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高性能混凝土现状及发展趋势
发布时间:2022年06月14日

既有研究概述

高性能混凝土耐久性、流动性和体积稳定性是保证混凝土高性能的重要因素。

(1)表面防护技术

混凝土外防护技术根据作用机理的不同,可分为涂层技术、孔阻塞技术、孔壁憎水技术与孔结构优化技术。表面防护材料包括有机和无机材料,在有机防护材料中,聚脲弹性体涂料是继高固体分涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料等传统涂料之后,为适应环境保护需求而研发的一种无溶剂、无污的较为先进的涂料。这种高厚膜弹性涂料,不仅能实现一次喷涂厚涂层,且能快速固化,物理力学性能及耐化学腐蚀性能优异。与有机涂料相比,无机防护材料具有原料来源广泛、成本与能耗低、便于运输储存、耐老化性能好、绿色环保、抗高温性能好、透气性好等优点。目前,表面防护技术主要存在老化、湿基面黏结差等瓶颈问题,未来有望通过纳米改性有机涂层体系得以解决。

(2)高密实性混凝土

在混凝土结构致密化方面,传统方式主要采用强度等级 C40 以上的混凝土,同时在混凝土配合比设计中引入了粉煤灰等矿物掺合料,从而实现混凝土结构致密化。另外,在耐腐蚀胶凝材料方面,主要采用抗硫酸盐水泥,通过降低硅酸盐水泥中 C 3 A 与 Ca(OH) 2 的含量,有效降低混凝土材料中侵蚀性介质所造成的腐蚀性反应风险,从而改善混凝土密实度。

最新研究发现,纳米材料可显著改善混凝土致密性和抗侵蚀。在孔隙填充作用的基础上,各纳米材料的自身特性也有助于优化抗渗与抗侵蚀性能;将纳米材料与其他掺合料及外加剂进行合理的复配可进一步提升耐久性。

(3)高流动性混凝土

高流动性混凝土概念最早于 1986 年由日本Okamura 教授提出,1995 年后世界各国逐步开展相关研究。经过 20 多年的发展,针对高流动性混凝土开发了高效减水剂(如氨基磺酸系减水剂等),可大幅降低混凝土材料流变方程中的屈服剪切应力,实现高流动性。此外,通过一系列试验优化了高流动性混凝土的矿物掺合料类型(粉煤灰、矿渣粉等),并优化了骨料粒径与砂率。高流动性混凝土已在港珠澳大桥沉管隧道的最终接头中应用,成功解决了接头主体结构中混凝土振捣困难的问题。

(4)混凝土收缩抑制技术

海洋桥梁中使用的高强与超高性能混凝土材料的高胶材用量以及低水胶比导致其收缩变形大,水化温升高,导致了体积稳定性差,开裂风险高。收缩抑制技术主要集中在两个方面:一方面为降低混凝土温降收缩;另一方面为减小干燥收缩和塑性收缩。在降低混凝土温降措施方面可选用低、中热水泥或大掺量粉煤灰等矿物掺合料配制混凝土;掺加具有减水、缓凝、引气、膨胀作用的外加剂;选用级配良好的粗细集料等措施。在减小干燥收缩和塑性收缩方面,主要采取膨胀剂、养护剂等方法来补偿混凝土收缩,减少混凝土微裂纹,优化混凝土孔结构,降低孔隙率,改善水泥石与骨料过度层的界面结构和性能 [6]。在混凝土收缩抑制技术中应重点突破分阶段全过程调控混凝土水化放热历程,以及添加膨胀剂抑制收缩技术。

2. 发展趋势

(1)海工混凝土微结构优化技术

基于混凝土微结构与渗透性之间的关系,围绕适用于海洋环境耐腐蚀高性能混凝土的关键耐久性设计指标及微结构设计参数,应用基于微结构的混凝土配合比设计方法使用高性能混凝土减水剂,并辅以适宜的功能性混凝土外加剂,实现抗介质渗透能力与耐腐蚀性能显著高于普通混凝土的低介质腐蚀混凝土制备技术。

(2)基于高耐候、低介质渗透与长寿命化的外防护技术

针对海洋环境中大气区混凝土结构具有高紫外线辐射的特点,采用无机防护材料技术在低收缩、高抗裂的大体(面)积混凝土表层实现孔阻塞技术;针对浪溅区干湿交替与海浪冲刷的难题,采用具有优异耐磨与防腐特性的喷涂聚脲弹性体技术实现混凝土表面涂层技术的封闭与防护效应。此外,针对暴露于浪溅区与潮汐区的钢筋混凝土梁与柱,可考虑采用 FRP 包裹技术或钢管复合桩技术,利用 FRP耐蚀特性或钢管保护层作用有效延缓混凝土结构中钢筋锈蚀与混凝土破坏;针对水下区混凝土结构发生腐蚀破坏的低概率特点,采用渗透性模板布技术优化耐腐蚀高性能混凝土表层孔结构,提升混凝土结构的耐久性。

(3)有机阻锈技术

针对海洋独特的侵蚀环境,在海工高性能混凝土的基础上使用迁移型阻锈剂,提升钢筋表面的临界氯离子浓度,并综合考量筋材耐蚀性、力学性能、施工工艺性能和经济性等多方面因素。自修复阻锈剂作为新兴的钢筋阻锈技术,在应用方面具有显著的优势。

(4)超高性能混凝土

超高性能混凝土(UHPC)以超高的强度、韧性和耐久性为特征,成为实现水泥基材料性能跨越式发展的新体系。从工业固体废弃物或低品位资源中高效获取富含化学活性物质的纳米粒子,作为“生态纳米材料”,制备超高强度、超高韧性、超高耐久的生态纳米超高性能混凝土,满足大跨径桥梁、薄壁结构、抗爆结构和深水海洋平台等重大或特种工程的迫切需求,创新轻型混凝土梁板体系,促进高强钢筋规模化应用和固体废弃物的高效利用,具有重大的理论和现实意义 [7]



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