高耐久性（共5篇）
高耐久性 篇1
1 前言
目前国内长江中下游或海底修建大型跨海隧道的项目越越多, 同时城市轨道交通项目也步入一个井喷时期。盾构隧道工程项目投资巨大, 管片费用占整个盾构隧道工程造价的40%~50%, 管片是盾构隧道的结构骨架和防水主体, 也是最重要和最关键的衬砌结构构件, 管片不仅要具备较高的强度和高抗渗性能, 还要求具有良好的防火性能和耐久性。
国内多数管片采用单层设计技术, 管片的防水、抗渗、抗蚀、抗裂一般采用管片外侧涂防水层、采用单掺或双掺高活性矿粉料同时添加纤维, 防火多采用防火涂料和防火板。由于设计理论缺乏研究系统性, 致使国内管片技术指标上与国际先进水平差距较大, 国内抗渗等级最高的南京市纬三路过江隧道管片抗渗等级才达到P12, 氯离子扩散系数为15×10-3m2/s, 而丹麦斯多贝尔特大隧道抗渗等级达到了P20, 氯离子扩散系数为6×10-3m2/s。
针对过江隧道工程管片工作环境为高压富水环境, 管片按多层设计原理, 利用两种或两种以上不同性质的材料组分, 采用二次浇筑和二次喷涂工艺等梯度复合技术, 使管片混凝土组分达到连续梯度变化, 内部组合分间复合界面消失, 缓和材料内部的热应力, 得到性能呈连续平稳变化的新型非均值复合材料。同时预制出具有高防水、高抗渗、高抗蚀、高抗裂、高耐火性能隧道管片。
2 复合技术的原理
2.1 掺合料设计理论依据
采用“次第水化”理论研究不同废渣矿物对水泥水化过程和水化产物结构的影响。不同矿物掺于火山灰反应的顺序不同, 对结构形成和水化进程的影响存在差异, 按照不同矿物火山灰反应特点设计复合水泥的组分, 能够利用各自的固有优势互补, 产生超叠合效应, 可有效调节水泥的水化过程, 形成较为优化的水泥石结构, 从而降少收缩变形。
采用界面优化理论, 对管片混凝土掺入复合材料, 延长裂纹的扩展路径, 掺和料可与CH反应, 增加C-S-H, 降少CH含量, 并且干扰水化结晶, 使得水化结晶颗粒尺寸变小, 富集程度和取向程度下降。从而提高混凝土的抗裂性能。
采用孔结构优化理论, 对管片混凝土掺入复合材料, 能有效地填充水泥颗粒、胶凝产物之间的空隙, 使水泥石结构和界面过渡区结构更加致密, 从而降低了混凝土的孔隙率, 并使孔径减少, 提高了孔的曲折度以及改善了空隙特征, 有效地延长了毛细孔通道, 特别是对混凝土中粗孔的孔隙率降低作用明显, 阻断了可能形成渗透通道从而提高水泥基材料的渗透性能。
2.2 多层管片设计原理
目前管片生产都是一次浇筑成型, 整个管片属于单层结构, 特别是管片表层保护层混凝土在生产过程中普遍存在细骨料较多、水灰比高、水分散失快, 造成水泥水化作用停止, 并产生粗空隙结构、表面疏松。水、氧气、二氧化碳、硫酸盐等自表面侵入管片表层混凝土, 造成混凝土质量下降, 承载力降低, 优质的表层可以保护结构免遭外界物理化学因素的侵蚀破坏。
在沿着水压力、土压力的垂直方向, 管片设计结构层依次为高抗渗保护层、结构层、防火抗爆层。南京纬三路过江隧道工程所用管片总厚度为600mm, 其中外保护层材料厚度为50mm, 内防火抗爆层厚度为50mm, 结构层厚度为500mm。这样实现了管片结构的多功能一体化, 大大增加了材料的利用率, 实现了同一管片性能的梯度变化。
为有效保证不同功能材料层的 (保护层与结构层) 的界面黏结性能, 将材料界面层设计为嵌入式网格型界面, 这样大大增加了界面接触面积, 使得多层材料的层状突变界面为性能缓冲的过渡的界面, 使不同材料相互渗透, 相互咬合、搭接, 界面黏结强度、抗剪强度等均能得到大幅度提升。
3 研究的内容及技术路线
3.1 研究的内容
本文研究的主要内容包括以下几个方面:
⑴以次第水化理论为指导, 以水泥基材料体积稳定性为原则, 以界面优化机理、孔结构优化机理为基本理论原则, 引入纳米尺度材料, 使胶凝材料各组分依水化次序按比例配置, 研制出具有高体积稳定性、高抗渗、高致密材料的水泥基复合掺合材料。
⑵以改善混凝土的浆-骨料界面过渡区的性能为主要设计理念, 研究重点放在对混凝土微结构中的性能优化, 制备出保护层专用材料, 该材料能进一步将混凝土粗骨料密实填充, 弱化或消除混凝土侵蚀的快速通道, 使混凝土细观结构缺陷得到改善和消除, 提高混凝土微观结构的密实度。
3.2 研究的技术路线
图3是本文实施的技术路线。
4 复合技术管片的预制及性能检测
4.1 保护层混凝土掺合料
盾构隧道管片属于地下隐蔽工程, 处于不可维修或维修困难的位置, 管片混凝土保护层与地下水直接接触, 并且相对内部混凝土来说, 保护层混凝土水胶比大、强度底、空隙率大, 导致保护层为最先劣化的区域。制备出保护层专用材料, 该材料能进一步将混凝土粗骨料密实填充, 弱化或消除混凝土侵蚀的快速通道, 使混凝土细观结构缺陷得到改善和消除, 提高混凝土微观结构的密实度。
4.1.1 掺合料配合比
以改善混凝土的浆-骨料界面过渡区的性能为主要设计理念, 多次适配后的配合比见表1。
单位:kg/m3
说明:
⑴水料比:17±0.5%;
⑵初始砂浆扩展度≥260mm, 30min扩展度≥240mm;
⑶1d强度≥25MPa, 3d强度≥55MPa;
⑷养护方式:新浇砂浆表层覆盖, 避免暴露于大风、阳光直射环境中;
⑸成型模块300mm×150mm×15mm, 经过7天暴露于空气未见裂纹。
4.1.2 掺合料使用方法
先在工厂内对多组分原材料进行预拌加工, 将所有固态成分进行混合预拌, 使材料均匀, 避免超细粉末及聚丙烯纤维出现团聚现象, 检验合格后用产品包装袋的形式运至现场, 在现场按使用说明书的要求加水搅拌均匀即可使用。现场搅拌工序如图6所示。
4.2 结构层混凝土
盾构管片设计要求混凝土为高性能混凝土, 耐久性好, 结构使用年限为100年, 因此在考虑混凝土配合比设计时, 优先采用了优质粉煤灰和磨细矿渣的双掺技术, 以降低水化热, 改善硬化混凝土的性能;在满足设计要求的条件下, 尽量采用低水泥用量和低水胶比;在满足施工性能的条件下, 尽量采用低坍落度。
混凝土配合比主要技术指标如下:
⑴设计强度等级为C60、抗渗等级P12, 坍落度控制在30~70mm;
⑵胶凝材料用量控制在400~500kg/m3, 水胶比不大于0.35;
⑶试配强度≥69.9MPa;
⑷混凝土氯离子含量不大于胶凝材料总量的0.06%, 不得使用含有氯化物的防冻剂及其他外加剂;
⑸碱含量不大于2.5kg/m3, 混凝土氯离子扩散系数≤1.2×10-12m2/s。
4.2.1 结构层配合比
对结构层材料, 采用高性能混凝土配置技术, 配置C60P12高性能混凝土。采用原材料包括为:
水泥:芜湖白马山海螺PⅡ52.5级低碱硅酸盐水泥。
砂:江西赣江中砂, 细度模数为2.8, 表观密度2.609g/cm3。
碎石:安徽庐江, 由 (5~10) mm和 (10~25) mm的两级配碎石合成 (5~25) mm连续级配的碎石, 合成比例为4:6, 针片状含量为4.2%, 压碎值为5.4%, 表观密度2.713g/cm3。
粉煤灰:南京华能, Ⅰ级粉煤灰。
矿粉:马鞍山中天, S95级。
高性能减水剂:南京友西科技公司, 推荐掺量0.76%, 液体聚羧酸系减水剂。
(kg/m3)
4.2.2 结构层施工方法
管片结构层的施工严格按照预先制定的生产工艺流程进行, 混凝土布料顺序先两端后中间, 分层浇筑振捣密实, 浇筑混凝土刚好把外层钢筋覆盖时即可。钢模收平整后, 用界面处理盖板将混凝土面压槽成型, 增加了界面接触面积, 使得多层材料的层状突变界面为性能缓冲的过渡的界面, 使不同材料相互渗透, 相互咬合、搭接, 界面黏结强度、抗剪强度等均能得到大幅度提升。
管片结构层的施工工艺流程如图9所示:
4.3 管片性能检测
对采用复合技术生产的高耐久性盾构管片养护28天后, 对其表面形貌及力学性能、抗渗性能进行了检测。
采用裂缝测宽仪对外表面进行了裂缝观测, 最大裂缝为0.05m, 根据我国混凝土结构设计规范 (GB50010-2002) 规定的裂缝宽度限值, 小于0.2mm在工程应用中是可以接受的。
采用超声回弹法和回弹法综合对复合工艺生产的管片进行了抗压强度检测。检测结果显示, 内弧面 (结构层混凝土) 的强度达到了75MPa, 外弧面 (保护层掺和料砼) 强度超过65MPa, 强度满足设计要求。
为检测管片的抗渗性能, 将管片吊在管片检漏试验台, 以0.2MPa为初始水压值, 每隔15min增加0.2MPa, 直到管片侧面渗水高度超过50mm, 实测管片抗渗等级达到P14。
5 结论
采用复合技术设计预制出来的集高抗渗、高耐久性、高防火多功能为一体的管片, 具有良好的抗裂性及抗渗性, 且力学性能优良, 完全能满足隧道施工需要。个人认为该复合技术必定成为未来地下隧道主体结构构件的预制趋势, 将会应用到更多重大工程中。
摘要：目前国内管片设计原理为单层设计, 生产工艺都是一次性浇筑成型, 整个管片的外弧面保护层混凝土在生产过程中普遍存在以下问题:表面细骨料多、水灰比高、水分散失快造成的表面疏松等, 造成混凝土管片的防水、抗渗、抗裂等能力普遍存在问题。利用两种或两种以上不同性质的材料组分, 采用二次浇筑和二次喷涂工艺等先进的复合技术, 使其组分达到连续梯度变化, 而使内部组合分间复合界面消失, 缓和材料内部的热应力, 得到性能呈连续平稳变化的新型非均值复合材料, 同时兼有高防水、高抗渗、高抗蚀、高抗裂、高耐火性能的一种高耐久性盾构管片。
关键词：盾构管片,复合技术,掺合料,多层设计,高耐久性
参考文献
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[5]田倩.低水胶比大掺量矿物掺和料水泥基材料的收缩及机理研究[D].南京大学.
高耐久性 篇2
高整体容器 (HIC) 是一种具有高强度、密封性好、化学稳定性和耐久性好的特殊容器, 可用于装载未经固化或固定处理的放射性废物, 其包容放射性物质的预期寿命不低于300年。HIC按材料类型可分为:交联聚乙烯HIC、球墨铸铁HIC以及混凝土HIC[1,2]。其中混凝土HIC主要适用于核电厂运行过程中产生的低、中水平的放射性固体废物处置。目前许多国家和地区都有对混凝土HIC的相关研究, 如法国、中国台湾、日本等, 但由于混凝土HIC的研究属于核工业领域, 相对敏感, 故可查的相关文献资料极少。
密封材料作为混凝土HIC的一部分, 在混凝土HIC中起连接容器和密封盖的作用, 故要求其具有良好的力学性能 (尤其粘结性能) 和耐候性能。而普通的水泥基复合材料 (如普通混凝土或水泥砂浆) 是非均质、多相无机脆性材料, 而且这种多孔材料在外界侵蚀性介质 (如二氧化碳、水、氯离子、硫酸盐等) 和贮存材料放射性侵蚀作用下, 会加速破坏, 使用寿命大大缩短。本文主要采用聚合物环氧乳液对水泥基材料进行改性制备混凝土HIC用密封材料, 并对其耐久性 (抗冻性能、抗硫酸盐侵蚀性能、碳化性能、耐辐照性能及渗透性能) 进行系统研究, 其中混凝土HIC用密封材料的力学性能已另撰文发表[3]。根据我国正在编制的《低、中水平放射性废物高整体容器———混凝土容器》标准, 要求养护28 d混凝土HIC用密封材料的耐久性应满足的指标如表1。
1 实验
1.1 原材料
(1) 水泥:基准水泥, 细度 (0.08 mm筛筛余) 1.9%, 安定性合格, 其化学成分见表2、物理性能见表3。
%
(2) 石英砂:细砂, 50目筛筛余7%。
(3) 环氧乳液:聚合物环氧乳液, 自制, 固含量60%±1%, p H值7~8, 钙离子稳定性和机械稳定性均合格。
1.2 实验方法
(1) 聚合物砂浆制备
在试验室搅拌砂浆时采用机械搅拌, 搅拌机符合JG/T3033—1996《试验用砂浆搅拌机》的规定, 掺有掺合料和外加剂的砂浆, 其搅拌时间不少于5 min。
(2) 抗冻性能测试
按照DL/D 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》规定的快冻法进行。试块尺寸40 mm×40 mm×160 mm。
(3) 抗硫酸盐侵蚀测试
按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》进行测试。试块尺寸100 mm×100 mm×100mm。
(4) 碳化性能测试
按照DL/D 5126—2001规定的试验方法进行。试块尺寸100 mm×100 mm×100 mm。
(5) 耐辐照性能测试
混凝土HIC用密封材料通过钴-60γ射线辐照, 测定其经剂量率为1.2×103~1.4×103Gy/h、累积计量不小于1.0×106Gy的γ射线辐照后的性能保持能力。样品室环境温度 (20±1) ℃、环境湿度约30%、常压、空气换气次数24次/h。试块尺寸100mm×100 mm×100 mm。
(6) 渗水性能测试
按GB/T 50082—2009规定的试验方法进行。抗渗仪设备应保证24 h加压期间的水压力恒定在2.0 MPa。
(7) 氮气渗透性能测试
密封材料砂浆搅拌方法同上, 成型模具为Φ150 mm×200mm的专用模具。试样养护按照GB/T 50082—2009规定的方法养护28 d。将试件切割成Φ150 mm×50 mm圆饼, 分别编号为M1~M4;试件称量后放入60℃烘箱25 d, 然后称量, 再将试件置于相对湿度60%、温度20℃的室内22 d。按照改进的CEMBUREAU法进行气体渗透性测试, 施加围压0.7 MPa。分析整理数据时, 计算不同压力条件下试件表观渗透系数KA, 并利用式 (1) 回归出本征渗透系数KV:
2 实验结果
2.1 混凝土HIC用密封材料的抗冻性能
抗冻融循环性能是评价密封材料耐久性的一项重要指标, 考核指标将其设定为F400。对密封材料胶砂比为1∶1, 减水剂掺量为0.5%, 膨胀剂掺量为5%, 聚灰比分别为2%、6%、8%的试样进行抗冻性测试, 结果如表4、表5所示。
由表4可以看出, 当聚灰比分别为2%、6%、8%时, 质量损失率分别为-0.54%、0.11%、-0.26%, 均符合标准规定的质量损失率≤2%的指标要求。
由表5可以看出, 当聚灰比为2%时, 冻融处理后的试块与自然养护的试块相比, 抗压强度损失率为-1.00%, 抗折强度损失率为-21.24%;当聚灰比为6%、8%时, 冻融处理的试块与自然养护试块相比, 抗压强度损失率分别为13.42%、12.48%, 抗折强度损失率分别为8.91%、6.87%。3种不同聚灰比时试块经F400冻融循环后强度指标均能符合标准规定强度损失率≤20%的要求。
由表5还可以看出, 冻融循环处理后密封材料的动弹性模量分别为40.93、46.50、36.45 GPa, 均符合标准规定指标要求 (≥32 GPa) 。
综上所述, 密封材料试块经F400冻融循环后, 质量损失率、强度损失率、动弹性模量变化圴能满足混凝土高整体容器用密封材料标准规定其抗冻性能的要求。且聚灰比为6%时, 密封材料动弹性模量值相对较高。
2.2 混凝土HIC用密封材料抗硫酸盐侵蚀性能
硫酸盐侵蚀是密封材料化学稳定性的一项很重要的性能指标, 主要针对地下水及自然雨水中硫酸盐类介质的侵蚀。对密封材料胶砂比为1∶1, 减水剂掺量为0.5%, 膨胀剂掺量为5%, 聚灰比分别为2%、6%、8%的试块进行抗硫酸盐侵蚀实验, 结果如表6、表7所示。
由表6可知, 聚灰比为2%、6%、8%的密封材料试块在硫酸盐侵蚀实验后的质量损失率分别为1.66%、-5.70%、-0.95%, 均符合标准规定指标要求 (≤2%) 。
由表7可知, 聚灰比为2%、6%、8%的密封材料在硫酸盐侵蚀实验后的强度损失率分别为13.90%、12.00%、13.30%, 均符合标准规定指标要求 (≤20%) 。
分析以上不同聚灰比时密封材料在硫酸盐侵蚀实验后质量损失和强度损失数据可知, 聚灰比为6%的密封材料抗硫酸盐侵蚀性能相对稳定, 其质量损失及强度损失均最小。
2.3 混凝土HIC用密封材料的碳化性能
将上述配方中聚灰比为6%的密封材料进行碳化实验, 结果如图1所示。
图1显示, 聚灰比为6%的密封材料碳化深度为0, 完全符合标准规定指标要求 (碳化深度d<0.1 mm) 。
2.4 混凝土HIC用密封材料的耐辐照性能
由于密封材料中加入了适量的有机聚合物, 同时掺加了少量的外加剂, 这对于耐γ辐照性能是一个巨大的挑战, 将上述配方中聚灰比为6%的密封材料进行耐辐照实验, 结果见图2。
由图2可知, 密封材料经过累积剂量1.01×106Gy的钴-60γ射线辐照后, 从外观观察未发现有裂缝、组织剥落及结构解体现象出现, 并无明显颜色变化等现象。
密封材料经过剂量1.01×106Gy的钴-60γ射线辐照后, 对其进行抗压强度测试, 同配方 (聚灰比为6%) 、同龄期下, 未辐照试块的抗压强度为100 MPa, 辐照后试块的抗压强度为98.83 MPa, 即辐照后试块的强度略有降低, 强度损失率为1.2%, 符合标准规定 (≤20%) 。
综合以上外观变化和强度损失的测试结果, 耐辐照性能完全符合标准规定要求。
对聚灰比为6%辐照前后的密封材料试块进行扫描电镜微观结构分析, 如图3所示。
由图3可以看出, 辐照前后的试块水化产物结构较为清晰, 且形貌无明显差异, 结构较为致密。这主要是由于聚合物环氧乳液与水泥砂浆形成的致密的网络结构对钴-60γ射线有很好的耐辐照性能, 尤其是水泥基材料的水化产物在钴-60γ射线辐照 (剂量1.01×106Gy) 下保持原有的结构无变化。部分有机组成 (如环氧聚合物) 会有少量分解可能是造成试块抗压强度稍有下降的原因所在。
2.5 混凝土HIC用密封材料的渗透性能
(1) 渗水性能
将上述配方中聚灰比为6%的密封材料成型并养护28d, 进行渗水性能测试。在保持一定压力的条件下利用水渗入密封材料的深度来分析密封材料的密实程度, 并以渗水高度为评价指标。经测试2.0 MPa压力下混凝土的渗水高度为1.0 mm, 因此, 密封材料渗水性能符合《低、中水平放射性废物高整体容器——混凝土容器》标准要求 (1.6 MPa, 渗水高度h≤10 mm) 。
(2) 氮气渗透性能
同样将上述配方中聚灰比为6%的密封材料成型并养护28 d后进行氮气渗透性能测试。具体实验结果如下:
①试件质量变化
进入烘箱的4块试件, 烘干前后质量变化如表8所示。
②透气性测试结果
M1、M2、M4试件的本征渗透系数回归曲线如图4, M3试件由于测试结果与其它试件差距较大而单独列出如图5。
整理后各试件的本征渗透系数KV如表9所示。
对表9数据进行分析, 对明显偏差数据 (不在同一数量级的M3、M4) 进行取舍, 保留试样M1、M2的渗透系数值并取平均值为0.34×10-18m2/s, 均符合标准要求 (≤5.0×10-18m2/s) 。故密封材料胶砂比为1∶1, 聚灰比为6%, 粉状聚羧酸减水剂掺量为0.5%, 膨胀剂掺量为0.5%的配比制成的试块符合透气性标准要求。
3 机理分析
由上述实验结果可以看出, 混凝土HIC用密封材料有较好的耐久性, 其关键因素是在混凝土HIC用密封材料中加入了膨胀剂、减水剂及聚合物环氧乳液。这3种材料在混凝土HIC用密封材料基体中的作用分别表现为:
(1) 混凝土HIC用密封材料浆体中, 适量的膨胀剂 (CSA型) 能够促进水泥水化产物钙矾石晶体AFt的生长, 而钙矾石晶体AFt填充了胶凝材料的微孔洞和缝隙, 形成了相互交错的网络结构, 减少了连通孔隙的数量及微裂纹的产生, 有利于提高混凝土HIC用密封材料的密实度。
(2) 一般情况下, 水泥与水接触后即形成大量大体积絮凝结构, 包裹了大量的自由水, 使基体内存在大量气孔, 结构不够密实。而在混凝土HIC用密封材料中加入聚羧酸减水剂后, 水泥与水接触形成大量小体积的絮凝结构, 并释放出更多的自由水, 使硬化水泥浆体的小孔数量增多, 大孔数量减少, 密实度提高。
(3) 混凝土HIC用密封材料浆体中的环氧乳液, 会随着水泥水化的进行而逐渐脱水干燥, 最后形成有机无机互穿网络结构, 在浆体中起到了加强集料与浆体之间过渡区的粘结作用, 使水泥水化物与聚合物很好地交织缠绕在一起, 聚合物能跨越裂纹并防止裂缝扩展;同时部分聚合物填充在砂浆内的孔隙中, 不仅减小了孔隙尺寸, 同时也切断了孔隙与外界的通道, 使空隙大多呈互不连通的状态存在, 从而起到桥接、粘结、填充空隙、加强界面结合及防止裂缝扩展的作用。
以上3种材料的加入不仅提高了混凝土HIC用密封材料浆体的致密性, 同时提高了其内部晶体间的作用力, 有利于提高混凝土HIC用密封材料的耐久性 (抗冻性性能、抗硫酸盐侵蚀性能、碳化性能、耐辐照性能及渗透性能) 。
4 结论
(1) 聚灰比为2%、6%、8%时, 混凝土HIC用密封材料的抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能均符合《低、中水平放射性废物高整体容器——混凝土容器》标准要求, 且在聚灰比为6%时, 其抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能较为稳定。
(2) 聚灰比为6%的混凝土HIC用密封材料的碳化性能、耐辐照性能及渗透性能均符合《低、中水平放射性废物高整体容器———混凝土容器》标准要求。辐照对密封材料外观及水化产物结构均无明显影响。
(3) 混凝土HIC用密封材料的渗水性 (2.0 MPa, h=1.0 mm, ) 及氮气渗透性 (KV=0.34×10-18m2/s) 极低, 且均符合《低、中水平放射性废物高整体容器-混凝土容器》标准要求 (渗水:1.6 MPa, h≤10 mm、氮气渗透性:KV≤5.0×10-18m2/s) 要求。
(4) 混凝土HIC用密封材料浆体中适量的聚羧酸减水剂的加入, 能够降低浆体自由水含量, 减小孔隙尺寸;膨胀剂的加入促进了水泥水化产物钙矾石晶体Aft的生长, 填充了胶凝材料的微孔洞和缝隙;同时环氧乳液固化后形成有机、无机互穿网络结构, 填充了胶凝材料的空隙和裂纹, 故混凝土HIC用密封材料中加入以上3种外加剂能够减小孔隙尺寸、减少连通孔隙的数量及微裂纹的产生, 提高密封材料的密实度, 从而提高密封材料的抗渗水性及抗氮气渗透性。
摘要：对混凝土高整体容器 (HIC) 用密封材料的耐久性进行研究, 探讨了环氧乳液掺量对混凝土HIC用密封材料抗冻性能、抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律。研究结果表明, 聚灰比为6%时, 混凝土HIC用密封材料的抗冻性能、抗硫酸盐侵蚀性能最佳, 且按此配合比配制的密封材料其碳化性能、耐辐照性能及渗透性能也均符合《低、中水平放射性废物高整体容器——混凝土容器》标准要求。并对其机理进行分析。
关键词：混凝土高整体容器,密封材料,聚灰比,抗冻性能,抗硫酸盐侵蚀性能,碳化性能,耐辐照性能,渗透性能
参考文献
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海工高耐久自密实混凝土的研制 篇3
1 试验
1.1 原材料
建福P·O42.5级水泥,各项性能指标合格,实测28 d抗压强度为53.6 MPa;漳州江东河砂,细度模数2.7,中砂;5～25mm连续级配碎石,针片状含量5%,压碎指标值11.3%;磨细矿粉,S95级;厦门嵩屿电厂的Ⅰ级粉煤灰;冠疆(台湾)TGC-YS30聚羧酸系减水剂,推荐掺量0.5%～1.5%。
1.2 试验方法
混凝土拌合物的流动性分别采用L型流动度试验方法和坍落度试验方法进行测试。
混凝土力学性能按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。
混凝土抗渗性和徐变收缩按GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试;抗氯离子渗透性能按非稳态氯离子迁移试验方法(RCM法)进行测试。
2 配合比设计
根据自密实混凝土的自密实机理和配合比设计理论,考虑工程特点与海洋环境条件,在对国内外同类技术分析比较的基础上,提出的配合比设计目标:除了满足自密实混凝土所要求的大流动性,易于泵送施工且不需振捣可自密实,拌合物可在长时间保持良好的工作性,以及达到中等强度等级要求外,特别要求硬化混凝土具有优良的耐久性能和抗变形能力。为便于推广应用,采用常用、易得的原材料和常规工艺配制自密实混凝土。
笔者认为,配制高耐久自密实混凝土的关键技术在于:(1)通过胶凝材料组分的优化设计,实现对水化产物相的调控,提高混凝土本体的抗渗能力和固氯、固硫效应;(2)通过颗粒级配最优组合技术和界面调控技术,使水泥石的亚、微观结构和水泥石-骨料界面结构致密化,从而控制有害介质的传输,切断腐蚀通道。相关研究证实,采用优质活性矿物掺合料和高效减水剂配制的多元组分混凝土可有效提高混凝土的密实性,从而显著提高混凝土的抗蚀性[3]。由多元组分构成的混凝土可看作是具有优良级配的颗粒堆积体系。石子空隙由砂子填充,砂子空隙由水泥颗粒填充,水泥颗粒之间和界面的空隙则由超细矿物掺合料微粒填充。通过整体颗粒级配的优化设计,实现包括粗细骨料和胶凝材料的所有颗粒之间的最密实堆积,从而更有利于体系形成低孔隙的硬化体,纯粹从提高颗粒的填充性方面提高混凝土的抗蚀性。
有鉴于此,在对自密实混凝土的材料组成、颗粒级配和配合比进行多轮优化设计与试验研究的基础上,决定按照七元组分设计混凝土配合比。具体按临界饱和掺量外掺聚羧酸系减水剂,以等量内掺方式按一定比例复掺磨细矿粉和Ⅰ级粉煤灰,配合限制骨料含量、采用低水胶比等多项技术措施,保证设计目标的实现。考虑到C40以下的自密实混凝土应用较多,经过大量优化试验,设计了C30和C40自密实混凝土的配合比(见表1)。
3 性能测试及结果分析
3.1 自密实混凝土拌和物的性能分析(见表2、表3)
由表2和表3可见,2组自密实混凝土拌合物的坍落度均达到大流动性要求,且不离析、不泌水、间隙通过性强,能自流平,而且坍落度的经时损失小,具有优良的工作性,完全满足免振自密实混凝土施工要求。新拌浆体中的水有2部分:一部分是填充水,填充在颗粒间的孔隙中,对拌合物的流动性没有贡献;另一部分是表面层水,在颗粒表面形成水膜层,浆体的流动性取决于水膜层的厚度[4]。在自密实混凝土中掺入磨细矿粉和优质粉煤灰,它们较小的颗粒粒径与水泥粒径在微观上形成级配体系,将原来填充在孔隙中的填充水置换出来成为自由水;另一方面,掺入保坍性突出的聚羧酸系高性能减水剂可以减少表面层水的数量。二者相结合,不仅使混凝土拌合物即使在低水胶比下也能获得大的流动性,同时使坍落度的经时损失亦很小。众所周知,混凝土的流动性与粘聚性和保水性是相互矛盾的,要使自密实混凝土同时具有大流动度又不发生泌水离析的关键在于其胶凝材料浆体是否具有适当的塑性黏度,它能减少骨料间的接触应力,削弱骨料的固体特性,抑制骨料起拱堆集,从而有效抑制泌水离析[5]。磨细矿粉和粉煤灰等超细掺合料不仅具有填充密实效应,其细小颗粒和超大的比表面积产生出较大的内表面力,阻止骨料的沉降和水分的泌出,因此能够有效防止组成材料的离析。
3.2 自密实混凝土的力学性能分析
按表1设计的配合比成型相应试件,力学性能测试结果见表4。
由表4可以看出,2组自密实混凝土试件的力学性能均达到相应普通混凝土的力学指标水平,且2组未经振捣试件的28 d抗压强度分别为振捣试件抗压强度的98.2%与98.4%,表明自密实混凝土的力学性能良好。ZHU Wenzhuong和BARTOS[6]的研究表明,自密实混凝土中骨料与基体界面过渡区的宽度约为30～40μm,与普通混凝土基本相同。同时发现,自密实混凝土中骨料上方界面过渡区与骨料下方界面过渡区的弹性模量几乎相当,而普通混凝土中骨料上、下方界面过渡区的弹性模量则差别明显。总之,自密实混凝土具有更为密实、均一的微观结构。这一结构特点对于自密实混凝土的耐久性显然具有重要意义。
3.3 自密实混凝土的耐久性测试及结果分析
沿海地区的气候与环境条件要求自密实混凝土应该同时具备良好的体积稳定性和耐久性,特别是优良的抗渗性与抗氯离子渗透性。由于混凝土的变形包括非荷载因素和荷载因素引起的体积变形,考虑跨海桥梁结构的受力状况和环境条件,本文选择测试混凝土的受压徐变指标作为体积稳定性的考察指标,测试自密实混凝土的抗渗性和抗氯离子渗透性作为耐久性考察指标。
3.3.1 抗渗性分析
混凝土的耐久性能与抗渗性密切相关,它是混凝土耐久性的第一道防线,反映了混凝土内部的致密程度与孔结构特征。抗渗性好,说明混凝土的总孔隙率低、最可几孔径小、开口连通的孔隙少,侵蚀介质难以渗入,抗蚀性高。按表1配合比每组制作6个抗渗试件,标准养护至28 d后按标准试验步骤进行抗渗试验。从0.1 MPa开始加压,持续加压到4.0 MPa,2组试件都未发现渗水现象。试件劈裂后,渗水高度最大的只有5 mm,表明2组自密实混凝土的抗渗性能优良,抗渗等级大于P40。
3.3.2 抗氯离子渗透性分析
海洋工程对混凝土的抗氯离子渗透性能要求很高,要推广使用自密实混凝土,该项指标必须达标。按表1配合比制作标准试件,按照RCM法测得C40、C30自密实混凝土28 d的氯离子扩散系数分别为1.66×10-12 m2/s、1.78×10-12 m2/s,均小于2×10-12 m2/s,抗氯离子渗透性符合NT build 492标准中“非常好”的等级,满足高耐久设计目标要求。
相关研究表明,在合适的掺量范围内,单掺硅灰、I级粉煤灰、矿渣粉均明显改善了混凝土的抗氯离子渗透性,而不同掺合料的复掺效果要更加优于单掺效果[3]。自密实混凝土具备高耐久的重要原因正是由于2种超细矿物掺合料的火山灰效应和复合超叠加填充密实效应,优化了水化产物的组成,改善了混凝土内部的微观结构,使混凝土结构致密、孔隙细化。
3.4 自密实混凝土的徐变收缩研究
按表1中C40配合比制作棱柱体受压徐变试件,同时制作相应的收缩试件,标准养护28 d后移入徐变室进行测试。测试结果见表5。
从表5可以看出,除1 d外,自密实混凝土的早期和后期徐变值均小于普通混凝土,特别是90 d的收缩值和徐变值分别比普通混凝土要小31%和27%。结果表明,按照表1配制的C40自密实混凝土具有良好的体积稳定性。其原因在于超细矿粉和粉煤灰的有效复掺,使水泥石结构密实,水泥石与骨料之间的界面结构得到改善,从而降低了混凝土内部的早期干燥与收缩程度[7]。与此同时,聚羧酸系减水剂对于自密实混凝土的减缩也有较大作用。因为聚羧酸系减水剂可以明显地降低孔隙溶液的表面张力,其含碱量低,有利于降低孔隙内部的自干燥程度,以及相同干燥程度下所引起的收缩应力,从而减少了混凝土包括徐变在内的各种收缩变形。
4 结语
(1)按照七元组分设计混凝土配合比,采取限制骨料含量、低水胶比、复掺磨细矿粉与Ⅰ级粉煤灰以及外掺聚羧酸系高性能减水剂等技术措施,能够配制出适合海洋环境条件、中等强度等级的高耐久自密实混凝土。
(2)复掺磨细矿粉和优质粉煤灰等矿物掺合料以及外掺聚羧酸系高性能减水剂,是使自密实混凝土同时获得优良工作性能、高耐久性和良好体积稳定性的重要技术手段。
(3)高耐久自密实混凝土以其优良的工作性能、耐久性能和体积稳定性,有效地解决了跨海桥梁复杂结构施工振捣困难与抗氯离子渗透的难题,具有广阔的应用前景。
摘要：针对跨海桥梁工程特点与环境条件,采取七元组分设计混凝土配合比,通过限制骨料含量、采用低水胶比、复掺磨细矿粉与Ⅰ级粉煤灰以及外掺聚羧酸系高性能减水剂等技术措施,配制出适合海洋环境条件、中等强度等级、具有良好体积稳定性的高耐久自密实混凝土。
关键词：自密实混凝土,耐久性,徐变,跨海桥梁
参考文献
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[3]胡红梅,马保国.矿物功能材料对混凝土氯离子渗透性的影响[J].武汉理工大学学报,2004,26(3):19-22.
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[5]鲁文斌.复掺粉煤灰和硅灰在自密实混凝土中的应用[J].混凝土,2009(8):82-84.
[6]ZHU Wenzhong,BARTOS P J M.Microstructure and properties of interfacial transition zone in SCC[C]//YU Zhiwu,SHI Caijun,KHAYAT K He,t al.Proceedings of 1st international symposiu-mon design,performance and use of self-consolidating concrete.Paris:RILEM Publication SARL,2005:319-327.
高耐久性 篇4
1 问题的提出
随着我国基础设施建设步伐的加快,每年都有大批国家重点工程相继开工,如最近几年在江苏省境内的南京地下铁道工程、南京长江第三公路大桥、江苏润扬大桥、江苏田湾核电站、苏通长江公路大桥等国家重点工程。在这些重大工程中,混凝土的耐久性问题得到广泛关注。改善混凝土耐久性能,延长混凝土构筑物使用寿命,研制并应用耐久混凝土,不仅能够大大提高项目的投资效益,而且功在当代,利在千秋,具有深远的经济效益和社会效益。
根据很多学者专家多年的实践、探索和总结,耐久性已经成为混凝土技术中一个最重要的课题。半个世纪以来,混凝土构筑物因材质劣化而造成破坏、产生失效以致塌崩的事故时有发生,尤其在大坝、道路、桥梁、港口等重大工程以及高层建筑物等未达设计年限就发生破坏的事故很多,世界上许多国家包括发达的资本主义国家,每年都要拨出巨资对重大工程进行修补甚至重建。根据美国土木工程学会2001年的调查[1],美国国家级桥梁29%以上老化,估计20年内每年要投入106亿美元进行桥梁治理,美国全国的水坝处于不良状态(D级),2100个水坝不安全,近两年有61个水坝破坏,美国土木工程师学会估计,美国在未来5年内需投人13000亿美元进行桥梁治理,以适应21世纪的发展;英国英格兰岛中部环形快车道上11座混凝土高架桥,当初建造费2800万英镑,到1989年因为维修而耗资4500万英镑,是造价的1.6倍,估计以后15年内还要耗资1.2亿英镑累计接近当初造价的6倍[2];澳大利亚1978年房屋结构维修费用为5000万美元,1995年高达8亿美元,其中还不包括桥梁、排污管道等建筑物的维修费用[3];而日本目前每年仅用于房屋结构维修费用即达400亿日元以上,日本引以自豪的新干线使用不到10年,就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象[4]。
我国工程的耐久性问题也十分突出,一项调查表明[5],南方地区使用7～25年的钢筋混凝土港工设施中,有89%发生了钢筋锈蚀破坏;1986年国家统计局和建设部对全国城乡28个省、市、自治区的323个城市及5000个镇进行普查,结果表明我国现有城镇房屋建筑面积约50亿m2,占全部房屋建筑面积的60%,其中约23亿m2需分期分批进行鉴定加固,近10亿m2急需维修加固后才能正常使用[6];1989年建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行调查,结果发现建国初期的建筑物均已达到必须大修的状态,现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求,一般使用25～30年就需大修加固[7]。
综上所述,混凝土结构由于混凝土耐久性问题导致结构的损伤失效所造成的损失是相当巨大的,该问题已引起了科学界和工程界的广泛关注和重视,迄今已对冻融、碳化、碱-骨料反应、腐蚀、剥落等耐久性问题进行了深入的研究,但是混凝土是一种多组份、非均质的多孔材料,其使用环境和要求也各不相同。因此,要实现混凝土的高耐久,必须从实际需要出发,设计使用合适的原材料,提出不同强度等级、不同工程要求的高耐久混凝土的配制技术,已成为当务之急。
2 国内外研究现状及存在问题
随着对混凝土耐久性认识和研究的不断深入,如何提高混凝土的耐久性能,已成为近年来混凝土技术发展的首要课题,其中高性能混凝土被认为是今后混凝土技术发展的方向[8]。高性能混凝土是1990年5月美国国家标准与技术研究院(NIST)和美国混凝土协会(ACI)共同主办的一次研讨会上正式提出的[9]。高性能混凝土的含义主要是高强度、高耐久、大流动性,它不仅要强度高,而且还具有高弹模、高密实度、低渗透性、高体积稳定性、高耐久性和大流动性,其中高耐久则是高性能的核心。高性能混凝土的概念提出后,就引起世界各国材料科学与工程界的密切关注和高度重视,并称之为跨世纪的新材料[10]。
实际上,高性能混凝土的研究,是于1986年在挪威首先开始的,此后日本、美国、加拿大、法国、德国相继致力于研究与开发。在这些国家中制备的高性能混凝土主要采用硅灰+高效减水剂,其抗压强度通常达70～80MPa,美国还制备了130MPa的高性能混凝土并已应用于高层建筑,美国的P.Mendis还介绍了抗压强度达150MPa的高性能混凝土。但目前对于高性能混凝土的确切含义仍有不同的理解。从强度来说,大多数认为不宜低于50～60MPa,而日本则更加重视工作性和耐久性,如新建的明石跨海悬索桥,缆索锚固混凝土需52万m3,要求高耐久性、大流动性、高体积稳定性及低水化热,而强度指标只有42MPa(28d)和50MPa(90d),其桥墩混凝土约50万m3,要求高耐久、高抗冲刷与低温升,而强度仅有20MP,但在报道中也称为高性能混凝土。
近年来国内对高性能混凝土的研究也有了一些新的进展,在建筑、道桥、水利、国防各个领域逐渐认识到发展高性能混凝土的意义,国内大城市京、沪、津、沈、深圳等地对采用高性能混凝土已逐步接受并形成共识,不少大工程重视了混凝土材料的耐久性和使用寿命。国内尽管做了一些工作,但从研究与应用水平来看,与国际先进水平相比,仍然存在较大差距。
纵观现状,对于高性能混凝土的研究与发展方向,国内外学者均给予了高度重视,但许多重大科学技术问题仍未得到彻底解决,尤其是是涉及到材料制备技术,目前尚缺乏新的思路,更没有进入到材料结构形成过程中微观机理分析及在多因家作用下材料的耐久性和损失劣化研究。某些问题因缺少理论指导而处于知其然而尚不知其所以然的状态,当前迫切要解决的问题有:
(1)作为高性能混凝土目前国内外研究得很多,受“高性能混凝土”概念的影响或对其理解上存在的差异,几乎都采用高强的技术途径,而往往忽视了量大面广的中、低强度等级混凝土的高耐久。
(2)目前,对混凝土耐久性的研究依然是逐个因素孤立的进行,而实际工程结构是在应力或非应力与不同化学腐蚀疲劳条件共同作用下运行的,单一因素作用下的耐久性难以真实的反映客观实际。
(3)混凝土配合比设计-般是以强度为主要设计指标,再根据鲍罗米公式计算所需水灰比,然后选择相应的单位用水量及砂率,根据重量法或体积法来确定相应的配合比,对混凝土的耐久性设计的影响考虑得不够充分,传统的混凝土配合比已经不能适用于高耐久混凝土的配制。
(4)对于矿物掺合料的应用依然停留在利用工业废渣的认识水平上,还没真正挖掘出矿物掺合料对混凝土耐久性的贡献,另外,有些学者夸大了掺合料的作用,没有正视矿物掺合料应用不利的一面和存在的问题。
(5)关于高性能混凝土配制及其性能方面的研究,很多都只停留在试验和理论分析,并没有与工程实际很好的相结合,因而研究所得出的结果往往脱离实际。
3 结语
我国正处于基础建设高度发展时期,国家计划实施“南水北调”、“西电东送”等重大工程,这些工程的建设将遇到一系列传统技术难以解决的复杂科学技术问题,为使这些工程具有更长的使用寿命,急需进行配制高耐久混凝土技术的研究。具体设想如下:
(1)研究原材料及配合比对混凝土性能,特别是是耐久性能的影响,揭示掺合料对混凝土耐久性的贡献以及外加剂对实现混凝土特殊功能和性能的贡献;
(2)对配制高耐久混凝土的原材料提出新的要求,根据工程所处环境,确定混凝土耐久性指标,配制高耐久混凝土;
(3)根据工程所处环境和实际情况,进行高耐久混凝土的应用技术研究。
摘要：从工程实践出发,混凝土结构由于混凝土耐久性问题导致结构的损伤失效造成了巨大的损失,指出应加强配制高耐久混凝土技术的研究,然后简单介绍了在高耐久混凝土方面国内外的研究现状及存在的问题,最后根据存在的不足提出下一步研究的设想。
关键词：混凝土,高耐久,配制技术
参考文献
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高耐久性 篇5
培训内容: ( 1) 高耐久涂料概述; ( 2) 聚硅氧烷涂料的制备及应用; ( 3) 重防腐蚀用室温固化氟碳涂料的配方设计; ( 4) 氟碳涂料在彩涂板涂装中的应用; ( 5) 氟碳树脂在其他领域的应用; ( 6) 喷涂PVDF氟碳涂料的发展; ( 7 ) 聚氨酯涂料的制备与应用; ( 8) 户外高耐久防腐蚀涂料的应用涂装;( 9) 高耐久涂料相关标准。
培训费: 2 600 元/人,凡在2014 年5 月12 日前汇款报名的代表,节省100 元/人。
培训安排: 2014 年5 月26 日报到; 2014 年5 月27 ~ 29 日培训、考试结业; 2014 年5 月30 日参观考察。
会务联系: 《涂料工业》行业会议·专业培训,全国涂料工业信息中心会议部
季建霞:0519-83299375 83299526(报名热线)
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