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5.1一般规定…………………………………………………
5.2高性能混凝土配合比设计…………………………………
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5.3抗碳化耐久性设计………………………………………
5.4抗冻害耐久性设计………………………………………
58
5.5抗硫酸盐腐蚀耐久性设计…………………………………
59
5.6抑制碱骨料反应耐久性设计………………………………
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5.7降低水化热与较大体积混凝土温升的配合比设计…………
8施工………………………………………………………
62
1总则
1.0.1、1.0.2这两条主要对制定本规程的目的、适应范围以及与相应国家准和行业标准的关系作了规定。
高性能混凝土(HPC)应用技术规程的适用范围与普通混凝土(NC)和高强混凝土(HSC)基本相同,高性能混凝土的制备和施工方法很多方面也与上述两种混凝土相同。
所以,使用本规程时应注意与相关标准的衔接。
1.0.3当遇与现行标准要求不符的情况,应在试验试配取得可靠数据的基础上,在采取可靠措施并能确保混凝土质量的条件下,研究协商解决。
2术语
2.0.1高性能混凝土(HPC)应保证混凝土结构所要求的各项力学性能,且具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性。
要满足高性能混凝土的这些性能要求,关键是按照耐久性的要求设计混凝土。
应根据混凝土结构所处的环境条件,考虑其外部和内部劣化因素和结构要求的使用年限,进行耐久性设计,保证结构在使用期限内的性能要求。
在高性能混凝土的组成材料中,必须含有矿物微细粉和高效减水剂。
为了获得高耐久性的混凝土,在组成材料方面,高性能混凝土常含有一种或同时含有多种细度超细的辅助胶凝材料,而普通混凝土中仅含一般的混合材或者掺合料,其细度也是较粗的。
其次,高性能混凝土粗骨料的最大粒径一般不大于20mm,因为较小骨料颗粒的强度比大颗粒强度高,可消除了岩石破碎时控制强度的最大裂隙,用以改善骨料与水泥的界面结构提高界面强度。
辅助胶凝材料与高效、高性能减水剂双掺是高性能混凝土组成材料的最大特点。
双掺能够最好的实现辅助胶凝材料的微集料填充效应、二次水化效应以及界面结构优化效应,提高了强度和耐久性,同时使高性能混凝土具有更好的流动性。
2.0.2混凝土结构在所处工作环境下,长期抵抗外部劣化因素及内部劣化因素作用的能力。
所处环境的外部劣化因素,如中性化(或碳化)、盐害、冻害以腐蚀等。
此外,还有由于胶凝材料含有一定数量的碱和碱活性骨料,所造成的碱骨料反应的内部劣化因素作用,引起的劣化损伤与失效。
混凝土的耐久性是混凝土结构在工作环境下,抵抗其中一种或多种外部劣化因素的作用,在结构设计使用的期限或维修管理期限内,不致损伤破坏,以至失效。
混凝土结构的耐久性,由混凝土的耐久性和钢筋的耐久性两部分组成。
本规程所述的是有关混凝土耐久性方面。
2.0.4使混凝土结构性能降低的外部环境作用有:
大气中的CO2、S03、NO2等因素使混凝土产生中性化;
盐湖地区的氯化物侵入混凝土使钢筋锈蚀;
寒冷地区使混凝土受冻融作用;
盐碱地的侵蚀性盐类使混凝土腐蚀等。
2.0.5混凝土配制时,由各种材料带入了有害氯离子,当达到一定数量时会使钢筋锈蚀;
混入的碱活性骨料,会引起碱骨料反应;
过高的水灰比,过大的单方混凝土用水量,混凝土的保护层厚度不够,以及混凝土浇筑的缺陷等,均会构成混凝土的劣化内因。
2.0.6辅助胶凝材料是平均粒径不大于22µ
m的矿物粉体,如粉煤灰、矿渣、硅粉以及天然沸石粉等。
它们在高性能混凝土中起到微集料填充、二次水化以及界面结构优化的作用,可增大混凝土流动性能、提高强度和耐久性,是高性能混凝土不可缺少的组分。
3基本规定
3.0.1本条规定了高性能混凝土必须保证混凝土配合比设计所要求的强度等级,保证结构在所处环境条件下的耐久性,使结构在设计使用期内有足够的承载安全性和满足正常使用功能。
结构的使用期限是根据耐久性设计确定的,要保证混凝土结构物和混凝土在使用期限内有足够的设计性能。
高性能混凝土能够提供结构设计所需要的强度等级和抵抗环境劣化作用的耐久性,这两方面是混凝土结构耐久性设计的基础。
同时,体积稳定性问题也要得到足够的重视,无论是力学性能还是耐久性能都要求混凝土作为一个整体承受各种劣化因素的破坏,而体积不稳定必将造成各种形式的裂缝,这就为劣化因素的集中和发展提供了有力的条件,由此可见混凝土的体积稳定性问题不容忽视。
4原材料
4.2骨料
4.2.1配制高性能混凝土时对原材料的要求与普通混凝土的要求差别不大。
凡符合普通混凝土有关标准要求的原材料,基本上都能用来配制高性能混凝土,不过高性能混凝土对原材料的要求更严格。
例如,粗骨料的粒径不宜大于20mm,并宜采用10~20mm和5~10mm两级配的粗骨料,颗粒级配应符合最大密实度曲线。
4.3辅助胶凝材料
4.3.1本节对辅助胶凝材料的品种、质量要求、检测方法和适宜掺量作出了规定。
高性能混凝土的原材料中必须有辅助胶凝材料,这是一种改善混凝土微观结构、界面结构,提高性能的重要成分。
但是,辅助胶凝材料掺量的多少需要经过系统的课题进行详细的论证。
对于粉煤灰,在国内现行标准如《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJ146中规定,在钢筋混凝土中掺量不大于30%;
目前正在制订的《矿物掺合料应用技术规程》中建议,当水胶比大于0.40时,在硅酸盐水泥混凝土中掺量不大于40%,在普通硅酸盐水泥混凝土中掺量不大于30%,与本规程规定的掺量有冲突,这是因为本规范是在《绿色混凝土技术开发应用研究》数据的支持下提出的全新理念,辅助胶凝的大掺量是在低水胶比(0.40以下)和高效、高性能减水剂配合使用下共同实现的。
4.3.3辅助胶凝材料在高性能混凝土中具有填充、微集(骨)料和较强的火山灰效应,可改善混凝土水泥石、水泥与骨料界面两个微结构,是提高混凝土密实度、匀质性、耐久性、强度、适用性等不可缺少的组成材料之一。
4.3.4辅助胶凝材料的品质是高性能混凝土科学合理地利用这些超细矿物掺合料的重要前提条件。
4.3.5由上述矿渣粉、粉煤灰、硅灰等掺合料按适当组合比例,经加工而成的复合型辅助胶凝材料,优势互补,改性混凝土效果更佳。
4.3.6辅助胶凝材料的适宜掺量应依据实际工程项目要求,在进行全面混凝土配合比设计试验研究的基础上确定。
4.4矿物外加剂
4.4.1本节对混凝土矿物外加剂的品种、质量要求、具体技术指标作出了规定。
高性能混凝土在遇到抗硫酸盐侵蚀问题时可掺入高耐久性混凝土矿物外加剂来予以解决,这是一种在结构所需要的各项力学性能的前提下,同时具有较高的抗侵蚀能力、高工作性和高体积稳定性的特种外加剂。
高耐久性混凝土矿物外加剂因化学改性使其具有特定的化学成分,这些成分可率先与混凝土中侵蚀内因:
CAH与Ca(OH)2进行反应,形成稳定的化合物。
从而减少侵蚀物质与这些侵蚀内因反应而生成的侵蚀产物。
相应的提高了高性能混凝土的抗侵蚀能力。
4.4.2高性能混凝土在配制时,掺入膨胀剂,需在有筋和临位因素的约束下进行。
同时,抗裂防水剂在使用时,厂家提供的推荐掺量只予以参考,实际使用掺量需根据现实测的限制膨胀率来确定。
4.5化学外加剂
4.5.1高性能混凝士必须掺加高效高性能减水剂,这是实现采用低水胶比,减少用水量、降低混凝土胶凝材料总量又能较多掺加辅助胶凝材料而改善和提高混凝土密实度的有效配制技术措施。
4.5.2化学外加剂主要是指高效、高性能减水剂。
要求其减水率高,控制坍落度损失功能好,对混凝土耐久性无有害成分。
5配合比设计
高性能混凝土的配合比设计应满足:
施工要求的工作性、结构要求的力学性能和混凝土结构在所处环境条件下要求的耐久性。
高性能混凝土属高耐久性混凝土。
参照日本有关规定,本规范中高耐久性混凝土单方用水量小于150kg/m3;
胶凝材料用量应不大于750kg/m3之间。
高性能混凝土施工时要求的工作性包括:
坍落度、坍落度流动值,坍落度损失以及流动快慢(反映结构粘度)。
调节并保证高性能混凝土的工作性,除了正确选择水泥品种和水泥用量以外,辅助胶凝材料的品种和数量对工作性能影响也很大,性能优良的辅助胶凝材料能增大高性能混凝土的流动性和降低拌合物的粘性。
高性能混凝土中掺入氨基磺酸系高效减水剂或聚羧酸高性能减水剂能有效降低混凝土单方用水量,增大混凝土坍落度,并能控制混凝土坍落度损失;
而萘系高效减水剂在减水率、控制坍落度损失及耐久性方面,均较前述两大类减水剂差一些。
配制高性能混凝土宜优于选用氨基磺酸系或聚羧酸系高效减水剂。
5.1一般规定
5.1.2混凝土结构的外部劣化因素有一般的和特殊的两种。
温度、湿度、太阳辐射热和混凝土中性化等为一般的外部劣化因素,是混凝土结构耐久性设计中必须考虑的。
盐害、冻害、化学腐蚀(如硫酸盐腐蚀)等为特殊的外部劣化因素,应按混凝土结构所处环境条件考虑。
5.2高性能混凝土配合比设计
5.2.1本条规定,混凝土配合比的试配强度按公式
cu,o≥
cu,k+1.645σ计算。
即试配强度
cu,o不小于强度标准值加1.645σ(σ为HPC的强度标准差)。
我国混凝土强度的配合比设计,均按现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55执行。
对强度标准值(
cu,k)保证率是95%。
由于近年来对结构耐久性的要求越来越高,往往由于耐久性方面的要求,使混凝土抗压强度超过结构因素所需的值。
例如吉勒布拉克水利枢纽工程的发电洞,按结构要求混凝土的强度设计值为25MPa,由于要应对硫酸盐的侵蚀问题,必须降低水胶比使得混凝土的平均抗压强度提高到51MPa。
因此,对于重要结构除了按强度设计要求考虑混凝土的抗压强度外,还需要考虑耐久性要求,保证所需要的强度。
5.3抗碳化耐久性设计
5.3.1混凝土碳化是混凝土中性化的一个方面。
实际上引起混凝土碱性降低的因素包括:
氢氧化钙与CO2反应:
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
氢氧化钙与SO3反应:
Ca(OH)2+SO3→CaSO4+H2O
氢氧化钙与NO2反应:
2Ca(OH)2+4NO2→Ca(NO3)2+Ca(NO2)2+2H2O
混凝土中性化后,就失去了对钢筋的碱性保护。
在氧气和水分作用下,钢筋就开始腐蚀。
当混凝土的PH值低于10时,钢筋要发生腐蚀,所产生的铁锈使体积膨胀2.5倍,从混凝土开裂,耐久性下降。
公式引自日本建筑学会“RecommendationsforDesignandConstructionPracticeofHignDurableConcrete”(1991)
5.4抗冻害耐久性设计
5.4.1新疆地处西北属严寒气候。
根据国内专家对近50年的温度气象条件统计分析,西北地区年平均冻融循环118次,冻融循环易导致混凝土破坏。
因此,冻融循环是本地区室外混凝土结构的主要病害之一。
对应用而暴露在大气自然环境下的结构混凝土进行抗冻耐久性设计是必不可少的。
5.4.2混凝土在外部劣化因素作用下会产生冻害,其耐久性设计是根据混凝土结构所处环境条件,按每年冻融次数、最低温度和对混凝土作用的水分而确定的。
冻害,是外部水分渗入硬化混凝土的空隙中,受冻时体积膨胀,迫使未受冻结的孔溶液从结冰区向外迁移。
孔溶液在可渗透的水泥浆体结构中移动,必须克服粘滞阻力,因而产生静水压力。
当静水压力超过混凝土的抗拉强度时就会损伤混凝土、开裂、以至破坏。
这种冻害的发生和进行,主要与以下劣化因素有关:
(l)冻结时的最低温度和反复冻融次数;
(2)受冻融作用时混凝土的含水程度。
混凝土含水程度越高,受冻害越大;
相反,对某种干燥状态的混凝土,即使在受冻温度作用下,也不会发生冻害。
与冻害有关的设计劣化因素是每年的冻融次数。
这与最低温度和渗透到混凝土中水分的环境条件有关,必须考虑到混凝土结构所处地区、布局、构件所处位置等。
本条中把冻害外部劣化因素划分为三种:
中度饱水、高度饱水、盐或化学侵蚀下冻融,由于新疆全境均在严寒环境下,故不考虑温度的影响。
不同的外部条件、不同的设计使用年限对混凝土抗冻性的要求也不同。
5.4.3对水中冻融及盐水中冻融,混凝土均可用冻融循环次数及耐久性系数来评价其抗冻性耐久性系数与混凝土的水灰比、含气量及气泡间隔系数有关。
水胶比<0.30的高性能混凝土可以不掺引气剂。
水胶比≥0.30的混凝土,应掺入引气剂,使混凝土中含气量达4%~5%。
而且在盐水中冻融比水中冻融的含气量要求高一个等级,也即含气量要达到5%~6%才能实现300次快速冻融循环。
关于气泡间隔系数<0.25mm,在宏观上是难以确认的;
如果引气剂质量好。
在适当引气范围内,混凝土中的气泡间隔系数会在要求的范围内。
5.5抗硫酸盐腐蚀耐久性设计
5.5.1新疆是典型的干旱区,自然环境中的土体和地下水富含硫酸盐。
硫酸盐对硅酸盐水泥熟料中硅酸三钙(C3S)、铝酸三钙(C3A)两种矿物成分水化产物氢氧化钙(Ca(OH)2)、水化铝酸钙(C3AH6)会产生侵蚀;
而我国水泥主要生产和混凝土中普通使用的又都是以硅酸盐水泥熟料为主的通用硅酸盐水泥。
因此,新疆地区土体和地下水中的硫酸盐对混凝土的侵蚀破坏是另一大危害。
尤其是地下工程、高层建筑基础工程的混凝土结构。
5.5.2胶凝材料中的矿物组成应符合C3A含量小于3%、C3S含量小于50%、C3A含量与C4AF含量之和不能大于22%的要求;
可参照表5.5.2选择水胶比。
5.5.3抗硫酸盐水泥的抗侵蚀性高于普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥,但其抗硫酸盐侵蚀能力大小有局限性,因为这类水泥仍属硅酸类水泥,不能完全有效解决硫酸盐浓度较高地区的侵蚀问题。
混凝土发生侵蚀破坏是因为外界的硫酸盐侵蚀介质通过孔隙进入混凝土内部,与混凝土内部的侵蚀内因发生反应造成的。
因此,区别于传统单纯降低侵蚀内因的方法,采用降低侵蚀内因同时,提高密实度、杜绝渗透途径的方法来解决侵蚀问题效果更佳。
因此本规范建议使用普通硅酸盐水泥辅以高耐久性混凝土矿物外加剂的方法来解决这一问题。
5.5.4高性能混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能,取决于水胶比、辅助胶凝材料掺量以及水泥的品种。
抗硫酸盐腐蚀的设计劣化因素,应根据混凝土结构和大气、土壤、水中含有酸性介质的浓度确定。
许多国家在制定混凝土抗腐蚀标准时,都以SO42-的含量作为判定混凝土将遭受硫酸盐腐蚀的程度。
我国《混凝土结构耐久性设计》GB/T50476规定见表1,当水中含SO42-量达200~500mg/L时,混凝土进入受腐蚀范围、当土中含SO42-量达300~750mg/Kg时,混凝土进入受腐蚀范围。
表1干旱高寒地区硫酸盐作用等级
作用因素
环境作用等级
水中硫酸根离子浓度SO42-(mg/L)
土中硫酸根离子浓度SO42-(mg/Kg)
V-C(中度侵蚀)
200~500
300~750
V-D(严重侵蚀)
500~2000
750~3000
V-E(非常严重侵蚀)
2000~5000
3000~7500
V-F(极端严重侵蚀)
>5000
>7500
硫酸盐对混凝土的腐蚀,主要是由于SO42-聚集到一定浓度后与水泥水化时生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)、水化铝酸钙(C3AH6)产生反应,生成水化硫铝酸钙(钙矾石)。
因其体积增大造成混凝土开裂,使混凝土结构的耐久性劣化。
混凝土的抗硫酸盐腐蚀取决于其中水泥的C3A含量、混凝土的水灰比和辅助胶凝材料的品种、质量和数量,且与介质中SO42-的浓度有关。
检验混凝土抗硫酸盐腐蚀性首先是检验所使用水泥(或胶凝材料)的抗硫酸盐性能。
本规程选用K法,如果浸泡在侵蚀溶液中一年的9个试件的平均抗折值,与同龄期淡水中9个试件的平均抗折值的比值大于1.0,则认为该种水泥(或胶凝材料)的抗硫酸盐性能合格。
然后,用这种水泥(或胶凝材料)配制混凝土,并根据混凝土结构所处环境条件,控制混凝土的最大水胶比,因为混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能除与胶凝材料有关外,还与水胶比有关。
5.6抗硫酸盐腐蚀耐久性设计
5.6.1混凝土发生碱骨料反应的必要条件是存在碱活性骨料、混凝土中碱含量超出安全范围(3.0kg/m3)、有水分,三个条件缺一不可。
根据新疆大量工程,对骨料的快速法检测,天然砂石料或多或少的含有潜在的碱-硅酸反应的活性骨料;
另外,新疆各地生产的水泥大多属高碱水泥(R2O>0.6%)。
5.7降低水化热与较大体积混凝土温升的配合比设计
5.7.1体积较大时混凝土桥墩、柱、梁、墙体和基材混凝土由胶凝材料水化热引起的温升、以防冷却过程继而连续引发的温度应力往往导致结构开裂,对混凝土结构耐久性造成严重危害。
混凝土防范开裂的主要技术措施是降低胶凝材料的水化热。
8施工
8.1在这方面与普通混凝土相类似,但高性能混凝土有其不同的特点,如混凝土拌合物水灰比小,结构粘度大,坍落度损失快,早期自收缩大等。
8.2高性能混凝土施工中要注意使其具有高流动性,坍落度不小于20cm,且1.0~1.5h内基本上无坍落度损失;
要注意早期养护,防止在塑性阶段就发生自收缩开裂。
高性能混凝土的湿养护时间要比普通混凝土长。
8.3混凝土的运送时间是指从混凝土由搅拌机卸入运输车开始至运输车开始卸料为止。
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