第三篇第七章高性能与高强混凝土

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1、第七章第七章 高性能与高强混凝土高性能与高强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 高强混凝土高强混凝土第一部分第一部分 高性能混凝土高性能混凝土一、高性能混凝土定义及发展1.定义定义n 1990年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土协会(ACI)首先提出高性能混凝土这个名词。n高性能混凝土是同时具有某些性能的均质混凝土，必须采用严格的施工工艺与优质原材料，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高，并具有韧性和体积稳定性的混凝土；特别适合于高层建筑、桥梁以及暴露在严格环境下的建筑物。一、高性能混凝土定义及发展高性能混凝土在配置上的特点:o低水胶

2、比;o优质原材料;o掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。一、高性能混凝土定义及发展o美国战略公路研究项目(SHRP)的定义:W/C不大于0.35;300次冻融循环后相对动弹模量80%;浇注4h后强度达21MPa;24h不小于34MPa;28d不小于67MPa;强调混凝土的早强性能和高耐久性。o日本多数学者和工业界强调HPC是高强、超高强与高流态混凝土,认为高性能首先必须具有高强度。一、高性能混凝土定义及发展o冯乃谦教授对HPC的定义为:W/C不大于0.38,体积稳定性好的混凝土,其组成材料中必须含有高效减水剂和矿物质超细粉,混凝土56d的ASTMC1202,6h总导电量小于1000C,冻害地

3、区冻融300次相对动弹模量不小于80%,抗压强度不小于60MPa,并具有满足施工要求的流动性和坍落度损失。一、高性能混凝土定义及发展o吴中伟院士谈吴中伟院士谈HPCo与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力,但不一定具有高强度,中、低强度亦可；高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物应具有较高的流动性,混凝土在成型过程中不分层、不离析;易充满模型;泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能；高性能混凝土的使用寿命长，对于一些特护工程的特殊部位，控制结构设计的不是混凝土的强度，而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地工作50100年以上

4、，是高性能混凝土应用的主要目的；高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。一、高性能混凝土定义及发展o高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土,能最大限度地延长混凝土结构的使用年限,降低工程造价。高性能混凝土的核心是高的耐久性。o提高耐久性需解决的问题：为满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的25%-40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足。其次，水泥石中的水化物

5、稳定性不足。波特兰水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在水化物中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低，稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。一、高性能混凝土定义及发展2.HPC的发展及应用的发展及应用o20世纪90年代,美国、加拿大、日本、挪威、德国、澳大利亚等,成为应用高强高性能混凝土最多的国家；o德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级,强度等级为当今世界之最；o挪威为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范,已有 C105 级超高强混凝土结构设计

6、规范。一、高性能混凝土定义及发展o1993年美国联邦公路管理局发起了在全国公路桥梁建设中推广应用 HPC的计划；o 芝加哥311大厦采用了C95的HPC；o 西雅图的双联大厦的混凝土强度等级为C130。一、高性能混凝土定义及发展o20世纪70年代起我国开始发展高强与高流动混凝土；o1980年采用的高坍落度高强混凝土建成红水河铁路斜拉桥的预应力混凝土箱梁；o1991年我国最早应用HPC建造广东国贸大厦,采用C60的粉煤灰泵送HPC。一、高性能混凝土定义及发展o西南交大用52.5号硅酸盐水泥掺入硅灰及高效减水剂制成了100.1MPa的超高强混凝土；o清华大学冯乃谦教授用中热52.5号硅酸盐水泥加硅

7、灰及高效减水剂FDN,并加入CFA(控制坍落度损失),制得28天强度92.4MPa、坍落度20cm、2h无坍落度损失的超高强流态混凝土;一、高性能混凝土定义及发展o湖南大学黄政宇教授通过掺硅灰、高效减水剂和钢纤维并加热养护的技术途径配制了抗压强度高达200MPa的超高强钢纤维混凝土;o重庆大学蒲心诚教授用碱矿渣技术路线制成了28d抗压强度为117MPa的超高强混凝土,后又采用“普通52.5号水泥+超高效萘系减水剂+硅灰+低水灰比”的技术路线制得坍落度240mm以上,28d抗压强度100MPa以上的超高性能混凝土;目前,用类似的技术路线已经制得抗压强度150MPa以上的混凝土。一、高性能混凝土定

8、义及发展n重庆建筑大学蒲心诚教授用碱矿渣技术路线制成了28天抗压强度为117MPa的超高强混凝土,后又采用“普通525号水泥+超高效萘系减水剂+硅灰+低水灰比”的技术路线制得坍落度240mm以上,28天抗压强度100MPa以上的超高性能混凝土,目前,用类似的技术路线已经制得抗压强度150MPa以上的混凝土。二、HPC的性能及特点 1.HPC耐久性o混凝土的耐久性破坏主要有:混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、碱-骨料反应、冻融破坏。o对于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC可以保证重要建筑在不利环境中使用100年，在正常环境使用200年，在特殊环境使用300年，而混凝土建筑的使用寿命可以预期达到

9、500年。二、HPC的性能及特点2.HPC工作性o坍落度是评价混凝土工作性的主要指标,反映混凝土拌和物在重力作用下的流动和变形能力。oHPC的坍落度控制功能好。o由于加入了减水剂和矿物质超细粉,在与普通混凝土在坍落度相同的情况下,粘度较大,使其在泵送中需施加更大的压力。HPC粘性大,粗骨料下沉速度慢,在相同振动时间内,下沉距离短,稳定性和均匀性好。其水泥浆的粘性大,很少产生离析的现象。o由于HPC的水灰比低,自由水少,且掺入超细粉,基本上无泌水。二、HPC的性能及特点3.HPC力学性能o混凝土的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、疲劳强度、粘结强度。oHPC对力学性能的要求不仅体现在高强度上,

10、还体现在高强度质量上,即要求强度的分散性小,后期的强度增长稳定。二、HPC的性能及特点4.HPC体积稳定性o混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理、化学作用下产生变形的能力。混凝土的体积变形包括收缩变形、弹性变形、徐变变形和温度变形。oHPC的干缩随着水灰比的减小而减小,混凝土在使用过程中会发生徐变,HPC的徐变较普通混凝土明显减低,并随强度的提高,最终单位徐变减小。二、HPC的性能及特点5.HPC经济性 oHPC较高的强度、良好的耐久性和工艺性都使其具有良好的经济性。HPC良好的耐久性可以减少结构的维修费用,延长结构的使用寿命,收到良好的经济效益；HPC的高强度可以减少构件尺寸,减小自重,增

11、加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人强度,加快施工速度,减少成本。三、提高混凝土耐久性的技术途径 1.掺入高性能减水剂o保证混凝土拌和物所需流动性的同时，降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙,特别是毛细管孔隙率大幅度降低。2.掺入高效活性矿物掺料 o改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矽灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO2 及活性Al2O3,它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生二次反应,生成强度更高,稳定性更优的低碱性水化硅酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离石灰的目的。o可以调整水泥级配，使更密实四、高性能混凝土的用途o钢筋密集、

12、混凝土浇筑困难受力复杂或承担内力较大的构件,配筋很密,混凝土浇筑非常困难,通过采用高流态的高性能混凝土,能保证顺利施工和工程质量。o高等级混凝土结构路面要求较高的耐磨性能,通过配合比优化设计,可以得到耐磨性能较好的高性能混凝土,提高混凝土路面的抗磨损性能。四、高性能混凝土的用途o耐久性要求较高,具有优良耐久性能的高性能混凝土,用于建造码头、船坞、防波堤、采油平台等港口和海洋工程,可大大提高工程结构的耐腐蚀能力和抵抗海浪冲刷的能力。o提高承载力。随着建筑结构高度的增加,底层受压构件的压力迅速增大,如采用传统混凝土,则构件截面尺寸增大,影响底层的空间要求和使用功能。采用高性能混凝土,在保证构件承载

13、力的基础上能有效减小截面尺寸,满足高层和超高层建筑的需求。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。对超高层建筑结构,泵送高度大,对混凝土的工作性要求较高。采用工作性能优异的高性能混凝土,可使混凝土的一次泵送高度达到300m以上,从而大大降低施工难度。五、HPC存在的问题 1.混凝土流动性损失问题控制o混凝土流动性损失问题主要是由高效减水剂与水泥之间的相容性不好造成。o解决的办法物理途径：包括减水剂的后掺法、多次添加法、矿物载体缓慢释放方法等,但在工程应用过程中不太方便,影响混凝土的质量;化学途径：减水剂与缓凝剂相复合，应用较多。在一定程度上可以减缓混凝土流动性损失,

14、防止混凝土凝结过快,但也可能造成混凝土过度缓凝,影响水泥水化等问题。五、HPC存在的问题2.混凝土早期裂缝问题 有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂纹产生的主要途径包括：o降低混凝土的单方用水量；o增加矿物超细粉用量,减小水泥胶凝材料用量;o混凝土中引入微小气孔,减小混凝土总收缩值；o混凝土中掺入纤维,避免连通毛细孔的形成；o加强混凝土的早期湿养护。第二部分 高强混凝土一、高强混凝土定义o一般认为，强度等级不低于C60的混凝土即为高强混凝土。通常还将强度大于C60的混凝土称为超高强混凝土。一、高强混凝土定义o高性能混凝土与高强混凝土的差别：o高强混凝土仅仅是以强度的大小来表征或确定其何谓普通混

15、凝土、高强混凝土与超高强混凝土，而且其强度指标随着混凝土技术的进步而不断有所变化和提高。而高性能混凝土则由于其技术物性的多元化，诸如良好的工作性(施工性)，体积稳定性、耐久性、物理力学性能等等而难以用定量的性能指标给该混凝土一个定义。o高性能混凝土可以认为是在高强混凝土基础上的发展和提高，也可说是高强混凝土的进一步完善。由于近些年来，在高强混凝土的配制中，不仅加入了超塑化剂，往往也掺人了一些活性磨细矿物掺合料，与高性能混凝土的组分材料相似一、高强混凝土定义n美国教授早在1990年就提出：“把高强混凝土假定为高性能混凝土，严格地说，这种假定是错误的。”n吴中伟院士也在1996年提出：“有人认为混

16、凝土高强度必然是高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来一些不利于耐久性的因素高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：“单纯的高强度不一定具有高性能。如果强调高性能混凝土必须在C50以上，大量处于严酷环境中的海工、水工建筑对混凝土强度要求并不高(C30左右)，但对耐久性要求却很高，而高性能混凝土恰能满足此要求。n美国学者Virendra K.Varma最近也撰文认为，应该把高性能混凝土与高强混凝土有所区分。二、混凝土高强化技术途径o必须选用超细矿粉掺合料与高效减水剂o为保证混凝土施工的流动性，还必须要控制塌落度损失o技术路线 P260图3-7-1-1.三、高

17、强混凝土的组成材料1.胶凝材料 （1）一般水泥o一般采用525号或更高标号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，要求水泥具有较高的C3S含量和细度，C3A含量应尽可能低。（2）特种水泥n调粒水泥（级配水泥）o将水泥组成中的粒度分布进行调整，提高胶凝材料的填充率；并掺入部分粒径较大的水泥粗粉和超细矿粉，以获得最密实的填充，流动性也好。n球状水泥（P262图3-7-2-1)o普通水泥碎石状，表面粗糙，表面有许多粉尘凝聚，颗粒间的填充率低，因此达到一定的和易性时需水量大，孔隙率也大。o球状水泥：粒子呈圆形，粉尘分散固定在粒子表面，没有凝聚状态的微粉。o工艺：高速气流粉碎及特殊处理。三、高强混凝土的组成材料（

18、3）超细矿粉掺合料o特种水泥由于产量低，通常满足不了实际生产的需要，因此目前还是常用硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥，同时掺入超细的矿料，如硅粉、粉煤灰、沸石粉及磨细矿渣。o超细矿粉掺合料的作用滚球润滑作用，改善和易性；填充作用，改善水泥的级配，使得混凝土密实胶凝材料及火山灰作用 矿物掺合料本身可以水化生成胶凝物质；能与水化产物氢氧化钙发生反应，改善水化物组成与过渡区微观结构。三、高强混凝土的组成材料2.高效减水剂o传统的萘系、三聚氰胺系，新型的多羧酸系、氨基磺酸盐系，溶于碱不溶于水的有机共聚物、接枝共聚物等。3.优质的骨料o所用材料对强度的影响很大；因混凝土强度往往大于骨料强度。o粗细骨料的技术指标与普通的混凝土类似，但是更严格，如对于粗骨料的抗压强度和压碎值要求更高。三、高强混凝土的组成材料o注：高强混凝土的组成材料其实也适用于高性能混凝土。o更多高性能混凝土的知识可以参阅清华大学冯乃谦的讲座高性能与超高性能混凝土的发展与应用。