2. 混凝土的技術研究及其在重大工程中的應用-中國土木工程學會

混凝土的技術研究及在重大工程中的應用混凝土的技術研究及在重大工程中的應用繆昌文江蘇省建筑科學江蘇省建筑科學研究院高性能土木工程材料國家重點實驗室22混凝土技術研究及其在重大工程中的應用國家重大需求建筑工程核電工程2020年達到20國家重大需求建筑工程核電工程2020年達到20個田灣核電站裝機容量大型橋梁年達到24個三機量十三五期間估計突破12萬公里2020年高鐵營業(yè)里程達到3萬公里海洋工程高速鐵路4水電工程水電工程西西氣東輸高速公路高速公路現(xiàn)代重大基礎工程亟需混凝土新技術超長跨距復雜設計離傳離構的多樣性與復雜性要求超大體積超大體積超高層建筑55體積6體積6混凝土施工要求越來越高"和易性優(yōu)、泵送、自密實、長距離運輸、長時間澆注p武漢綠地中心-606m；天津117-597m橋梁橋面板"橋梁橋面板"凝結之前"平行于鋼筋/取向無規(guī)律7現(xiàn)代混凝土結構早期開裂問題突出某軌道交通車站某軌道交通車站"拆模即可出現(xiàn)；"豎向裂縫；"間距較規(guī)整p美國調研結果：高速公路橋梁開裂問題占50%以上；2000年后修建公路橋均出現(xiàn)開裂問題p某軌道交通調研結果(近期)：裂縫引起的滲漏占85%以上；現(xiàn)有的分段長度下(15-30m)裂縫出現(xiàn)達到94%88嚴酷環(huán)境下混凝土耐久性問題突出p海洋混凝土結構的鋼筋銹蝕問題p其他環(huán)境下混凝土的開裂與劣化99混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展2015年中國水泥產量23.48億噸(2014年24.76億噸)，消耗大量的資源和能源；僅僅2014年就產生了32億噸的工業(yè)固體積積現(xiàn)代混凝土結構亟需突破混凝土功能化瓶頸早強高強1.混凝土超早強與高強化2.組合與裝配化3.綠色化4.自密實化混凝土性能提升關鍵創(chuàng)新技術混凝土流動性調控技術混凝土收縮與裂縫控制技術混凝土耐久性提升技術混凝土功能化關鍵技術混凝土流動性調控技術混凝土流動性調控技術提高吸附驅動力PO32-水泥PO32-PO32-PO32-PO32-弱化氫鍵作用弱化氫鍵作用OON提高吸附驅動力PO32-水泥PO32-PO32-PO32-PO32-弱化氫鍵作用弱化氫鍵作用OON選擇性吸附技術口高適應性聚合物外加劑增增加優(yōu)先吸附驅動力3333PO2-PO2-PO3333NNNNN題提升初始吸附驅動力降低溶液粘度水泥工業(yè)廢渣高電荷密度主鏈提升初始吸附驅動力降低溶液粘度水泥工業(yè)廢渣高電荷密度主鏈選擇性吸附技術口快分散降粘型聚羧酸外加劑增增加水膜層厚度快分散降粘型聚羧酸快分散降粘型聚羧酸外加劑解決了低水膠比(W/B=0.18)、大摻量工業(yè)廢渣(大于50％)復雜組分混凝土初始分散慢、粘度大的難題長側鏈M=2000~5000緩釋基團鏈慢釋放基團早期釋放后期釋放減少早期水化掩埋持續(xù)補償長時間損失補充 分散持續(xù)水化高分散保持技術作用過程長側鏈M=2000~5000緩釋基團鏈慢釋放基團早期釋放后期釋放減少早期水化掩埋持續(xù)補償長時間損失補充 分散持續(xù)水化高分散保持技術作用過程緩控釋技術口高效保坍型聚羧酸外加劑水水解型側鏈快速補充快速補充高溫損失 酸外加劑實現(xiàn)了嚴酷環(huán)境下復雜組分混凝土流動性的多外加劑吸附率/%快速水解型聚醚單體快速釋放補充早期損失外加劑吸附率/%快速水解型聚醚單體快速釋放補充早期損失緩控釋技術口中低坍落度保坍型外加劑親水性網絡親水性網絡交聯(lián)技術降低用水量敏感性降低用水量敏感性逐步水解提供保坍外加劑分子示意圖4020020406080100140HSR0經時吸附時間/min滿足了核電、水電混凝土流動性保持的特殊需求重大基礎工程應用口交通工程306米主塔鋼纖維泵送混凝土306米主塔鋼纖維泵送混凝土442271m3超大體積混凝土承臺世界第二長斜拉世界第二長斜拉橋p選擇性吸附技術解決了低水膠比、大摻量工業(yè)廢渣混凝土初始分散慢、粘度大的難題p緩控釋技術解決了高溫、長時間流動性保持的技術難題世界最長的跨海大橋，全長36公里位世界最長的跨海大橋，全長36公里位于杭州灣，海洋環(huán)境腐蝕作用嚴重，混凝土耐久性問題突出重大基礎工程應用口交通工程灣大橋p解決了大摻量礦渣(50%以上)混凝土粘度大和35℃以上高溫保坍的應用難題p顯著提高了混凝土抗氯離子侵蝕能力，氯離子擴散系數(shù)小于1.0*10-12重大基礎工程應用口交通工程橋膠州灣大橋橋相相關技術隨后也陸續(xù)運用于膠州灣大橋、港珠澳大橋等特大跨海緩控釋技術解決了核電混凝土中等坍落度緩控釋技術解決了核電混凝土中等坍落度夏季保坍的技術難題，首次實現(xiàn)核電混凝土外加劑的國產化重大基礎工程應用口核電工程電站電站瀑布溝等大型水電工程得到成重大基礎工程應用口水電工程電站p緩控釋技術和選擇性分散技術解決了水電工程低膠材用量常態(tài)混凝土坍落度保持和復雜組分混凝土的高效分散及分散保持的要求武廣高鐵成果在京滬、滬寧、貴廣、武廣、鄭西等高鐵工程得到武廣高鐵成果在京滬、滬寧、貴廣、武廣、鄭西等高鐵工程得到成功應用重大基礎工程應用口高鐵工程1318公里，設計時速350km/h京滬高鐵鄭西客運專鄭西客運專線p解決了夏季高溫施工流動度損失大、大摻量工業(yè)廢渣初始分散慢、粘度大的技術難題重大基礎工程應用口市政民用工程528米超高層泵送65,000m3混凝土底板p提高了外加劑對民用商混原材料波動的適應性p滿足了商混高溫、長距離運輸對流動度保持的要求混凝土混凝土收縮與裂縫控制技術水分蒸發(fā)抑制技術口作用機理基準單分子膜p通過引入兩親性分子結構在高鹽、高堿的混凝土表面泌水層上實現(xiàn)自組裝，并形成穩(wěn)定單分子膜，從而減緩水分蒸發(fā)，降低混凝土的塑性收縮和開裂風險重大基礎工程應用口鼎新機場p環(huán)境溫度>40℃；地表溫度>50℃；濕度<30%；風速>8m/sp成功解決極端條件下養(yǎng)護難題，未出現(xiàn)干燥開裂現(xiàn)象第二雙線蓋膜覆蓋第二雙線蓋膜覆蓋重大基礎工程應用口蘭新鐵路第二雙線p相比較傳統(tǒng)養(yǎng)護方法，水分蒸發(fā)抑制技術可以更好的抑制混凝土早期塑性收縮開裂，對于西部干燥嚴重缺水地區(qū)的意義水分蒸發(fā)抑制水分蒸發(fā)抑制技術SurfaceTension(mN/SurfaceTension(mN/m)化學減縮技術口化學減縮劑作用機理p作為一種表面活性劑，減縮劑可以顯著降低孔溶液的表面張力，進而減少由于水分蒸發(fā)/濕度降低而產生的毛細管壓力(Kelvin-Laplace公式)p毛細管壓力是導致混凝土干燥收縮的驅動力0510152025300-60-6化學減縮技術口減縮型聚羧酸p基于減縮劑的作用機理，設計一種新型的分子結構降低干燥收縮Time/d5降低干燥收縮Time/d5101520253000-500-50-200ControlB1P6001:0.75B2P6001:0.75B2P12001:1-250摻量:-250-300減水作用摻量/%減水作用摻量/%減水率/%位阻，從而使高分子具有p實現(xiàn)了減水和減縮的協(xié)同作用重大基礎工程應用口公伯峽水電站pp位于青藏高原，常年處于極端干燥、晝夜溫差大的氣候條件下p世界上最長的大壩混凝土防滲面板，米峽水電站p現(xiàn)場實際監(jiān)測的結果表明，采用化學減縮技術可以減少約40%的干燥收縮。p首次在隧道工程采用綜合化學減縮防裂技術(包括減縮性聚羧酸減水劑)，收縮變形和最高溫p首次在隧道工程采用綜合化學減縮防裂技術(包括減縮性聚羧酸減水劑)，收縮變形和最高溫升均小于傳統(tǒng)技術p主體結構未發(fā)生開裂和滲水現(xiàn)象重大基礎工程應用口南京九華山隧道p該技術相繼在南京龍蟠路隧道、模范馬路隧道、蘇州獨墅湖隧道和無錫蠡湖隧道等工程中推廣，取得效果p水化熱調控材料可以有效降低水泥早期水化放熱速率，但不影響p水化熱調控材料可以有效降低水泥早期水化放熱速率，但不影響總放熱量p水化熱調控材料與緩凝劑的作用機理與方式并不同口水化熱調控材料作用機理率水化熱調控技術世界最大的水力發(fā)電站600萬立世界最大的水力發(fā)電站600萬立方米大體積混凝土未世界最高的拱壩，305米高混凝土溫度收縮與開裂得到了重大基礎工程應用錦屏水電站錦屏水電站蘇州污水處理廠蘇州污水處理廠重大基礎工程應用祿祿口國際機場預埋溫度傳感器℃膨脹歷程可調、控膨脹效能大,失水收縮小水化產物穩(wěn)定需水量較小提高混凝土抗裂能力膨脹歷程可調、控膨脹效能大,失水收縮小水化產物穩(wěn)定需水量較小提高混凝土抗裂能力輕燒CaO膨脹補償收縮技術補償自收縮和溫降收縮，減小干燥收縮補償自收縮和溫降收縮，減小干燥收縮組組成結構特點：低水膠比、低孔隙率收收縮開裂特點：自收縮、干縮、溫縮使使用環(huán)境特點：溫度、濕度歷程早期膨早期膨脹高活性高活性MgO低活性低活性MgO中期膨脹中期膨脹后期膨脹后期膨脹補償收縮技術CaOCaO儲存膨脹預壓應力MgOMgO補償中期及后期段收縮4CaO+H2O=Ca(OH)2實現(xiàn)了收縮過程分階段、全過程的補償，為超長、大體積 結構裂縫控制開啟新思路向家壩水電站向家壩水電站補償收縮技術瀑瀑布溝水電站0%MgO2%MgO#孔縫開合度/mm(#孔縫開合度/mm(0%MgO)#孔縫開合度/mm(4%MgO)開合度/mm(5%MgO)-0.120090180270-30齡期/dpp瀑布溝水電站：已服役>5年pp外摻MgO混凝土產生明顯膨脹，新老混凝土之間的縫開合度補償收縮技術代表工程：常州地鐵1號線、徐州地鐵2號線p車站結構基本信息1-1.4m，中板厚0.5m，頂板厚0.9m施工季節(jié)：夏、秋、冬季模板類型：鋼/木模補償收縮技術p常州地鐵1號線全線調研結果果側墻砼開裂占裂縫總量的83.9%，且基本貫穿裂縫出現(xiàn)時間一般是澆筑3d以后的降溫期節(jié)施工時氣溫越高，裂縫出現(xiàn)幾率越大主要為混凝土開裂引起，占總量的85.3%，其余為施工縫處理不到位p徐州地鐵1號線調研結果墻體裂縫據(jù)業(yè)主與第三方統(tǒng)計，徐州已建1號線主體車站開裂滲漏p滲漏主要由開裂引起，側墻開裂問題最為突出p澆筑長度越長、氣溫越高，裂縫出現(xiàn)幾率越大開裂風險ηoC開裂風險η側墻新橋站側墻t=7.75d~3℃/d~8℃/dd裂開裂風險ηoC開裂風險η側墻新橋站側墻t=7.75d~3℃/d~8℃/dd裂η=1.0值t=21dη=0.7ηη補償收縮技術監(jiān)測結果監(jiān)測結果 012345678001.21.00.80.60.401.21.00.80.60.40.20.0t=4.25d051015202530時間/d1.21.21.00.80.60.40.20.0新橋站底板計計算結果051015202530dp底板開裂風險較小：在21d左右達到臨界值；側墻開裂風險突出：在4-5d即達到或超過臨界值p開裂主要原因：溫度收縮占主導，疊加自收縮項目實施方案側墻去除礦粉降低水泥用量去除防水劑開裂風險降低10%水化熱調控+膨脹劑開裂風險降低項目實施方案側墻去除礦粉降低水泥用量去除防水劑開裂風險降低10%水化熱調控+膨脹劑開裂風險降低25%-35%合理選擇澆筑長度略微控溫、保溫低開裂風險至0.70以下側墻單摻粉煤灰雙重調控抗裂技術提升抗裂性夏季略微控制 (原材料遮蓋、夜間澆筑等)根據(jù)施工季節(jié)長度3d溫補償收縮技術工工程原有技術粉煤灰礦粉雙摻防水劑、蓄水p通過400余種工況計算，量化影響抗裂性的關鍵因素p針對已有技術難以滿足抗裂性要求問題，使用抗裂功能材料：補償收縮+水化熱調控東南大學SoutheastUniversity41對比段對比段補償收縮技術夏季施工夏季施工不采取任何技術措施對對比段側墻裂縫情況入模溫度33℃,澆筑長度25.5m,臨近不摻加功能材料，采取入模溫度控制冰+延長拆模時間(1d→7d冰加冰效果有限：入模溫度僅降低2C；開裂風險僅降低5%；裂縫2-3m出現(xiàn)1條實施段入模溫度33℃,澆筑長度實施段混凝土溫升降低13℃(配比優(yōu)化+功能材料)降階段收縮減小40%無裂縫產生，常州地鐵剩余示范段實施工作正有序推進中覆蓋位置溫升/℃中部中心207邊中心18.1中部中心覆蓋位置溫升/℃中部中心207邊中心18.1中部中心0012345678間/d910補償收縮技術秋、冬季施工口實施效果—秋、冬季施工26-27Cp最大溫升：20C(對比段：38C)；溫降階段收縮減小50%p拆模后溫度無明顯突變(覆蓋保溫)主體結構已封頂，迄今已澆筑部分，尤其相鄰車站，相同澆筑季節(jié)：平均每3-5m出現(xiàn)1條裂縫混凝土耐久性提升技術混凝土耐久性提升技術關鍵技術：硅氧烷口技術原理ppp毛細管滲透小分子硅烷通過毛細管作用滲透水解反應強堿下烷氧基水解生成Si-OH縮合反應Si-OH(硅羥基)與水泥表面-OH以及自身的硅羥基縮合生成M-O-Si-O-Si穩(wěn)定憎水保護層(M，水泥主要 水解水解2H2O2H2O縮合RRRRSiSiSiSiSi 3H2ORRROOOSiSiSiSi重大基礎工程應用廣東虎門二橋亞灣核電杭州灣跨海大橋大鍵技術：侵蝕離子傳輸抑制劑口技術原理與技術特點pp口細化毛細孔徑，降低毛細孔連通性，提高密實度堵孔與憎水復合作用孔少，但較大孔多，都較小作用效果基基準2%疏水孔栓物4%疏水孔栓物6%疏水孔栓物0728混凝土抗?jié)B等級最高可達P混凝土抗?jié)B等級最高可達P35重大基礎工程應用口典型工程應用二橋侵蝕離子傳輸抑制劑施工劑摻量/%0467p侵蝕離子傳輸抑制劑在虎門二橋中得到應用，顯著提升了混凝土的抗硫酸鹽腐硫酸鹽腐命≤30%≤45年效鹽結晶抑制材料≥50%SOmgLClmg/L超鹽漬土環(huán)境下混凝土結構的服役壽命SO關鍵技術：高效鹽結晶抑制材料口技術原理與技術特點p礦物組成優(yōu)化與最緊密堆積p競爭與絡合反應p結晶抑制AFtAFt生成量減少 超鹽漬土環(huán)境下與傳統(tǒng)防腐技術對比SOSO入明耐蝕系數(shù)耐蝕系數(shù)10次30次50次60次0.5耐蝕系數(shù)耐蝕系數(shù)10次30次50次60次0.5關鍵技術：高效鹽結晶抑制材料口作用效果p普通硫酸鹽環(huán)境，較低摻量抑制腐蝕p高硫酸鹽環(huán)境，摻量增加，混凝土強度損失明顯降低p超鹽漬土作用強度損失＜5%(耐蝕系數(shù)＞0.95)0.010.05%6%防腐劑摻量75%6%防腐劑摻量7%鹽結晶抑制材料摻量對耐蝕系數(shù)的影響30次50次60次1.00.50.0420kg/m3450kg/0.50.0420kg/m3450kg/m3普通防腐劑(7%)硫酸鹽侵蝕系數(shù)＞0.9，普通防腐劑混凝土＜0.9420kg/m3450kg/m3高效防腐劑(7%)重大基礎工程應用口青島萬達廣場地下水硫酸鹽和氯鹽濃度嚴重超標(SO42-12000mg/L、Cl-45000mg/L)區(qū)層土層泥層層p高效鹽結晶抑制材料解決層土層泥層層FeHm(HNH2CH2C)HNNFeHm(HNH2CH2C)HNNH(CH2CH2NH)mHFeFe Fe關鍵技術：摻入型有機阻銹劑口技術原理p有機分子膜p抑制鋼筋鈍化膜溶解口技術特點通過低聚合和強推電子，實現(xiàn)與Fe的牢固吸附，隔離Cl-等有害離子p摻入新建結構混凝土拌合物，預防護p安全性，在各種氯離子濃度下能對鋼筋混凝土提供腐蝕保護，鈍化膜型阻銹劑在用量不足時有加速點蝕的危險，環(huán)境友好，無毒p兩極保護，同時保護陰極和陽極，鈍化膜型阻銹劑只保護陽極Nconc.,10-2mg/gphase,deg21再提升3.53.02.52.01.51.00.5104Nconc.,10-2mg/gphase,deg21再提升3.53.02.52.01.51.00.51041010chargetransferresolutionCPER0M0.0076M0.019M0.038M0.054M0.076MFitting-100-80-60-40-200f,關鍵技術：遷移型有機阻銹劑口技術原理與技術特點p多羥基、多吸附中心p定向遷移p取代吸附Cl-、中和腐蝕坑內的H+p涂覆于已有結構表面，壽命再提升JZSBT-TJZSBT-TFMCI20200.11101001000100001000000.1110100100010000100000