第三篇第七章 高性能與高強混凝土

1、第七章第七章 高性能與高強混凝土高性能與高強混凝土第一部分第一部分 高性能混凝土高性能混凝土第二部分第二部分 高強混凝土高強混凝土第一部分第一部分 高性能混凝土高性能混凝土一、高性能混凝土定義及發(fā)展1. 定義定義n 1990年5月美國國家標準與技術研究院（NIST）與美國混凝土協(xié)會(ACI)首先提出高性能混凝土這個名詞。n高性能混凝土是同時具有某些性能的均質混凝土，必須采用嚴格的施工工藝與優(yōu)質原材料，配制成便于澆搗、不離析、力學性能穩(wěn)定、早期強度高，并具有韌性和體積穩(wěn)定性的混凝土；特別適合于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴格環(huán)境下的建筑物。一、高性能混凝土定義及發(fā)展高性能混凝土在配置上的特點:o低水

2、膠比;o優(yōu)質原材料;o摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑。 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o美國戰(zhàn)略公路研究項目(SHRP)的定義: W/C不大于0.35; 300次凍融循環(huán)后相對動彈模量80%; 澆注4h后強度達21MPa; 24h不小于34MPa; 28d不小于67MPa; 強調混凝土的早強性能和高耐久性。o日本多數(shù)學者和工業(yè)界強調HPC是高強、超高強與高流態(tài)混凝土,認為高性能首先必須具有高強度。 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o馮乃謙教授對HPC的定義為: W/C不大于0.38,體積穩(wěn)定性好的混凝土,其組成材料中必須含有高效減水劑和礦物質超細粉,混凝土56d的ASTMC1202,6h總導電量小

3、于1000C,凍害地區(qū)凍融300次相對動彈模量不小于80%,抗壓強度不小于60MPa,并具有滿足施工要求的流動性和坍落度損失。一、高性能混凝土定義及發(fā)展o吳中偉院士談吳中偉院士談HPCo與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨特的性能： 高性能混凝土具有一定的強度和高抗?jié)B能力,但不一定具有高強度,中、低強度亦可； 高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物應具有較高的流動性,混凝土在成型過程中不分層、不離析;易充滿模型;泵送混凝土、自密實混凝土還具有良好的可泵性、自密實性能； 高性能混凝土的使用壽命長，對于一些特護工程的特殊部位，控制結構設計的不是混凝土的強度，而是耐久性。能夠使混凝土結構安全

4、可靠地工作50100年以上，是高性能混凝土應用的主要目的；高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早期應具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。一、高性能混凝土定義及發(fā)展o高性能混凝土就是能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土,能最大限度地延長混凝土結構的使用年限,降低工程造價。高性能混凝土的核心是高的耐久性。o提高耐久性需解決的問題：為滿足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而導致混凝土的孔隙率很高，約占水泥石總體積的25%-40%，特別是其中毛細孔占相當大部分，毛細孔是水分、各種侵蝕介質、氧氣、二氧化碳及其它有害物質進入混凝土內(nèi)部的通道，引起混凝土耐久性的不

5、足。其次，水泥石中的水化物穩(wěn)定性不足。波特蘭水泥水化后的主要化合物是堿度較高的高堿性水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。此外，在水化物中還有數(shù)量很大的游離石灰，它的強度極低，穩(wěn)定性極差，在侵蝕條件下，是首先遭到侵蝕的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必須減少或消除這些穩(wěn)定性低的組分，特別是游離石灰。一、高性能混凝土定義及發(fā)展2. HPC的發(fā)展及應用的發(fā)展及應用o20世紀90年代, 美國、加拿大、日本、挪威、德國、澳大利亞等,成為應用高強高性能混凝土最多的國家；o德國現(xiàn)行的混凝土結構設計規(guī)范已達C110級,強度等級為當今世界之最； o挪威為目前世界上強度等級第二高的混凝土結構設計規(guī)范,已有

6、C105 級超高強混凝土結構設計規(guī)范。 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o1993年美國聯(lián)邦公路管理局發(fā)起了在全國公路橋梁建設中推廣應用 HPC的計劃；o 芝加哥311大廈采用了C95的HPC；o 西雅圖的雙聯(lián)大廈的混凝土強度等級為C130 。一、高性能混凝土定義及發(fā)展o20世紀70年代起我國開始發(fā)展高強與高流動混凝土；o1980年采用的高坍落度高強混凝土建成紅水河鐵路斜拉橋的預應力混凝土箱梁 ；o1991年我國最早應用HPC建造廣東國貿(mào)大廈,采用C60的粉煤灰泵送HPC 。一、高性能混凝土定義及發(fā)展o西南交大用52.5號硅酸鹽水泥摻入硅灰及高效減水劑制成了100.1MPa的超高強混凝土；o清華大學

7、馮乃謙教授用中熱52.5號硅酸鹽水泥加硅灰及高效減水劑FDN,并加入CFA (控制坍落度損失),制得28天強度92.4MPa、坍落度20cm、2h無坍落度損失的超高強流態(tài)混凝土; 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o湖南大學黃政宇教授通過摻硅灰、高效減水劑和鋼纖維并加熱養(yǎng)護的技術途徑配制了抗壓強度高達200MPa的超高強鋼纖維混凝土;o重慶大學蒲心誠教授用堿礦渣技術路線制成了28d抗壓強度為117MPa的超高強混凝土,后又采用“普通52.5號水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術路線制得坍落度240mm以上,28d抗壓強度100MPa以上的超高性能混凝土;目前,用類似的技術路線已經(jīng)制得抗壓強度

8、150MPa以上的混凝土。一、高性能混凝土定義及發(fā)展n重慶建筑大學蒲心誠教授用堿礦渣技術路線制成了28天抗壓強度為117MPa的超高強混凝土,后又采用“普通525號水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術路線制得坍落度240mm以上,28天抗壓強度100MPa以上的超高性能混凝土,目前,用類似的技術路線已經(jīng)制得抗壓強度150MPa以上的混凝土。 二、 HPC的性能及特點 1. HPC耐久性o混凝土的耐久性破壞主要有:混凝土碳化、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕、堿-骨料反應、凍融破壞。o對于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC可以保證重要建筑在不利環(huán)境中使用100年，在正常環(huán)境使用200年，在特殊環(huán)

9、境使用300年，而混凝土建筑的使用壽命可以預期達到500年。二、 HPC的性能及特點2. HPC工作性o坍落度是評價混凝土工作性的主要指標,反映混凝土拌和物在重力作用下的流動和變形能力。oHPC的坍落度控制功能好。o由于加入了減水劑和礦物質超細粉,在與普通混凝土在坍落度相同的情況下,粘度較大,使其在泵送中需施加更大的壓力。HPC粘性大,粗骨料下沉速度慢,在相同振動時間內(nèi),下沉距離短,穩(wěn)定性和均勻性好。其水泥漿的粘性大,很少產(chǎn)生離析的現(xiàn)象。o由于HPC的水灰比低,自由水少,且摻入超細粉,基本上無泌水。二、 HPC的性能及特點3. HPC力學性能o混凝土的強度有抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、疲勞強

10、度、粘結強度。oHPC對力學性能的要求不僅體現(xiàn)在高強度上,還體現(xiàn)在高強度質量上,即要求強度的分散性小,后期的強度增長穩(wěn)定。二、 HPC的性能及特點4.HPC體積穩(wěn)定性o混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土在抵抗物理、化學作用下產(chǎn)生變形的能力。混凝土的體積變形包括收縮變形、彈性變形、徐變變形和溫度變形。oHPC的干縮隨著水灰比的減小而減小,混凝土在使用過程中會發(fā)生徐變,HPC的徐變較普通混凝土明顯減低,并隨強度的提高,最終單位徐變減小。二、 HPC的性能及特點5. HPC經(jīng)濟性 oHPC較高的強度、良好的耐久性和工藝性都使其具有良好的經(jīng)濟性。HPC良好的耐久性可以減少結構的維修費用,延長結構的使用壽命,

11、收到良好的經(jīng)濟效益；HPC的高強度可以減少構件尺寸,減小自重,增加使用空間；HPC良好的工作性可以減少工人強度,加快施工速度,減少成本。三、提高混凝土耐久性的技術途徑 1.摻入高性能減水劑o保證混凝土拌和物所需流動性的同時，降低用水量,減小水灰比,使混凝土的總孔隙,特別是毛細管孔隙率大幅度降低。2.摻入高效活性礦物摻料 o改善混凝土中水泥石的膠凝物質的組成?；钚缘V物摻料(矽灰、礦渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO2 及活性Al2O3,它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應,生成強度更高,穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化硅酸鈣,從而達到改善水化膠凝物質的組成,消除游離石灰的目的

12、。o可以調整水泥級配，使更密實四、高性能混凝土的用途o鋼筋密集、混凝土澆筑困難受力復雜或承擔內(nèi)力較大的構件,配筋很密,混凝土澆筑非常困難,通過采用高流態(tài)的高性能混凝土,能保證順利施工和工程質量。o高等級混凝土結構路面要求較高的耐磨性能,通過配合比優(yōu)化設計,可以得到耐磨性能較好的高性能混凝土,提高混凝土路面的抗磨損性能。四、高性能混凝土的用途o耐久性要求較高,具有優(yōu)良耐久性能的高性能混凝土,用于建造碼頭、船塢、防波堤、采油平臺等港口和海洋工程,可大大提高工程結構的耐腐蝕能力和抵抗海浪沖刷的能力。o提高承載力。隨著建筑結構高度的增加,底層受壓構件的壓力迅速增大,如采用傳統(tǒng)混凝土,則構件截面尺寸增大

13、,影響底層的空間要求和使用功能。采用高性能混凝土,在保證構件承載力的基礎上能有效減小截面尺寸,滿足高層和超高層建筑的需求。四、高性能混凝土的用途o泵送高度大。目前,混凝土的泵送施工非常普遍。對超高層建筑結構,泵送高度大,對混凝土的工作性要求較高。采用工作性能優(yōu)異的高性能混凝土,可使混凝土的一次泵送高度達到300m以上,從而大大降低施工難度。五、 HPC存在的問題 1.混凝土流動性損失問題控制o混凝土流動性損失問題主要是由高效減水劑與水泥之間的相容性不好造成。o解決的辦法物理途徑：包括減水劑的后摻法、多次添加法、礦物載體緩慢釋放方法等,但在工程應用過程中不太方便,影響混凝土的質量;化學途徑：減水

14、劑與緩凝劑相復合，應用較多。在一定程度上可以減緩混凝土流動性損失,防止混凝土凝結過快,但也可能造成混凝土過度緩凝,影響水泥水化等問題。五、 HPC存在的問題2.混凝土早期裂縫問題 有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋產(chǎn)生的主要途徑包括：o降低混凝土的單方用水量；o增加礦物超細粉用量,減小水泥膠凝材料用量;o混凝土中引入微小氣孔,減小混凝土總收縮值；o混凝土中摻入纖維,避免連通毛細孔的形成；o加強混凝土的早期濕養(yǎng)護。 第二部分 高強混凝土一、高強混凝土定義o一般認為，強度等級不低于C60的混凝土即為高強混凝土。通常還將強度大于C60的混凝土稱為超高強混凝土。一、高強混凝土定義o高性能混凝土與高

15、強混凝土的差別：o高強混凝土僅僅是以強度的大小來表征或確定其何謂普通混凝土、高強混凝土與超高強混凝土，而且其強度指標隨著混凝土技術的進步而不斷有所變化和提高。而高性能混凝土則由于其技術物性的多元化，諸如良好的工作性(施工性)，體積穩(wěn)定性、耐久性、物理力學性能等等而難以用定量的性能指標給該混凝土一個定義。o高性能混凝土可以認為是在高強混凝土基礎上的發(fā)展和提高，也可說是高強混凝土的進一步完善。由于近些年來，在高強混凝土的配制中，不僅加入了超塑化劑，往往也摻人了一些活性磨細礦物摻合料，與高性能混凝土的組分材料相似一、高強混凝土定義n美國教授P.K.Mehta早在1990年就提出：“把高強混凝土假定為

16、高性能混凝土，嚴格地說，這種假定是錯誤的?！眓吳中偉院士也在1996年提出：“有人認為混凝土高強度必然是高耐久性，這是不全面的，因為高強混凝土會帶來一些不利于耐久性的因素高性能混凝土還應包括中等強度混凝土，如C30混凝土?！?999年又提出：“單純的高強度不一定具有高性能。如果強調高性能混凝土必須在C50以上，大量處于嚴酷環(huán)境中的海工、水工建筑對混凝土強度要求并不高(C30左右)，但對耐久性要求卻很高，而高性能混凝土恰能滿足此要求。n美國學者Virendra K.Varma最近也撰文認為，應該把高性能混凝土與高強混凝土有所區(qū)分。二、混凝土高強化技術途徑o必須選用超細礦粉摻合料與高效減水劑o為保

17、證混凝土施工的流動性，還必須要控制塌落度損失o技術路線 P260圖3-7-1-1.三、高強混凝土的組成材料1. 膠凝材料 （1）一般水泥o一般采用525號或更高標號的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，要求水泥具有較高的C3S含量和細度，C3A含量應盡可能低。 （2）特種水泥n調粒水泥（級配水泥）o將水泥組成中的粒度分布進行調整，提高膠凝材料的填充率；并摻入部分粒徑較大的水泥粗粉和超細礦粉，以獲得最密實的填充，流動性也好。n球狀水泥（P262圖3-7-2-1)o普通水泥碎石狀，表面粗糙，表面有許多粉塵凝聚，顆粒間的填充率低，因此達到一定的和易性時需水量大，孔隙率也大。o球狀水泥：粒子呈圓形，粉塵分散固定在粒子表面，沒有凝聚狀態(tài)的微粉。o工藝：高速氣流粉碎及特殊處理。三、高強混凝土的組成材料（3）超細礦粉摻合料o特種水泥由于產(chǎn)量低，通常滿足不了實際生產(chǎn)的需要，因此目前還是常用硅酸鹽水泥及普通硅酸鹽水泥，同時摻入超細的礦料，如硅粉、粉煤灰、沸石粉及磨細礦渣。o超細礦粉摻合料的作用滾球潤滑作用，改善和易性；填充作用，改善水泥的級配，使得混凝土密實膠凝材料及火山灰作用 礦物摻合料