高性能混凝土发展及若干关键技术问题.ppt

1、高性能混凝土 若干关键技术问题,元成方 博士后 E-mail: ,Zhengzhou University,报告人简介,元成方，博士后，硕士生导师，郑州大学土木工程学院任教。主要从事混凝土材料及结构耐久性、混凝土结构检测评定技术研究。参与国家级科研项目3项，省部级科研项目2项，企业科研项目3项，发表学术论文20余篇，获省级科技进步二等奖1项，企业奖1项。,提 纲,高性能混凝土的定义,高性能混凝土的定义,力学性能,耐久性,工作性,体积稳定性,混凝土强度和受力变形性能的总称。,混凝土在所处工作环境下，长期抵抗内、外部劣化因素的作用，仍能维持其应有结构性能的能力。,混凝土适宜于施工操作、满足施工要求

2、的性能的总称。,混凝土初凝后，能抵抗收缩或膨胀而保持原有体积的性能。,高性能混凝土的定义,高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。 吴中伟 院士,高性能混凝土的定义,高性能混凝土原材料,高性能混凝土原材料,宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混合材宜为矿渣或粉煤灰。有耐硫酸盐侵蚀要求的混凝土也可选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥或高抗硫酸盐硅酸盐水泥。不宜使用早强水泥，一般情况下不得采用立窑水泥。,水 泥,高性能混凝

3、土原材料,注：1 当骨料具有碱硅酸反应活性时，水泥的碱含量不应超过0.60%。 2 C40及以上混凝土用水泥的碱含量不宜超过0.60%。,水泥技术要求,高性能混凝土原材料,粉煤灰技术要求,粉煤灰,高性能混凝土原材料,矿渣技术要求,矿渣,高性能混凝土原材料,硅灰技术要求,硅灰,高性能混凝土原材料,外加剂应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品。外加剂与水泥之间应有良好的相容性。外加剂须经质检部门检验、鉴定。,外加剂,高性能混凝土原材料,混凝土外加剂技术指标,高性能混凝土原材料,混凝土外加剂技术指标,高性能混凝土原材料,砂,砂子应选择质地坚硬、级配良好的中、粗

4、河砂或人工砂。不宜使用山砂，不得使用海砂。,高性能混凝土原材料,混凝土用砂技术指标,高性能混凝土原材料,石,粗骨料应选择级配良好、质地坚硬的碎石或碎卵石。骨料最大粒径不宜大于25mm，宜采用1525mm和515mm两级粗骨料配合。粗骨料为碎石时，碎石的强度用岩石抗压强度表示，且岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5。,高性能混凝土原材料,混凝土用石技术指标,高性能混凝土原材料,混凝土用石技术指标,高性能混凝土原材料,拌合水,高性能混凝土的拌合和养护用水为饮用水，质量符合现行行业标准。严禁采用海水。,高性能混凝土原材料,低水胶比,低水胶比对高性能混凝土很重要，依靠高效减水剂和优质矿物细粉

5、掺合料实现混凝土的低水胶比。,控制胶凝材料用量,胶凝材料过多，不仅增加成本，混凝土的体积稳定性也差，同时，对获得高强度意义不大。应该通过合理调整粗细骨料用量及砂率控制空隙率，实现较低水胶比下的良好和易性。,高性能混凝土原材料,掺加优质化学外加剂,混凝土中应该掺加一定量的引气剂，使混凝土的含气量在3-4%。尽可能使用聚羧酸高性能减水剂，以提高工作性，减少收缩。,掺加矿物掺合料,混凝土中应选择性掺加粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料，采用单掺或复掺的方法部分取代水泥，用以改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。,高性能混凝土原材料,减水剂的作用,减少混凝土用水量，降低水泥基材料硬化浆体的孔隙率，改善

6、孔隙结构，提高界面强度，使得混凝土力学性能和耐久性均有所提高。此外，减水剂还可改善混凝土的工作性能。,高性能混凝土原材料,减水剂的种类,（1）掺量小（0.15%0.3%），减水率高（25%45%）； （2）混凝土工作性好，坍落度损失小； （3）混凝土收缩小，抑制收缩裂缝的产生； （4）无污染环保产品。,高性能混凝土原材料,引气剂的作用,（1）显著提高混凝土的抗冻性，减缓硫酸盐腐蚀和碱-骨料反应产生的膨胀应力。 （2）有轻微减水作用，减少混凝土表面泌水。 （3）改善混凝土的均质性和流动性，显著提高可泵性。,高性能混凝土原材料,引气剂掺量为 0.02的混凝土在 125 次冻融循环后相对动弹性模量下

7、降速率呈现明显加速的趋势；引气剂掺量为 0.025的混凝土在 150 次冻融循环后形成其下降速率加速的趋势；而引气剂掺量为 0.03的混凝土在 175 次冻融循环后才呈现此趋势。含气量对混凝土冻融循环后相对动弹性模量影响很大，因此对抗冻性有要求的建筑，掺入适量的引气剂是很必要的。,高性能混凝土原材料,引气剂掺量0.02%试件的抗压强度下降很快，50次冻融循环后，抗压强度下降了9；100次冻融循环后，抗压强度下降了22；而150次冻融循环后，抗压强度下降率超过了50。含气量较大的两组，300次冻融循环后，抗压强度分别下降了34.27和27.68。,高性能混凝土原材料,掺加引气剂,未掺引气剂,经历

8、相同的冻融循环后，未掺加引气剂的混凝土试件表面胶凝材料的流失，坑蚀孔洞明显，表面骨料外露。掺加适量引气剂的混凝土试件，其表面仅出现许多小的坑蚀。,高性能混凝土原材料,粉煤灰中含有大量空心或实心的玻璃珠、形状不规则的颗粒以及多孔的粗粒，其形态特征是：粒形圆整、表面光滑、粒度较细、质地致密。这些形态上的特点促使水泥浆体的需水量降低；比水泥熟料粒度更细的、级配连续的粉煤灰微粒均匀地分布在浆体中，会增强保水性和匀质性，改善了浆体的初始结构；玻璃球体减小水泥颗粒之间的摩擦阻力，改善混凝土的和易性。,高性能混凝土原材料,矿物掺合料的效应 2,矿物掺合料中，存在着一定数量的活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分

9、。这些活性组分与水泥熟料水化时放出的氢氧化钙的反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物，该反应过程为二次水化过程。二次水化过程中，粉煤灰颗粒与水泥水化产物之间的联接不断加强，对促进水泥基材料强度增长，尤其是抗拉强度的增长，起了重要作用。,高性能混凝土原材料,矿物掺合料的效应 3,微集料效应可以分为微集料颗料强度对水泥基材料强度的影响和微集颗粒粒径对水泥基材料强度的影响。粉煤灰微粒本身强度是高的，美国明尼苏达州大学测得厚壁的空心微珠抗压强度在7031kg/cm2以上。粒度30m以下的粉煤灰颗粒在水泥石中可以起相当于未水化水泥熟料微粒的作用。 微集料效应增强了水泥基材料的强度。,高

10、性能混凝土原材料,混凝土抗渗性提高,混凝土的毛细孔隙率和总孔隙率有所减小,氯离子、硫酸根离子、二氧化碳等物质的扩散速度下降,延缓了钢筋的锈蚀和混凝土开裂,延长了混凝土结构的使用寿命！,掺加适量的矿物掺合料,高性能混凝土原材料,高性能混凝土配合比设计,高性能混凝土配合比设计参数,耐久性要求低水胶比，为了保证高流动性就要用较大的浆集比和砂率。而粗集料用量减小时，强度会有所提高，但却会影响混凝土的弹性模量，增加干缩和徐变。 配合比设计的任务就是正确地选择原材料和配合比参数，使其中的矛盾得到统一，得到经济、合理的混凝土拌和物。,高性能混凝土配合比设计,水胶比,低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一。为保

11、证混凝土具有足够的抗渗性和耐久性，无论设计强度是多少，配制高性能混凝土的水胶比一般都不大于0.40。,水胶比的选择,高性能混凝土配合比设计,浆集比,水泥浆和集料的比例为浆集比。美国Mehta和Aitcin认为，采用适宜的集料时，固定浆集体积比35：65可以很好地解决强度、工作性和尺寸稳定性(弹性模量、干缩和徐变)之间的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。 根据经验，高性能混凝土中胶凝材料总用量不能低于300kg/m3，不应超过550kg/m3。水泥用量应尽量减少，而以干缩小的矿物细掺料部分取代之，以减少混凝土的温升和干缩，提高抗化学侵蚀的能力，增加密实度，降低造价。 根据国内外有关研究报告和工程实

12、践资料，建议配制C50C70的高性能混凝土，可单独掺加15%30%的优质粉煤灰或20%50%矿渣代替水泥；配制C80以上的混凝土，可用5%10%的硅灰和15%35%的优质粉煤灰或矿渣混合掺入。,高性能混凝土配合比设计,砂率,砂率的选择,在水泥浆量一定的情况下，砂率在混凝土中主要影响工作性。砂率不宜超过0.46，超过此值后，混凝土坍落度损失较多。石子级配越差，则要求的砂率越大，越要求使用粗的砂。掺入密度小的辅助胶凝材料时，可减小砂率。,高性能混凝土配合比设计,减水剂用量,高性能混凝土的高强度、高耐久性是以低水胶比和低用水量为保证的，高效减水剂是实现大流动性的唯一途径。高效减水剂的掺量要根据混凝土

13、坍落度来确定。一般情况下，用量越大，坍落度增加越高，但超过一定量后效果不再显著，也不经济。高效减水剂均有其最佳掺量，大多数在1%2%之间，以此为参照可以确定高效减水剂掺量。,高性能混凝土配合比设计,（1）确定混凝土的配制强度,（2）估计拌合水量,不同强度等级的高性能混凝土最大用水量,高性能混凝土配合比设计,（3）计算浆体体积组成,固定浆体和集料的体积比为35:65，可以很好地解决强度、工作性和体积稳定性之间的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。 用浆体0.35m3，减去上一步估计用水量和0.02m3的含气量，按矿物掺合料的掺量计算浆体中各组分的体积含量。,0.35m3浆体中各组分体积含量,高性能混

14、凝土配合比设计,（4）估计集料用量,集料的总体积为0.65m3，粗细集料的体积比可以由下表查出。,粗细集料的体积比,高性能混凝土配合比设计,（5）估算混凝土中各材料的用量,常用原材料的密度为：硅酸盐水泥3.14g/cm3，粉煤灰和磨细矿渣2.5g/cm3，天然砂2.65g/cm3，普通砾石或碎石2.7g/cm3。根据材料所占体积，计算材料用量。,（6）试配和调整,该方法用到很多假设，因此必须用现场使用的原材料经多次试配，逐渐调整。,高性能混凝土配合比设计,参考Mehta和Aitcin推荐的高性能混凝土配合比设计方法，中国建筑材料科学研究院和清华大学分别配制了矿渣硅灰高性能混凝土和粉煤灰高性能混

15、凝土：,试配强度按fcu.p=fcu+1.645计算，取值根据统计资料确定。无统计资料时，C50、C60混凝土试配强度不低于强度等级值的1.15倍，C70、C80混凝土试配强度不低于强度等级值的1.12倍。 混凝土水胶比应控制在0.380.25范围内，混凝土强度等级越高，水胶比越低。 混凝土砂率宜为28%34%，采用泵送工艺时，可为34%44%。 水泥用量不宜大于500kg/m3，胶凝材料总量不宜大于600kg/m3。 矿物掺合料等量取代水泥最大用量为：粉煤灰30%，磨细矿渣50%，硅灰10%，磨细天然沸石10%，复合掺合料50%。 化学外加剂的掺量应使混凝土达到规定水胶比和工作度，且最高掺量

16、时，不应对混凝土性能产生不利影响。,高性能混凝土配合比设计,为了获得高质量的混凝土，拌合物浇筑后必须在硬化初期阶段在适合的环境中进行养护。美国混凝土协会（ACI）将养护定义为：“水泥在水分与温度满足的条件下持续水化，水泥混凝土逐渐成熟和硬度发展的过程。”养护即为水泥（或胶凝材料）原始的水化提供适宜的温度和湿度环境，直到新鲜水泥浆中原始充水孔为水泥水化产物填充到所要求的程度为止。,混凝土养护,高性能混凝土配合比设计,自然养护,混凝土带模养护期间，应采取带模包裹、浇水、喷淋洒水等措施进行保湿、潮湿养护，保证模板接缝处不致失水干燥。混凝土去除表面覆盖物或拆模后，应对混凝土采用蓄水、浇水或覆盖洒水等措

17、施进行潮湿养护，也可在混凝土表面处于潮湿状态时，迅速采用麻布、草帘等材料将暴露面混凝土覆盖或包裹，再用塑料布或帆布等将麻布、草帘等保湿材料包覆。,高性能混凝土配合比设计,蒸汽养护,蒸气养护又称湿热养护，是指在湿热介质作用下，引起混凝土一系列物理、化学、力学的变化，从而加速混凝土内部结构的形成，获得早强快硬的效果。常压湿热养护时，介质温度不超过100，相对湿度不低于90%。,高性能混凝土配合比设计,高性能混凝土工程应用,国道主干线哈尔滨绕城高速东北段松花江大桥位于哈尔滨市东北部距市区5公里处的松花江主河道内，为新建公路桥梁。大桥全长2324.92m，其中主桥长595m，引桥长1729.92m。主

18、桥采用大跨度预应力混凝土连续箱梁结构，引桥采用预应力混凝土简支T梁结构。 松花江大桥地处东北高纬度地区，冬季漫长严寒，大桥所处地区的年平均气温为7.8，月平均最高气温（8月）为28.2，月平均最低气温（1月）为-16.8，年冰冻期约120天，年降雪时间最长可达2个月。,工程概况,高性能混凝土工程应用,高性能混凝土工程应用,原材料及混凝土配合比,水泥采用宾州水泥厂P.O 42.5水泥；掺和料采用哈三电级粉煤灰；细骨料为中砂，细度模数Mx=2.62；粗骨料为粒径520mm连续级配；外加剂采用JFL-5型高效减水剂。,桥梁高性能混凝土配合比设计,高性能混凝土工程应用,混凝土力学及耐久性能测试结果,混

19、凝土抗压强度,混凝土立方体试块抗压强度,混凝土构件强度回弹法测试结果/ MPa,高性能混凝土工程应用,混凝土碳化性能,试验结果表明，混凝土碳化深度值极小，且变化规律不明显，龄期为56天时，引桥梁混凝土碳化深度仅为1.03mm，而主桥梁混凝土碳化深度仅为0.6mm。因此，碳化作用对桥梁影响极小。,高性能混凝土工程应用,混凝土抗冻性,采用快冻法对大桥高性能混凝土试件进行了抗冻性试验。试验结果表明，高性能混凝土冻融循环次数大于300次，满足规范要求。,混凝土快速冻融试验,高性能混凝土工程应用,混凝土氯离子扩散,通过室内模拟试验，对大桥梁混凝土进行了不同冻融损伤下的氯离子侵蚀规律研究,试验结果表明混凝

20、土抗氯离子渗透性良好。,高性能混凝土工程应用,混凝土电镜扫描,高性能混凝土工程应用,青岛胶州湾海底隧道为城市快速道路隧道，是我国的第二条跨海隧道，北起团岛，穿越胶州湾湾口海域，在薛家岛出洞，青岛胶州湾海底隧道总长7870 m，其中海域段3950 m，陆域段2220 m，此外在团岛另有陆上接线隧道长约1700 m。隧道采用双洞外加服务隧道，矿山法施工，工期为34年，工程总投资30多亿元。根据专家评审和设计要求，胶州湾海底隧道使用寿命应在100年以上。针对指挥部的要求和海底隧道工程的特点，全面进行了二次衬砌混凝土配合比优化、物理力学性能和耐久性能的研究工作。,工程概况,高性能混凝土工程应用,高性能

21、混凝土工程应用,原材料,高性能混凝土工程应用,混凝土配合比及性能,高性能混凝土工程应用,二衬C50系列混凝土现场实验室结果表明：混凝土的初始坍落度均在190240mm间，混凝土90min后的坍落度在175210mm之间，满足施工工作性要求；混凝土3d强度在2537MPa之间，早期强度满足设计和施工要求；7d和28d强度发展正常，满足设计强度要求；28d混凝土氯离子扩散系数在2.47.610-13m2/s，满足设计要求。现场浇注衬砌混凝土工作性良好，浇注质量良好，混凝土强度、氯离子扩散系数、抗碳化能力、抗冻性能等基本满足设计要求。,高性能混凝土性能测试结果,高性能混凝土工程应用,高性能混凝土常见

22、问题及对策,混凝土收缩开裂,高性能混凝土具有水胶比较低、水泥用量较大以及砂率较高等特点，使得混凝土收缩较大，容易开裂。“收缩”简单地说，就是混凝土失水造成体积缩小的现象。严格地说，它是三维的变形,但通常以线性变形表示。通常所谓收缩，是指混凝土暴露在相对湿度小于100%的空气中产生“干燥收缩”的简称。然而由于环境的作用，混凝土还会产生许多其它种类的收缩变形。混凝土的收缩主要包括：化学减缩、干燥收缩、自收缩、温度收缩、塑性收缩和碳化收缩。上述各种收缩，它们彼此独立地发生或者同时出现。,高性能混凝土常见问题及对策,高性能混凝土常见问题及对策,水化速率快的水泥，如早强水泥、铝酸盐水泥等自收缩较大。硅酸

23、盐水泥的矿物组成中，C3A 和 C4AF 对自收缩的影响最大。用中热或低热硅酸盐水泥制备的混凝土的自收缩值比普通硅酸盐水泥混凝土低得多。另外，水泥的细度对自收缩值也有影响，较细的水泥在早期表现出较大的自收缩速度。,（1）使用高 C2S 和低 C3A 或 C4AF 的硅酸盐水泥,抑制混凝土收缩开裂的措施,高性能混凝土常见问题及对策,骨料因其弹性模量大于水泥浆体的弹性模量，故在混凝土中起限制变形的作用。一般情况下，高性能混凝土的自收缩均随骨料体积含量的增加而减小，并且同配比的混凝土其自收缩随骨料弹性模量的增加而减少。,（2）选用高弹性模量的骨料配制高性能混凝土,高性能混凝土常见问题及对策,（3）掺

24、加纤维,纤维能有效阻止混凝土塑性期裂缝的产生，由于纤维在混凝土内呈现三维空间网络结构，起到支撑集料的作用，在一定程度上阻止了粗、细集料的沉降；同时也降低了混凝土表面的析水现象，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成塑性期较大体积收缩，从而抑制塑性期混凝土表面出现裂缝。塑性状态的混凝土强度极低，纤维在塑性状态的混凝土中能承受由于干缩而产生的拉应力，减少并阻止塑性状态下混凝土内部裂缝的产生和发展。,高性能混凝土常见问题及对策,高性能混凝土常见问题及对策,高性能混凝土常见问题及对策,（4）掺加减缩剂、膨胀剂,减缩剂通过减小孔隙水的表面张力而降低在干燥过程中表面应力的产生，一定程度上降低了开裂面积和最大裂

25、宽，对于早期的塑性开裂具有显著的抑制作用。 在水分快速蒸发的条件下，膨胀剂的掺人使得开裂面积和最大裂宽均有所增加，不仅没有抑制作用，对于抵抗早期的塑性开裂反而具有不利影响。但是，如果能够适当延长标准养护时间，掺膨胀剂的砂浆的初裂时间较基准混凝土有所延长，抵抗干缩开裂的能力明显增强。,高性能混凝土常见问题及对策,（5）选取合适的矿物掺合料,高性能混凝土常见问题及对策,（6）加强混凝土的早期养护,及时采取养护措施可有效地减小高性能混凝土的早期收缩，为获得良好的减缩效果，养护宜从混凝土初凝甚至浇筑后就开始。随着起始养护龄期的推迟，养护的“减缩效果”下降，在初凝后h8再开始养护已经收效甚微。随着水灰比

26、的减小，混凝土的早期收缩增加，其中温度变形和自收缩的比重增大，养护的减缩作用也有所减弱，因此对起始养护龄期的要求也更高。低水灰比条件下，混凝土的早期收缩不能通过养护完全消除。无论是采用何种养护来控制混凝土的早期收缩，都应保证足够的养护的时间。,高性能混凝土常见问题及对策,高效减水剂与水泥的相容性,外加剂的发展异常迅速，特别是高效减水剂的需求量越来越大而且对建筑业的发展起到了极大的推动。但随着使用的普及，一些问题的相应出现，比如水胶比较低时，尽管所用水泥和高效减水剂的质量都符合国家标准，但配制的拌合物并不理想：混凝土在搅拌过程中即出现异常凝结；新拌混凝土坍落度经时损失率高；混凝土泌水、分层离析现

27、象严重；混凝土强度增长缓慢，甚至下降；混凝土收缩开裂加剧。这些现象说明水泥与高效减水剂有一个互相匹配的问题，即相容性问题。,（1）相容性问题的提出,高性能混凝土常见问题及对策,（2）相容性评价指标,全面表征水泥与减水剂相容性应包括以下指标： 减水剂的饱和掺量； 减水剂推荐掺量下的净浆初始流动度； 减水剂推荐掺量下的净浆 60min(30min) 经时流动度； 一定减水剂掺量下净浆的保水性。 水泥与减水剂相容性良好应包括以下特点: 饱和掺量点明确； 饱和掺量不高； 初始流动度较大； 经时流动度损失较小； 一定减水剂掺量时净浆没有明显泌水。 上述任何一个方面存在问题，均视为水泥与减水剂相容性不好。

28、,高性能混凝土常见问题及对策,（3）减水剂适应性测试方法,Marsh 筒法,将水泥、水与减水剂在水泥净浆搅拌机内搅拌均匀后，倒入 Marsh 筒内，下部用一小块玻璃板控制浆体的流动(从搅拌至装样大约需要 5min) ，快速抽玻璃板的同时用秒表计时，等到浆体到达 200ml容量瓶的刻度线时记录所用时间，该时间称为浆体的 5minMarsh 时间。然后将浆体放入烧杯静置，用玻璃板覆盖防止水分散失，60min 后观察泌水情况，而后搅拌均匀，测其 Marsh 时间，该时间称为 60minMarsh 时间。,高性能混凝土常见问题及对策,按照 GB/T 8077-2000混凝土外加剂匀质性试验方法的规定，

29、用小坍落度筒( 截锥体上口尺寸为36mm，高 60mm) 实验方法进行水泥浆体流动度测定。样品用水泥 300g，水灰比为0.29，减水剂掺量均以固体含量计(0.8%) ，每组浆体的流动度测量取 2个测点，分别为拌和均匀后 5 和 60min。,微型坍落度仪法,高性能混凝土常见问题及对策,目前，评价水泥与减水剂相容性通常采用水泥净浆流动度法，但实践表明，水泥净浆的流变性能不能完全代表混凝土的流变性能，这主要是由于分散相为水的水泥浆体系与分散相为砂浆的混凝土体系中的粒径差别太大所致。因此可以选择分散相为水泥浆的砂浆体系为对象来评价水泥与减水剂相容性，确定混凝土减水剂的饱和掺量及最佳掺量。 具体试验方法为：掺减水剂的砂浆先干拌 30s，加拌和水，搅拌 3min。一次性将搅拌后的砂浆装入试模，刮平后，将试模提起。扩展度值取砂浆纵向及横向直径的平均值。,胶砂扩展度法,高性能混凝土常见问题及对策,（4）