现代混凝土碳化及收缩试验研究.doc

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1、现代混凝土碳化及收缩试验研究鉴定材料河北建设集团有限公司混凝土分公司二0一一年十月现代混凝土碳化及收缩试验研究鉴定技术资料目录编号 资料名称 份数1 鉴定大纲 12 工作报告 1 3 技术报告 1 4 经济社会效益分析 15 主要完成人 1 现代混凝土碳化及收缩试验研究鉴定大纲河北建设集团有限公司混凝土分公司二0一一年十月鉴定大纲“现代混凝土碳化及收缩试验研究”是河北建设集团有限公司混凝土分公司的研究课题，课题组已完成了研究内容，现提交全部鉴定资料。请集团公司专家，对该课题成果进行鉴定。一 鉴定依据国家有关专业技术标准、规范。二 鉴定具备的条件混凝土分公司已完成了该课题的研究，具备鉴定条件。三

2、 鉴定目的针对现代混凝土经常出现碳化深度大、寿命短，混凝土的长期性和耐久性能降低，混凝土公司为探其原因，特对现代混凝土的自收缩和加速碳化进行了系统的研究。四 鉴定内容1 审查提交鉴定的技术资料是否齐全完整，是否符合鉴定的要求；2 项目研究的价值；2 存在的问题及改进意见。五 鉴定程序1 通过鉴定大纲；2 成立鉴定委员会；3 由主任委员主持鉴定评议；4 鉴定结束。现代混凝土碳化及收缩试验研究工 作 报 告河北建设集团有限公司混凝土分公司二0一一年十月现代混凝土碳化及收缩试验研究工 作 报 告本课题为河北建设集团有限公司混凝土分公司指导性课题，研究时间为2011-01-01至2011-10-15，

3、项目负责人为刘永奎副经理，主研人姚志玉、张冬原。一 研究背景一般混凝土建筑物的使用寿命要求在50年以上，很多国家对桥梁、水电站大坝、海底隧道、海上采油平台、核反应堆等重要结构的混凝土耐久性要求在100年以上。气候条件适中的陆上建筑物，要求混凝土在200年内安全使用。我国GB 500102002混凝土结构设计规范规定，混凝土的耐久性设计应按照环境类别和设计使用年限进行，分为50年和100年2个耐久性预期目标，对于重大、重要工程应按照100年寿命来设计混凝土。日本是最早对混凝土耐久性设计和预测进行研究的国家，已有系统的设计纲目和预测参数。根据日本专家调查得出的各类混凝土的实际使用寿命为：一般混凝土

4、制品20年、桥梁工程寿命50年、混凝土坝寿命100年，并以此制定了钢筋混凝土建筑物的设计寿命。系统的耐久性设计纲目基本内容包括：(1)按照建筑物的劣化状态将耐久性设计目标分为100、65、30年3个等级；(2)劣化外力分为一般劣化外力和特殊劣化外力；(3)相应的设计施工标准方法。英国在20世纪80年代修订的混凝土结构规范中增加了大量的耐久性条款，根据暴露环境条件的严酷程度对最小保护层厚度、混凝土强度、抗冻性、最大水灰比、水泥品种、最小水泥用量、最大胶结材料用量(水泥+矿物掺合料)、引气量、集料要求等等都作了具体规定，对按照耐久性要求设计混凝土结构工程起到了很好的指导作用。国内由于许多工程设计只

5、满足荷载要求，而没有提出耐久性的要求，我国在50年代兴建的水电站大坝有很多已经成为“病坝”，使已建成的混凝土构筑物存在耐久性隐患。我国的混凝土工程量在改革开放30多年来突飞猛进，可以预见，耐久性不佳的混凝土工程的劣化问题将会日趋严重。因此，混凝土耐久性问题越来越受到人们的重视。直到20世纪90年代初我国的黄士元、刘崇熙等专家于提出了“按耐久性设计混凝土”的思想，经过10多年的发展，越来越为建筑工程界和材料界所认识。但是总的说来，我国在按耐久性设计混凝土方面还有大量的工作和实际问题需要不断研究和解决。混凝土耐久性涉及到混凝土性能的方方面面，是影响混凝土使用寿命的首要因素。造成混凝土耐久性不佳的原

6、因多种多样，主要可分为：(1)物理破坏：由温度变化引起的收缩膨胀裂缝；(2)化学破坏：由于大气侵蚀引起碳化(CO2)，混凝土内部材料引起的碱骨料反应以及外部侵蚀性离子(Cl-)引起的诸如钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀等；(3)机械破坏：冲击、磨损、流动淡水溶蚀作用、流动气体的磨蚀、冲蚀等(如道路、水利混凝土)。如何有效地预防和抵抗这些破坏因素的破坏力，是解决混凝土耐久性问题的关键。二 立题依据和指导思想混凝土外加剂技术的进步改善了混凝土的施工性能，混凝土掺合料技术的发展促进了混凝土配合比设计水平的提高，混凝土是一门试验科学，无论怎样的变化，最终的配合比及硬化后性能应通过试验验证。优质混凝土的指标包含强度

7、、耐久性和经济性，现代混凝土中掺入大量的掺合料和外加剂，虽然能够满足28d强度要求，但对于混凝土耐久性是否有较大影响尚不明确，混凝土技术发展的一个终极目标是最大限度地延长其使用寿命和维持其可持续发展。近几十年以来，混凝土构筑物因材质劣化造成失效以致破坏崩塌的事故在国内外也是屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。国际上混凝土大量使用始于20世纪30年代，到五六十年代达到高峰。许多发达国家每年用于建筑维修的费用都超过新建的费用。我国的混凝土工程量在改革开放30多年来突飞猛进，可以预见，耐久性不佳的混凝土，工程的劣质化问题将会日趋严重。因此，混凝土耐久性问题越来越受到人们的重视。基于上述原因，我们申请了本研究

8、项目。三 研究内容经过一年的努力，主要是对混凝土自身收缩和加速碳化进行了试验研究，并且有了一定的认识，主要研究成果有：1 现代混凝土加速碳化试验研究C20、C25、C30、C35四个强度等级的混凝土在试验室进行加速碳化试验，绘制混凝土碳化时间和碳化深度的关系曲线，推导其碳化回归方程。依据FICK定律推导自然碳化年限与加速碳化天数之间的关系为1.27倍关系。2 现代混凝土自收缩试验研究测量C20、C25、C30、C35四个强度等级的混凝土1d90d不同龄期的收缩值，理论计算产生的收缩应力，研究其收缩规律。现代混凝土碳化及收缩试验研究技 术 报 告河北建设集团有限公司混凝土分公司二0一一年十月现代

9、混凝土碳化及收缩试验研究技 术 报 告一 研究内容我公司针对现代混凝土的特点即大量利用优质的工业废弃物和矿石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染特点，对2010年生产的各等级混凝土所占年生产量的百分比进行统计，C20、C25、C30、C35混凝土分别占全年生产总量的11%、26%、37%、15%，这四个等级混凝土生产量占总全年生产量的89%，为此我们选择这四个等级的混凝土为代表进行试验研究，主要研究其碳化性能和收缩性能。二 研究成果2.1 原材料与试验方法2.1.1 原材料水泥：石家庄燕赵P.O42.5水泥；粉煤灰：石家庄上安粉煤灰；PCA外加剂：保定慕湖聚羧酸外加剂，掺量2.4%

10、；中砂；5-25mm河卵石。2.1.2 试验方法2.1.2.1 C20、 C25、C30、C35四个强度等级配合比见表1：表1 混凝土配合比kg/m3强度GSCFWAA掺量砂率胶材W/CF掺量C201065808237621717.212.4%43%2990.57 21%C251066771271711728.262.4%42%3420.50 21%C301060736329701759.692.4%41%3990.44 18%C3510547013726717610.682.4%40%4390.40 15%2.1.2.2 试验依据碳化试验混凝土碳化试验按照GB/T50082-2009普通混凝

11、土长期性能和耐久性能试验方法标准中碳化试验的试验进行，测定混凝土拌和物3d、7d、14d、28d的碳化深度，研究其抗碳化性能规律。试件采用棱柱体混凝土试件100mm100mm300mm，每个等级成型1组试块，每组试块3块，碳化试验CO2浓度：为（203）%、温度为（202）、湿度为（705）%。收缩试验混凝土收缩试验按照GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中收缩试验的接触法试验进行试件采用棱柱体混凝土试件100mm100mm515mm；成型后带模养护（12）d，并保证拆模式不损伤试件，拆模后送至温度为（202）、相对湿度为95%以上的标养室养护。试块试验及养护环

12、境各参数记录如下：碳化深度的测定碳化到了3d、7d、14d、28d时，分别取出试件，破型测定碳化深度。棱柱体试件通过在压力试验机上进行劈裂法破型，每次破型厚度为试件宽度的一半，切后用石蜡将破型后的试件断面封好，再放入箱内继续碳化。将切除所得的试件刷去断面残存的粉末，然后喷上（或滴上）浓度为1%的酚酞酒精溶液。约经30s后，使用碳化深度测量仪（或用直尺测碳化深度8mm的试件）测出碳化深度（mm）。收缩试验采用接触法，测定早龄期混凝土的自由收缩变形，成型试块尺寸为100 mm100 mm515mm的棱柱体。每组3个试件。共计C20、 C25、C30、C35四个强度等级。标养室养护3d后取出，移到恒

13、温恒湿室测其初始长度，此后测量1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d（从移入恒温恒湿室内计时）。2.1.2.3 试验测定照片如下：2.2 试验结果与分析2.2.1 混凝土试件碳化结果分析混凝土试件碳化检测结果见表2 表2 混凝土试件碳化检测结果 mm根据上述碳化试验结果，为了更好的分析，绘制成了如图1所示的混凝土碳化时间与碳化深度曲线。图1 混凝土碳化时间与碳化深度曲线2.2.1.1 碳化回归方程整理回归分析曲线，所做碳化数据进行总体平均为：3天4.5mm；7d天6.4mm；14天8.4mm；28天11.3mm，得到回归幂函数曲线为：，R2 =

14、0.9782为更加精确回归方程，整理出C20C35强度等级的碳化时间关系如下：C20回归碳化方程：，R2 = 0.9981C25回归碳化方程：，R2 =0.9638C30回归碳化方程：，R2 = 0.9302C35回归碳化方程：，R2 = 0.9602式中：D碳化深度，mmt碳化时间(天)，d 图1可以明显看出，水胶比小的相应的碳化深度要小，水胶比越大，碳化深度也就越明显。2.2.1.2 推测加速碳化与自然碳化的的关系自然界混凝土的碳化通常是一个复杂且缓慢的过程，假定空气中二氧化碳气体不断的扩散到混凝土内的毛细孔中，与其中的空隙所溶解的氢氧化钙进行中和反应，其浓度呈线性降低，使混凝土碱度降低，

15、致使钢筋钝化保护膜发生破坏，引起钢筋腐蚀，并且忽略部分碳化区内混凝土的碳化影响。根据大量的试验研究和理论分析，混凝土碳化过程基本符合Fick第一定律，即 式1式中：扩散速度（mol/(m2s)）； 在已碳化混凝土孔隙中的有效扩散系数（m2/s）；浓度（mol/m3）；x混凝土碳化深度（m）。经推导可得出混凝土碳化深度的理论模型为： 式2式中：单位体积混凝土吸收能力的系数（mol/m3）； 在已碳化混凝土孔隙中的有效扩散系数（m2/s）；浓度（mol/m3）；混凝土完全碳化深度（m）。t混凝土碳化时间(d)。式2表明，混凝土碳化深度与时间的平方根成正比，与空气中浓度的平方根成正比，即随着大气中浓

16、度的增加，混凝土的碳化速度越快。当加速碳化深度与自然碳化深度一致时，假设加速碳化与自然碳化环境中在已碳化混凝土孔隙中的有效扩散系数，单位体积混凝土吸收能力的系数一致，不考虑其它影响因素，则（）加速碳化=（）自然碳化 式3加速碳化浓度取20%，由于大气中的二氧化碳始终处于“边增长、边消耗” 的动态平衡状态，我们依然按照二氧化碳占空气成分0.03%（体积分数）进行计算。参考CECS220：2007混凝土结构耐久性评定标标准进行估算： 式4式中：浓度影响系数，保定属于中小城市，影响系数取1.2；浓度（%）。即自然环境中浓度为表3 加速碳化推测自然碳化年限即在完全理想的条件下，不考虑混凝土的水灰比、振

17、捣时间、浇筑质量、养护方式等可以推测出上面的3.2.1.1的幂函数关系曲线；按照CECS220：2007混凝土结构耐久性评定标标准和Fick第一定律推导自然碳化年与加速碳化天之间的关系约为1.27倍的关系。综合3.2.1.1和3.2.1.2中所述，若取混凝土保护层厚度h等于碳化深度，由式2可得混凝土碳化到钢筋表面的时间为：式5由式5可以看出碳化到钢筋表面的时间与混凝土保护层厚度的平方成正比，混凝土碳化到钢筋表面就会使钢筋表面的钝化膜遭到破坏，引起钢筋锈蚀等危害，工程实体中混凝土碳化深度大，要综合考虑环境条件、现场情况等多种因素，具体的钢筋混凝土耐久年限还有待进一步研究。2.2.2 收缩试验结果

18、分析混凝土试件收缩率检测结果见表4 表4 混凝土试件收缩率检测结果 根据上述收缩试验结果，为了更好的分析混凝土的自收缩性能，绘制成了如图2所示的混凝土自收缩时间与龄期的关系曲线。 图2 混凝土自收缩时间与龄期的关系曲线 由表4和图2可以看出不同等级的混凝土在3d试验龄期内，均表现为膨胀，并且在14d龄期内总体为膨胀的趋势。分析原因，试件为标准养护，有充足的水分供水泥进行水化反应，由于水分充足，使混凝土膨胀，从而也说明了混凝土早期（14d以内）养护的重要性，尤其是前3d的养护非常重要。随着龄期的增加混凝土均有膨胀逐渐转化为收缩，在60d以后全部为收缩，C25强度等级以上的混凝土在28d龄期以后基

19、本为收缩。收缩率均在以内，通过相关资料显示混凝土自收缩率一般为，总体上强度等级高、水胶比小的收缩值要高于强度等级低、水胶比大的混凝土，90d龄期C30、C35的收缩值为C25的1.25倍、为C20的1.87倍，混凝土收缩一般分为两部分，一是温度收缩即混凝土中多余水分蒸发，体积相应减小而收缩，这部分占整个收缩量的80%90%，二是混凝土的自收缩即水泥水化反应生成水泥石，使混凝土结构更加密实，造成体积减小。混凝土硬化时体积收缩是一种必然现象，在完全自由的状态下，收缩只会引起构件的缩短，而不会产生裂缝，但实际上，由于结构的整体作用，每一构件都受到不同程度的约束，因此，混凝土收缩必在结构、构件中产生应

20、力，甚至导致结构的开裂。根据上述试验结果计算收缩应力： 式6式中：收缩应力收缩率弹性模量不同强度等级混凝土的弹性模量可参考表5进行选取：表5 不同强度等级混凝土弹性模量不同强度等级混凝土的轴心抗拉强度可参考表6：表6 混凝土轴心抗拉强度设计值（ft）计算上述试验中C20、C25、C30、C35四个强度等级的混凝土90d收缩的最大抗拉强度，结果见表7：表7 混凝土90d收缩应力计算强度等级收缩应力计算公式试件90d收缩率混凝土弹性模量90d试件收缩应力Mpa混凝土设计抗拉强度C201532.553.901.10C252272.806.361.27C302943.008.821.43C352863

21、.159.011.57由表7可已看出收缩产生的拉应力是很大的，足以让混凝土开裂，然而在实际工程中，结构构件不可能完全自由，也不能完全约束，而是处于二者之间，产生的收缩应力也比上述计算值要小的多，混凝土裂缝产生的可能性与受到约束强弱成正比，受到约束作用较强的构件，产生裂缝的可能性就大，反之则不易产生。如墙柱等竖向构件，成型时在纵向仅受到模板的约束作用，产生水平方向收缩缝的可能性较小，只是在模板约束较强的转角位置较易产生细而短的水平缝；再入墙板分期浇筑的结构当浇梁板混凝土时，由于墙、柱等都已结硬，梁板受到的约束较强，极易导致梁板产生收缩裂缝。即使是独立的构件，由于受到地面、模板等的约束，以及构件本

22、身在成型硬化时有时间差，不同部位也存在一定的相互约束，在成型过程中也经常产生表面缩缝。约束是相互的，一方对一方有约束，另一方也有反约束，在结构中，墙柱对梁板产生约束，梁板反过来对墙柱也有一定的作用，因此，收缩裂缝有对应性和规律性。很多情况下，收缩裂缝不至于造成明显危害，这是因为收缩裂缝多发生在混凝土表面，且裂缝较细小，经表面装修后，一般不易被察觉，但过大的收缩裂缝无疑是有害的。要避免收缩裂缝是很难的，但在一定程度上可以改善收缩裂缝，防止发生过长过大的收缩裂缝。我们可以从结构设计、施工等诸多方面予以加强，减少裂缝的产生。2.3 有待进一步研究的问题混凝土耐久性问题自20世纪50年代提出，受到世界

23、各国的广泛重视，几十年来各国混凝土行业工作者进行了大量的基础试验研究工作，获得了一定的成果，但是由于研究内容的片面性和理论深入不够以及研究方法存在的局限性和缺陷性，使得大量基础的耐久性研究成果对解决实际混凝土工程耐久性问题的成效不大，也使当前的混凝土耐久性问题呈现越来越严重的趋势。主要表现在：2.3.1 试验多是在试验室加速试验条件下得到的，与混凝土实际使用环境相差甚远，而且忽略了常常在建筑物中出现的多因素共同作用的研究；2.3.2 材料因素研究得多，结构因素研究得少，缺乏定量研究，更缺少区分不同体系、不同结构的材料在耐久性能上差别的对比；2.3.3 试验还不够全面，还需要从多方面进一步研究混

24、凝土的耐久性。现代混凝土碳化及收缩试验研究经济社会效益分析河北建设集团有限公司混凝土分公司二0一一年十月现代混凝土碳化及收缩试验研究经济社会效益分析报告一 社会效益通过对现代混凝土耐久性的研究，可以采取相应的措施，最大限度的提高混凝土的耐久性，从而可以减少修补费用和过早拆除而产生的建筑垃圾。大量利用工业废气物和矿石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染，具有明显的社会效益。二 经济效益耐久性对混凝土结构来说非常重要。美国学者曾用“五倍定律”形象的说明了耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性，即设计阶段对钢筋保护方面节省1美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5

25、美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。为此我们如果提高了混凝土的耐久性设计，将会在今后几十年内节省下大量的维修费用，给国家带来巨大的经济效益。现代混凝土碳化及收缩试验研究主要完成人主要完成人及分工序号姓名性别技术职称单位分工1刘永奎男工程师河北建设集团砼分公司负责人2姚志玉男工程师河北建设集团砼分公司主研人3张冬原男高工河北建设集团砼分公司主研人4刘丁宇男试验员河北建设集团砼分公司数据处理5丁丽芳女助工河北建设集团砼分公司试验研究6姚雪涛男助工河北建设集团砼分公司试验研究7刘 斌男试验员河北建设集团砼分公司试验研究8孙志彬男试验员河北建设集团砼分公司试验研究9张 鹏男试验员河北建设集团砼分公司试验研究10文 明男试验员河北建设集团砼分公司试验研究11杨彩虹女助工河北建设集团砼分公司试验研究12王 娟女助工河北建设集团砼分公司试验研究13张 萌男试验员河北建设集团砼分公司试验研究