第三篇第七章 高性能與高強(qiáng)混凝土

1、第七章第七章 高性能與高強(qiáng)混凝土高性能與高強(qiáng)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(qiáng)混凝土高強(qiáng)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)首先提出高性能混凝土這個(gè)名詞。n高性能混凝土是同時(shí)具有某些性能的均質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝與優(yōu)質(zhì)原材料，配制成便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強(qiáng)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(yán)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(diǎn):o 低

2、水膠比;o 優(yōu)質(zhì)原材料;o 摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o 美國(guó)戰(zhàn)略公路研究項(xiàng)目(SHRP)的定義: W/C不大于0.35; 300次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模量80%; 澆注4h后強(qiáng)度達(dá)21MPa; 24h不小于34MPa; 28d不小于67MPa; 強(qiáng)調(diào)混凝土的早強(qiáng)性能和高耐久性。o日本多數(shù)學(xué)者和工業(yè)界強(qiáng)調(diào)HPC是高強(qiáng)、超高強(qiáng)與高流態(tài)混凝土,認(rèn)為高性能首先必須具有高強(qiáng)度。 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o 馮乃謙教授對(duì)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(zhì)超細(xì)粉,混凝土56d的ASTMC1202,6h

3、總導(dǎo)電量小于1000C,凍害地區(qū)凍融300次相對(duì)動(dòng)彈模量不小于80%,抗壓強(qiáng)度不小于60MPa,并具有滿足施工要求的流動(dòng)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(dú)特的性能： 高性能混凝土具有一定的強(qiáng)度和高抗?jié)B能力,但不一定具有高強(qiáng)度,中、低強(qiáng)度亦可； 高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物應(yīng)具有較高的流動(dòng)性,混凝土在成型過(guò)程中不分層、不離析;易充滿模型;泵送混凝土、自密實(shí)混凝土還具有良好的可泵性、自密實(shí)性能； 高性能混凝土的使用壽命長(zhǎng)，對(duì)于一些特護(hù)工程的特殊部位，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不是混凝土的強(qiáng)度，而是耐久性。能夠使混

4、凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50100年以上，是高性能混凝土應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土,能最大限度地延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限,降低工程造價(jià)。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(wèn)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(dǎo)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(xì)孔占相當(dāng)大部分，毛細(xì)孔是水分、各種侵蝕介質(zhì)、氧氣、二氧化碳及其它有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，引起混凝

5、土耐久性的不足。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(qiáng)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(yīng)用的發(fā)展及應(yīng)用o 20世紀(jì)90年代, 美國(guó)、加拿大、日本、挪威、德國(guó)、澳大利亞等,成為應(yīng)用高強(qiáng)高性能混凝土最多的國(guó)家；o 德國(guó)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已達(dá)C110級(jí),強(qiáng)度等級(jí)為當(dāng)今世界之最； o 挪威為目前世界上強(qiáng)度等級(jí)第二高的混凝土結(jié)

6、構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,已有 C105 級(jí)超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o 1993年美國(guó)聯(lián)邦公路管理局發(fā)起了在全國(guó)公路橋梁建設(shè)中推廣應(yīng)用 HPC的計(jì)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(qiáng)度等級(jí)為C130 。一、高性能混凝土定義及發(fā)展o 20世紀(jì)70年代起我國(guó)開始發(fā)展高強(qiáng)與高流動(dòng)混凝土；o 1980年采用的高坍落度高強(qiáng)混凝土建成紅水河鐵路斜拉橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁 ；o 1991年我國(guó)最早應(yīng)用HPC建造廣東國(guó)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(hào)硅酸鹽水泥摻入硅灰及高效減水劑制成了100.1MP

7、a的超高強(qiáng)混凝土；o 清華大學(xué)馮乃謙教授用中熱52.5號(hào)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(qiáng)度92.4MPa、坍落度20cm、2h無(wú)坍落度損失的超高強(qiáng)流態(tài)混凝土; 一、高性能混凝土定義及發(fā)展o 湖南大學(xué)黃政宇教授通過(guò)摻硅灰、高效減水劑和鋼纖維并加熱養(yǎng)護(hù)的技術(shù)途徑配制了抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa的超高強(qiáng)鋼纖維混凝土;o 重慶大學(xué)蒲心誠(chéng)教授用堿礦渣技術(shù)路線制成了28d抗壓強(qiáng)度為117MPa的超高強(qiáng)混凝土,后又采用“普通52.5號(hào)水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術(shù)路線制得坍落度240mm以上,28d抗壓強(qiáng)度100MPa以上的超高性能混凝土;目前

8、,用類似的技術(shù)路線已經(jīng)制得抗壓強(qiáng)度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(xué)蒲心誠(chéng)教授用堿礦渣技術(shù)路線制成了28天抗壓強(qiáng)度為117MPa的超高強(qiáng)混凝土,后又采用“普通525號(hào)水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術(shù)路線制得坍落度240mm以上,28天抗壓強(qiáng)度100MPa以上的超高性能混凝土,目前,用類似的技術(shù)路線已經(jīng)制得抗壓強(qiáng)度150MPa以上的混凝土。 二、 HPC的性能及特點(diǎn) 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(yīng)、凍融破壞。o 對(duì)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1

9、00年，在正常環(huán)境使用200年，在特殊環(huán)境使用300年，而混凝土建筑的使用壽命可以預(yù)期達(dá)到500年。二、 HPC的性能及特點(diǎn)2. HPC工作性o坍落度是評(píng)價(jià)混凝土工作性的主要指標(biāo),反映混凝土拌和物在重力作用下的流動(dòng)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(zhì)超細(xì)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(dòng)時(shí)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(xì)粉,基本上無(wú)泌水。二、 HPC的性能及特點(diǎn)3. HPC力學(xué)性能o 混凝土的

10、強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度。o HPC對(duì)力學(xué)性能的要求不僅體現(xiàn)在高強(qiáng)度上,還體現(xiàn)在高強(qiáng)度質(zhì)量上,即要求強(qiáng)度的分散性小,后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定。二、 HPC的性能及特點(diǎn)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(xué)作用下產(chǎn)生變形的能力?；炷恋捏w積變形包括收縮變形、彈性變形、徐變變形和溫度變形。o HPC的干縮隨著水灰比的減小而減小,混凝土在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生徐變,HPC的徐變較普通混凝土明顯減低,并隨強(qiáng)度的提高,最終單位徐變減小。二、 HPC的性能及特點(diǎn)5. HPC經(jīng)濟(jì)性 o HPC較高的強(qiáng)度、良好的耐久性和工藝性都使其具有良好的經(jīng)濟(jì)性。HPC良好的

11、耐久性可以減少結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命,收到良好的經(jīng)濟(jì)效益；HPC的高強(qiáng)度可以減少構(gòu)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(qiáng)度,加快施工速度,減少成本。三、提高混凝土耐久性的技術(shù)途徑 1.摻入高性能減水劑o保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，降低用水量,減小水灰比,使混凝土的總孔隙,特別是毛細(xì)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(zhì)的組成。活性礦物摻料(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(guò)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(yīng),生成強(qiáng)度更高,穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化硅酸鈣,

12、從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成,消除游離石灰的目的。o可以調(diào)整水泥級(jí)配，使更密實(shí)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(fù)雜或承擔(dān)內(nèi)力較大的構(gòu)件,配筋很密,混凝土澆筑非常困難,通過(guò)采用高流態(tài)的高性能混凝土,能保證順利施工和工程質(zhì)量。o 高等級(jí)混凝土結(jié)構(gòu)路面要求較高的耐磨性能,通過(guò)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì),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(tái)等港口和海洋工程,可大大提高工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高度的增加,底層受壓構(gòu)

13、件的壓力迅速增大,如采用傳統(tǒng)混凝土,則構(gòu)件截面尺寸增大,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(gòu)件承載力的基礎(chǔ)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(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu),泵送高度大,對(duì)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(dá)到300m以上,從而大大降低施工難度。五、 HPC存在的問(wèn)題 1.混凝土流動(dòng)性損失問(wèn)題控制o混凝土流動(dòng)性損失問(wèn)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

14、工程應(yīng)用過(guò)程中不太方便,影響混凝土的質(zhì)量;化學(xué)途徑：減水劑與緩凝劑相復(fù)合，應(yīng)用較多。在一定程度上可以減緩混凝土流動(dòng)性損失,防止混凝土凝結(jié)過(guò)快,但也可能造成混凝土過(guò)度緩凝,影響水泥水化等問(wèn)題。五、 HPC存在的問(wèn)題2.混凝土早期裂縫問(wèn)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(xì)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(xì)孔的形成；o加強(qiáng)混凝土的早期濕養(yǎng)護(hù)。 第二部分 高強(qiáng)混凝土一、高強(qiáng)混凝土定義o 一般認(rèn)為，強(qiáng)度等級(jí)不低于C60的混凝土即為高強(qiáng)混凝土。通常還將強(qiáng)度大于C60的混

15、凝土稱為超高強(qiáng)混凝土。一、高強(qiáng)混凝土定義o高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土的差別：o高強(qiáng)混凝土僅僅是以強(qiáng)度的大小來(lái)表征或確定其何謂普通混凝土、高強(qiáng)混凝土與超高強(qiáng)混凝土，而且其強(qiáng)度指標(biāo)隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步而不斷有所變化和提高。而高性能混凝土則由于其技術(shù)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(xué)性能等等而難以用定量的性能指標(biāo)給該混凝土一個(gè)定義。o高性能混凝土可以認(rèn)為是在高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高，也可說(shuō)是高強(qiáng)混凝土的進(jìn)一步完善。由于近些年來(lái)，在高強(qiáng)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(xì)礦物摻合料，與高性能混凝土的組分材料相似一、高強(qiáng)混凝土定義n美國(guó)教授P

16、.K.Mehta早在1990年就提出：“把高強(qiáng)混凝土假定為高性能混凝土，嚴(yán)格地說(shuō)，這種假定是錯(cuò)誤的。”n吳中偉院士也在1996年提出：“有人認(rèn)為混凝土高強(qiáng)度必然是高耐久性，這是不全面的，因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土?xí)?lái)一些不利于耐久性的因素高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30混凝土?！?999年又提出：“單純的高強(qiáng)度不一定具有高性能。如果強(qiáng)調(diào)高性能混凝土必須在C50以上，大量處于嚴(yán)酷環(huán)境中的海工、水工建筑對(duì)混凝土強(qiáng)度要求并不高(C30左右)，但對(duì)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(guó)學(xué)者Virendra K.Varma最近也撰文認(rèn)為，應(yīng)該把高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土有所區(qū)分。二、混凝

17、土高強(qiáng)化技術(shù)途徑o 必須選用超細(xì)礦粉摻合料與高效減水劑o 為保證混凝土施工的流動(dòng)性，還必須要控制塌落度損失o 技術(shù)路線 P260圖3-7-1-1.三、高強(qiáng)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(hào)或更高標(biāo)號(hào)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(xì)度，C3A含量應(yīng)盡可能低。 （2）特種水泥n調(diào)粒水泥（級(jí)配水泥）o將水泥組成中的粒度分布進(jìn)行調(diào)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(xì)礦粉，以獲得最密實(shí)的填充，流動(dòng)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(dá)到一定的和易性時(shí)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(qiáng)混凝土的組成材料（3）超細(xì)礦粉摻合料o特種水泥由于產(chǎn)量低，通常滿足不了實(shí)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(shí)摻入超細(xì)的礦料，如硅粉、粉煤灰、沸石粉及磨細(xì)礦渣。o超細(xì)礦粉摻合料的作用滾球潤(rùn)滑作用，改善和易性；填充作用，改善水泥的級(jí)配，使得混凝土密實(shí)膠凝材料及火山灰作用 礦物摻合料