2022年高性能混凝土研究报告与发展现状 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用高性能混凝土的研究与发展现状引言从 1824 年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100 多年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。从 20 世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。据统计，当今我国每年混凝土用量约109m3 ，并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。人类进入21 世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐

2、久性等性能，因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC是 20 世纪 80 年代末 90 年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100 年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性

3、、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。一、高性能混凝土产生的背景和研究现状一）背景当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求。处在恶 劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果。原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然 材 料 及 工 业 废 渣 保 护 环境 , 走 可 持 续 发 展 的 道 路 , 高 性 能 混 凝 土 就 是 在 这 种 背 景 下 出

4、现并逐步完善与发展的。混 凝土 作为用 量最大 的 人造 材 料 ，不 能不 考 虑 它的 使用 对生 态 环 境的 影 响 。传 统混凝土的原材料都来自天然资源。每用 1t 水泥，大概需要0.6t 以上的洁净水， 2t 砂、3t 以上的石子；每生产1t 硅酸盐水泥约需 1.5t 石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2 ，而大气中 CO2 浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有

5、些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用 1. 由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。绿色高性能混凝土水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背

6、道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。(2超高性能混凝土超高性能混凝土，如活性粉末混凝土智能混凝土智 能 混 凝 土 是 在 混 凝 土 原 有 的 组 分 基 础上 复 合 智 能 型 组 分 ， 使 混 凝 土 材 料 具 有 自 感 知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智

7、能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。二、高性能混凝土的性能研究和应用分析一）高性能混凝土的概念高性能混凝土是近20 余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40 的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土 即免振混凝土）称为HPC ；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将 HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员 ，对 HPC的理解有所不同。比 如美国学 者 更强 调高 强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他

8、们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。二）高性能混凝土的性能精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：1.耐久性。高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50100 年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。2.工 作 性 。 坍 落 度 是 评 价 混凝 土 工作 性的主 要 指 标 ，HPC 的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振

9、动时间内，下沉距离短 ， 稳定性和均匀 性好。同 时，由 于高性能混凝 土的水灰 比低，自由水少，且掺入超细 粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。3.力 学 性 能 。 由 于 混 凝 土 是 一 种 非 均 质 材 料 ,强 度 受 诸 多 因 素 的 影 响 ，水 灰 比 是 影 响 混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。4.体积稳定性。高性能混

10、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。5.经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土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；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间； HPC 良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究发现用C110C137的高性能混凝土替代C40C60 的混凝土，可以节约15%25% 的钢材和 30%70% 的水泥。虽然 HPC 本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起

11、来说，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。三）高性能混凝土发展和应用中所面临的问题在高性能混凝土的应用过程中也存在一些问题，在高性能混凝土的原材料方面，我国水泥质量不稳定，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。在高性能混 凝土的 施 工过程 中，施工人员的技术水平有限，养护措施 不到位， 使 HPC的密实性和质量不稳定；在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产 生 的 收 缩 ， 使 混 凝

12、 土 表 面 产 生 裂 缝 ， 这 对 HPC 的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀4 创造可能；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。三、高性能混凝土质量与施工控制、磨细矿

13、渣粉 (BFS、粉煤灰 (FA、天然沸石粉 (NZ等 。 粉 煤 灰 是 火 电 厂 燃 煤 锅 炉 排 出 的 烟 道 灰 ,它能有效提高混凝土的抗渗性 ,显 著 改 善 混 凝 土 拌合 物 的 工 作 性 ,大 掺量 粉煤灰混凝土还对环境保护和节约资源有重要意义。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。矿渣是高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速 水 淬 冷 却 而 成 的 ,用 于 高 性 能 混 凝 土 的 磨 细 矿 渣 细 度 大 于 水 泥 ,能提高混凝土的工作性和耐久 性 。 硅 粉 是 电 炉 法 生 产 硅 铁 合 金 所 排 放 的 烟 道

14、灰 ,SiO2 含量大于 90,平 均 粒 径 约011m,比表面积 20000 /kg,借 助 大 剂 量 高 效 减 水 剂 和 强 力 搅 拌 作 用 ,可以填充到水泥或其 他 掺 合 料 的 间隙 中 去 ,并且具有很高的活性 ,在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著,是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。4.减 水 剂 及 缓 凝 剂 。 由 于 高 性 能 混 凝 土 具 有 较 高 的 强 度 ,且一般混凝土拌合物的坍落度较大(1520 左 右 ,在低水胶比 (一般 0.35 一般的情况下 ,要使混凝土具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在 20以上。

15、有时为减少混凝土坍落度的损失,在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。此外 ,由于高性能混凝土水胶比低,水泥颗粒间距小 , 5 能进人溶液的离子数量也少,因此减水剂对水泥的适应性表现更为敏感。因大部分高性能混凝土施工时采用泵送, 故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大, 否 则 影 响泵送。5. 矿 物掺 合料 。 (1粉 煤 灰 ,粉 煤 灰 是 燃 烧 煤 粉 的 锅 炉 烟 气 中 收 集 到 的 细 微 粉 末 ,又称“飞灰” (FlyAsh,其 颗粒多 呈球 形 ,表面光滑。大量的实践证明: 掺用粉煤灰的混凝土 , 其长期性能可得到大幅度的改善, 对延长构筑物的使用寿命有重要意义。粉

16、煤灰在混凝土中的主要作用包括以下几个方面: 填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层, 产生“滚珠润滑”效应。对水泥颗粒起物理分散作用 , 使其分布得更均匀。粉煤灰和聚集在骨料颗粒 周 围 的 氢 氧 化钙 结 晶 发 生 火 山 灰 反 应 , 生 成 具 有 胶 凝 性 质 的 产 物 加 强 了 薄 弱 的过 渡 区对改善混凝土的各项性能有显著作用。粉煤灰延缓了水化速度, 减小混凝土因水化热引起的温升, 对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。可减小混凝土温度开裂的危险 , 同时由于加快了火山灰反应, 还可提高28d 强度。值得注意的是 , 粉煤灰的水泥取代率对强度影响显著, 较好的早期强度和后

17、期强度的水泥取代率应小于10% 。当粉煤灰掺量较低时 , 只会对水泥早期水化热有影响 , 但对 7d 龄期的水化热几乎没有影响。(2硅粉(Silica Fume, 简写 SF 又称硅灰 , 是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。硅粉主要由非常微小、表面光滑的玻璃态球形颗粒组成，粒径为0.1m 1.0m, 是水泥粒径的 1/501/100, 一般比表面积为 18500 /kg20000 /kg,主要化学成分为二氧化硅,其含量在 90%以上。在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,结合应用减水剂 ,可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高,硅粉的适宜掺量为水泥用量的

18、 510。硅粉的加入 ,对混凝土的性能的影响主要有:改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量。提高了混凝土的强度 ,增大了弹性模量和混凝土的干缩。提 高 了 混 凝 土 的耐久性。另外 ,在配制硅粉混凝土时必须注意:由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土时 ,一般要掺加减水剂。在选择减水剂时,应使之与所用的水泥具有相容性 ,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用否则, 容易影响混凝土的工作性能。同时, 根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺量。比表面积和活性SiO2 含量是硅粉的重

19、要指标硅粉比表面积越大、活性 SiO2 含量越高 , 硅粉性能越好 , 配制硅粉混凝土需选择具有良好性能的硅粉。硅粉混凝土的干缩一般比普通混凝土大 ,配制高性能混凝土时应采取补偿收缩的措施 ,如掺加粉煤灰等。二）配合比设计控制要点1.设计思路有很大区别在以往的配合比设计方法中，是按混凝土的强度等级要求计算水灰比，而现在则是按耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺和料的比例。由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为 C30或 C35，一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合

20、比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于 400kg/m3，C35 C40不宜高于 450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在 20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左 右

21、。在 铁路混凝土结构耐 久性 设计暂行规定中明确规 定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的 20%，当大于 30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45 。 3. 含气量的要求含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅 在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。因此，客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于 2%，并且作为施工质量控制的必检工程之一。为适

22、当提高混凝土的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。4.电通量指标该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要、最具体的指标。目前我国尚无电通量实验的国家标准，铁路行业电通量实验方法是以美国ASTMC1202 快速电量测定方法为基础制定的，其所测指标可以最大程度地区分和评价混凝土的密实度，而密实度正是影响混凝土耐久性最为关键的因素。以往多是以抗渗性来评精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用价混凝土的密实程度，但实践证明，抗渗实验只适合于判定较低强度等级混凝土的密实性，当强度等级超过

23、C30后，抗渗等级几乎都能达到P20以上，再往下实验比较困难。这正是用电通量指标取代抗渗标号作为混凝土耐久性控制的主要原因。混凝土的电通量主要取决于水胶比，通过大量实验得到规律，一般 水胶比小于 0.5 时基本可满足电通量小于2000 的要求，水胶比小于0.45 时基本可满足电通量小于1500 的要求。四、高性能混凝土的特点,水泥全部水化后 , 混凝土没有多余的毛细水 , 孔隙细化 , 最可几孔径很小 , 总孔隙率低。再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加 还能改善 水 泥石的 孔 结构 , 使其 100m的孔含量

24、得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀 ,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。2. 胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于 400kg/m3，C35 C40不宜高于 450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是

25、为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力,水泥全部水化后 , 混凝土没有多余的毛细水 , 孔隙细化 , 最可几孔径很小 , 总孔隙率低。再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构, 使其100m 的孔含量得到明显减少 ,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久

26、性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于 400kg/m3，C35 C40不宜高于 450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力,水泥全部水化后, 混凝土没有多余的毛细水 , 孔隙细化 , 最可几孔径很小 , 总 孔 隙 率 低 。再 者 高 性 能 混 凝 土 中 掺 加 矿物 质 超 细 粉 后 , 混 凝 土 中 骨 料 与 水 泥 石 之 间 的 界 面过渡区孔隙能得到精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用明显的降低 , 而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构, 使其100m的孔含量得到明显减少 , 矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 8 页