高性能混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的運(yùn)用.doc

高性能混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的應(yīng)用摘要：高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，國(guó)外學(xué)者曾稱之為21世紀(jì)混凝土。挪威于1986年首先對(duì)此進(jìn)行了研究，在1990年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)（ACI）共同主辦的一次研討會(huì)上正式定名。大會(huì)規(guī)定高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制，便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強(qiáng)度高、具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：高性能混凝土1前言高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，國(guó)外學(xué)者曾稱之為21世紀(jì)混凝土。挪威于1986年首先對(duì)此進(jìn)行了研究，在1990年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)（ACI）共同主辦的一次研討會(huì)上正式定名。大會(huì)規(guī)定高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制，便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強(qiáng)度高、具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。由于高性能混凝土具有綜合的優(yōu)異技術(shù)特性，引起了國(guó)內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來(lái)，世界上許多國(guó)家相繼投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行該項(xiàng)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使高性能混凝土技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，在原料的選擇、配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能、耐久性、工作性、結(jié)構(gòu)性能以至應(yīng)用技術(shù)等方面都取得了既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)用價(jià)值的科技成果。在1993年，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)下屬的技術(shù)委員會(huì)提出一新的高性能混凝土定義：滿足工程特殊要求的各種性能，可包括易澆搗而不離析，高長(zhǎng)期力學(xué)性能、高早期強(qiáng)度、高堅(jiān)韌性與高體積穩(wěn)定性，或在嚴(yán)酷環(huán)境中使用壽命長(zhǎng)久，并且勻質(zhì)性良好的混凝土。近年來(lái)，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)又給出一個(gè)文字上較精練的定義：“高性能混凝土是一種要能符合特殊性能綜合與均勻性要求的混凝土，此種混凝土往往不能用常規(guī)的混凝土組分材料和通常的攪拌、澆搗和養(yǎng)護(hù)的習(xí)慣做法所獲得。”高性能混凝土，開(kāi)始是用于表征具有高工作度、高強(qiáng)度和高耐久性的混凝土。這種混凝土必須設(shè)計(jì)成具備高度體積穩(wěn)定性。為了減少混凝土由于溫度收縮和干縮產(chǎn)生的開(kāi)裂，必須限制混凝土拌合物中的水泥漿含量。Mehta和Actcin提出的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法限定總水泥漿量為混凝土體積的1/3；允許部分硅酸鹽水泥用火山灰或有膠凝性的摻合料來(lái)代替。A?tcin曾預(yù)言：摻礦渣、粉煤灰、硅粉、亞粘土、稻殼灰和石灰石粉的三元混合水泥除了可以使高性能混凝土的制備更經(jīng)濟(jì)外，還能發(fā)揮它們的超疊作用，改善其新拌與硬化時(shí)的性質(zhì)。2高性能混凝土在現(xiàn)代工程中的應(yīng)用高性能混凝土技術(shù)正在世界各地成功地用于很多離岸結(jié)構(gòu)物和長(zhǎng)大跨橋梁的建造，Langley等人敘述了幾種加拿大一長(zhǎng)大跨橋梁所用的拌合物。它們用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥用量為450Kg/m3，水153L/m3，引氣劑160mL/m3和高效減水劑3L/m3。其坍落度大約在200mm；含氣量6.1%；1d、3d、28d抗壓強(qiáng)度分別為35、52和82MPa；基礎(chǔ)和其他大塊混凝土的混合水泥用量為307Kg/m3，粉煤灰133Kg/m3，用水量接近，但引氣劑和高效減水劑摻量大幅度減小，坍落度約在185mm；含氣量7%；1d、3d、28d和90d抗壓強(qiáng)度分別為10、20、50和76MPa。根據(jù)加拿大和美國(guó)的透水性與氯離子快速滲透標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩部分混凝土都呈現(xiàn)非常低的滲透性。對(duì)高性能混凝土結(jié)構(gòu)的施工，需要非常強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和質(zhì)量驗(yàn)收。高性能混凝土發(fā)展的另一領(lǐng)域是高性能輕混凝土，相對(duì)于鋼材，普通混凝土的強(qiáng)度/自重比很低，摻有高效減水劑的高強(qiáng)混凝土則大大提高了該比例；用有大量微孔的輕骨料代替部分普通骨料，就能進(jìn)一步提高這個(gè)比例。由于骨料的質(zhì)量不同，密度為2000Kg/m3、抗壓強(qiáng)度在7080MPa的高性能輕混凝土在一些國(guó)家已經(jīng)商品化并用于構(gòu)件生產(chǎn)。在澳大利亞、加拿大、日本、挪威和美國(guó)，高性能輕混凝土已用于固定式和漂浮式鉆井平臺(tái)；因?yàn)樗酀{和骨料之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度高，它可以不透水，所以在侵蝕環(huán)境中能夠很耐久。采用摻1015%硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有優(yōu)良的粘附力，因此適用于濕噴的噴射混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，這也是高性能混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域之一.2.1高性能混凝土在高層建筑中的應(yīng)用。高性能混凝土（40MPa）首先用于30層以上高層建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土?xí)r斷面很大。除節(jié)省材料費(fèi)用外，與鋼結(jié)構(gòu)相比，加快施工速度也是采用混凝土結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)，自美國(guó)芝加哥在1965年以50MPa混凝土澆注LakePointTower的一些柱子以來(lái)，北美和其他國(guó)家到處都在用高性能混凝土建造高層建筑。芝加哥79層的WaterTowerPlace大樓柱子采用了60MPa混凝土；多倫多的ScotiaPlazaBuilding和西雅圖的TwounionSquareBuilding兩座建筑物則分別有90和120MPa強(qiáng)度的高性能混凝土柱子。應(yīng)用實(shí)例：a高性能混凝土應(yīng)用C80高強(qiáng)與高性能混凝土在沈陽(yáng)方園大廈、大西電業(yè)園等多項(xiàng)高層建筑鋼管混凝土柱中應(yīng)用。b上海高性能混凝土研究領(lǐng)域中取得一大批可喜的成果，其中具有代表性的成果有：中華第一高樓88層金茂大廈的C40一次泵送到382.5m；明天廣場(chǎng)礦渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育電視臺(tái)綜合樓大體積基礎(chǔ)混凝土，水泥用量只占膠凝材料總量的46%，配制的混凝土漿量飽滿，混凝土工作性、粘聚性和抗離析性能都十分優(yōu)異，強(qiáng)度達(dá)到C40的高性能混凝土。c圖表：工程名稱施工日期泵送高度m混凝土強(qiáng)度等級(jí)外加劑水平上海賓館1981年80C30國(guó)內(nèi)領(lǐng)先靜安希爾頓1987年143C30國(guó)內(nèi)領(lǐng)先上海商城1988年166.25C28木鈣國(guó)際先進(jìn)南浦大橋主塔1989年154C40南浦1號(hào)國(guó)際先進(jìn)楊浦大橋主塔1993年208C50南浦2號(hào)國(guó)際領(lǐng)先東方明珠1994年350C40JRCD國(guó)際領(lǐng)先徐浦大橋東主塔1995年217C50JRCD國(guó)際領(lǐng)先金茂大廈1997年382.5C40FTHC國(guó)際領(lǐng)先2.2高性能道面混凝土a.高性能道面混凝土研究的意義隨著對(duì)交通運(yùn)輸要求的日益提高，發(fā)展“長(zhǎng)壽命低維護(hù)路面”，采用高性能道面混凝土，提高混凝土的抗折強(qiáng)度與耐久性是當(dāng)前道面混凝土的發(fā)展趨勢(shì)。b.國(guó)外發(fā)展情況1997年召開(kāi)的第十六屆國(guó)際混凝土路面會(huì)議，提出路面設(shè)計(jì)不僅要提出平均強(qiáng)度要求，還應(yīng)提出耐久性要求。在未來(lái)發(fā)展方向中提出抗拉強(qiáng)度達(dá)17MPa的超高強(qiáng)混凝土，用于鋪筑連續(xù)的混凝土路面。提高混凝土道面表面的致密性、抗?jié)B性都是很重要的，而這是需要通過(guò)高性能混凝土來(lái)實(shí)現(xiàn)的。c.高性能道面混凝土的強(qiáng)度高性能道面混凝土的重要特征是具有高抗折強(qiáng)度。使用高性能道面混凝土可以顯著提高道面的承載能力，延長(zhǎng)使用壽命或減薄道面的厚度以降低工程造價(jià)。d.高性能道面混凝土的耐久性高性能道面混凝土的主要特征是具有足夠的耐久性，能夠抵抗氣候和環(huán)境的長(zhǎng)期破壞作用，保證在道面的設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)，混凝土能夠正常工作。e.高性能道面混凝土的變形性質(zhì)(1)干縮道面板表面積很大，蒸發(fā)量大，干縮有可能引起道面板表面產(chǎn)生收縮裂縫，需加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。(2)抗折彈性模量高性能道面混凝土的抗折彈性模量E，經(jīng)實(shí)測(cè)，1級(jí)為4.305104Mpa，2級(jí)為4.845104Mpa，3級(jí)為4.605104Mpa。強(qiáng)度3級(jí)的高性能道面混凝土的配合比中，骨料用量較少，粗骨料最大粒徑較小。f.應(yīng)用情況應(yīng)用高性能道面混凝土產(chǎn)生顯著的效益：(1)提高道面承載力；(2)延長(zhǎng)道面使用壽命；(3)降低工程造價(jià)；g.應(yīng)用實(shí)例(1)在美國(guó)大約有70%的公路采用高性能道面混凝土：其中北達(dá)科他州，1988和1989年夏天，用20000m3混凝土鋪筑厚為200mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3；德克薩斯州的路面示范工程也成功地采用了這一新材料。(2)青藏鐵路建設(shè)工程中全面推廣使用h.結(jié)論三個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的高性能道面混凝土具有極其優(yōu)良的品質(zhì)，材料費(fèi)用基本不增加或增加不多，可供不同要求的工程選擇使用，建造長(zhǎng)壽命低維護(hù)的道面、路面，其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益是巨大的，值得大力推廣和不斷研究，促進(jìn)我國(guó)機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面工程和公路路面工程步入新的發(fā)展階段，以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的對(duì)航空和交通運(yùn)輸?shù)男枰?.3海洋混凝土結(jié)構(gòu)提高港口水工建筑物耐久性研究研究提出技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、便于推廣應(yīng)用的新型海工高性能混凝土大跨橋梁、海底隧道和離岸采油平臺(tái)，是這種應(yīng)用的實(shí)例。如：a汕頭港外深水航道治理工程；b珠江口伶仃洋深水航道治理工程；c青島、寧波北侖等港口建成了能靠泊二十萬(wàn)噸級(jí)油輪和礦石船的深水泊位2.4免振自密實(shí)混凝土（Self-compactingConcrete）由于免振自密實(shí)混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密實(shí)性、均勻性得到顯著的提高，成為混凝土技術(shù)的一項(xiàng)新的進(jìn)展而被列為高性能混凝土一族。免振自密實(shí)混凝土是近十多年來(lái)由日本首先研究開(kāi)發(fā)并付諸工程應(yīng)用的一項(xiàng)近代混凝土技術(shù)。由于免振自密實(shí)混凝土在工程上應(yīng)用可以取得提高混凝土質(zhì)量、改善混凝土施工操作、養(yǎng)活施工噪音以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、加快施工進(jìn)度降低工程費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)此給予很大的重視與關(guān)注。日本預(yù)期到2003年將有1/2的混凝土工程將用免振自密實(shí)混凝土澆注。顧名思義，免振自密實(shí)混凝土是在澆筑時(shí)僅靠混凝土自身的重力而不需要任何搗實(shí)外力而達(dá)到自密實(shí)、自流平的一種混凝土。免振自密實(shí)混凝土應(yīng)具有三個(gè)特性：（1）流動(dòng)性；（2）良好的穩(wěn)定性不離析；（3）鋼筋和模板中的任何間隙，具有良好的通過(guò)能力，不產(chǎn)生阻塞。根據(jù)上述三個(gè)特性的要求，免振自密實(shí)混凝土配制的原理與方法科述如下：新拌混凝土的物相屬粒子懸浮體，其連續(xù)介質(zhì)是水泥漿體，也就是液相而混凝土中的集料則為固相。在所有粒子懸浮體中，流動(dòng)性與粒子離析間的平衡是必需的。新拌免振自密實(shí)混凝土要在沒(méi)有外力作用下充分填實(shí)混凝土模板中的一切空隙并達(dá)到密實(shí)，更是要兼具良好的流動(dòng)性與穩(wěn)定性。為獲得高流動(dòng)性，首先要減小顆粒間的磨擦阻力。摻入超塑化劑以減小顆粒的表面張力固然十分必要，但從免振自密實(shí)的性能要求看，僅靠摻超塑化劑還難以達(dá)到，還需摻入一定數(shù)量的超細(xì)物料。為得到良好的穩(wěn)定性，使物料不離析，其液相必需具有適當(dāng)?shù)牧髯冃?，才能既不產(chǎn)生泌水又防止顆粒的離析。為達(dá)到此要求，同樣也需摻入適量的顆粒尺寸0.25mm的細(xì)填料，有時(shí)還需摻入粘度改性劑（增粘劑）。為使混凝土能流暢地通過(guò)鋼筋和模板中的任何間隙而不產(chǎn)生阻塞，除需根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選定合適的集料粒徑和形貌外，液相的體積量及其流變性質(zhì)也是重要的參數(shù)。其流變性質(zhì)是按流變學(xué)的賓漢姆型用粘度計(jì)來(lái)評(píng)定的，應(yīng)具有低的屈服應(yīng)力和適當(dāng)?shù)乃苄哉扯?。按流變學(xué)的觀點(diǎn)，免振自密實(shí)混凝土的基體是自由流動(dòng)的超細(xì)漿體，該漿體是由水泥與超細(xì)物料共同組成的，其流動(dòng)性隨環(huán)繞固體粒子的漿膜層厚度的增大而提高，而漿膜層的厚度只有在漿體已充滿固體顆粒間的空隙后才能形成，因此，漿體的厚度受到固體顆粒的形貌影響。對(duì)于漿體而言，除了要求具有高流動(dòng)性外，還需具有足夠的高粘度，必須成為高粘性的牛頓液體，才能防止離析。免振自密實(shí)混凝土的配制工藝流程如圖所示。水泥超細(xì)摻和料水超塑化劑自由流動(dòng)的漿體細(xì)集料自由流動(dòng)的砂漿粗集料自密實(shí)混凝土免振自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，首先要確定根據(jù)集料的空隙含量所需要的液相體積。該液體的組成包括水泥、水、外加劑和0.25mm的超細(xì)物料。超大型細(xì)物料與總集料體積之比（S/A）是免振自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。銘振自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性將隨S/A的增大而增大，而對(duì)彈性模量無(wú)明顯的影響。水灰比基本上按所需的混凝土抗壓強(qiáng)度來(lái)確定。由于免振自密實(shí)混凝土的流變行為與組分材料的體積有十分密切的關(guān)系，因此