过高时，推迟强度增大以及降低最终强度。因此，为了获得混凝土的最大强度，存在一个最佳的高效减水剂掺量。必须指出，像高效减水剂这类化学添加剂的性能，受水泥及其它胶凝材料的影响很大。所以迄今为止，为了顾及它们之间的相互作用，除通过试验之外没有什么预计的办法。在某一工程成功使用的配合比换到另一工程使用时，如果所用材料不是严格相同，不能保证具有类似的性嫩。新拌混凝土的温度对高效减水剂的性能也有明显影响。对于大型工程，需要系统地试验化学外加剂、矿物掺合料及水泥之间的相容性问题。

7. 简述硅粉在高性能混凝土中的作用。 硅粉在混凝土中的作用机理，包含硅粉的火山灰效应和微填料效应。硅粉在混凝土中与水接触后，部分小颗粒迅速溶解，并与水泥水化产生的Ca(OH)2发生化学反应，生成水化硅酸钙（C—S—H）凝胶，均匀分布于水泥颗粒之中，这就是硅粉的火山灰效应。由于C—S—H凝胶的强度高于水化产物Ca(OH)2的强度，因此，C—S—H凝胶的生成不仅提高了混凝土结构的密度，还有利于提高混凝土结构的强度。且因硅粉微粒极细，所以硅粉的火山灰反应往往在加入水泥或混凝土后的几小时内就发生。大量试验研究表明，在有硅粉存在的情况下，水泥水化早期产物中的Ca(OH)2含量随着龄期的延长变得越来越少，甚至完全反应。

硅粉替代水泥后，极细的球状小颗粒将填充于水泥颗粒空隙之中，改善水泥颗粒级配和粒径分布，使水泥浆体密实；硅粉二次水化产物又堵塞毛细管通道，使大孔和连通孔减少，水泥浆体更加密实。硅粉的这种物理填充和二次水化产物填充作用，称为硅粉的微填料效应。因此，在硅粉的微填料效应和火山灰效应作用下，水泥浆体中早期水化产物Ca(OH)2减少，结晶细化，混凝土内部的小孔增加，孔隙分布的均匀性提高，水泥浆与集料的粘结力增强，硅粉混凝土的物理力学性能和耐久性能均得到改善。