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1、精品_精品资料_高性能混凝土的讨论与进呈现状引言从 1824 年波特兰水泥创造开头,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进展,由一般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、大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,其用量将连续快速增长.人类进入21 世纪,随着科学技术的快速进展,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,其本身必需具有高强度、高工作性、高耐久性等
2、性能,因此高性能混凝土是现代混凝土技术进展的必定结果,是混凝土的进展方向.高性能混凝土High Performance Concrete,HPC 是 20 世纪 80 岁月末 90 岁月初,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供应100 年以上的使用寿命.区分于传统混凝土,高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳固性等很多优良特性,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纳,特殊是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其特殊的优越性,在工程安全使用期、经济合理性、环
3、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进展方向.一、高性能混凝土产生的背景和讨论现状一）背景当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的进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、退役甚至显现恶性事故造成巨大缺失的严峻后果.原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、 资源短缺严峻影响进一步进展的严酷现实.这就要求混凝土 不断提高以耐久性为重点的各项性能 , 多使用自然 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、 现并逐步完善与进展的.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自然资源.每用 1t 水泥,大致需要0.6t 以上的干净水, 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 浓度增加是造成的球温室效应的缘由之一.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干净材料,但由于它的用量巨大,过度开采矿石和砂、石骨料已在不少的方造成资源破坏并严峻影响环境和自然景观.有些大城市现已难以获得质
5、量合格的砂石.另一方面可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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逼.因此,将来的混凝土必需从根本上削减水泥用量,必需更多的利用各种工业废渣作为其原材料.必需充分考虑废弃混凝土的再生利用,将来的混凝土必需是高性能的,特殊是耐久的.耐久和高强都意味着节省资源.“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特别巨大,与可连续进展的要 求背道而驰.绿色高性能混凝土讨论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
6、工作性能,明显降低混凝土 硬化阶段的水化热,提高混凝土强度特殊是后期强度.而且,节省水泥,削减环境污染,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掌握的功能.随着损耗自诊断混凝土、温度自调剂混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的显现,为智能混凝土的讨论、进展和智能混凝土结构的讨论应用奠定了基础.二、高性能混凝土的性能讨论和应用分析一）高性能
7、混凝土的概念高性能混凝土是近 20 余年进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连续进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 的懂得有所不同.比如美国学 者更强 调高 强度和尺寸稳固性,欧洲学者 更留意耐久性,而日本学者偏重于高工作性.但是他们的基本点都是高耐久性, 这方面的熟悉是一样的.二）高性能混凝土的性能可编辑资料 - - - 欢迎
8、下载精品_精品资料_与一般混凝土相比,高性能混凝土具有如下特殊的性能：1.耐久性.高效减水剂和矿物质超细粉的协作使用,能够有效的削减用水量,削减混凝土内部的间隙,能够使混凝土结构安全牢靠的工作50 100 年以上,是高性能混凝土应用的主要目的.2.工 作性. 坍落度是评判混凝 土 工作 性的主要指标, HPC 的坍落度掌握功能好,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,在相同振动时间内,下沉距离短 ,稳固性和匀称性好.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
9、 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,对于一般混凝土,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才能强、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间隙,改善界面结构,提高混凝土的密实度,提高强度.4.体积稳固性.高性能混凝土具有较高的体积稳固性,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削减结构的修
10、理费用,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削减构件尺寸,减小自重,增加使用空间. HPC 良好的工作性可以削减工人工作强度,加快施工速度,削减成本.前苏联学者讨论发觉用C110C137 的高性能混凝土替代 C40C60 的混凝土,可以节省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.概括起来说,高性能混凝土就是能更好的满意结构功能要求和施工工艺要求的混凝土,能最大限度的延长混凝土结构的使用年限,降低工程造价.三）高性能混凝土进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
11、能混凝土的原材料方 面,我国水泥质量不稳固,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挑选上,尚缺乏充分的适用性的讨论.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固.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结而产 生 的 收 缩 , 使 混 凝 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
12、,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供应通道,给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀4制造可能.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一般混凝土,而且脆性大,需要特殊留意.同时,在高性能混凝土的讨论方面,现在的讨论以试验室讨论为主,但是试验室的情形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掌握 、磨细矿渣粉 BFS 、粉煤灰 FA 、自然沸石粉 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
13、,大 掺量 粉煤灰混凝土仍对环境爱护和节省资源有重要意义.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 灰 ,SiO2 含量大于 90,平 均 粒 径 约 011m,比表面积 20220 /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
14、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15 20 左 右 ,在低水胶比 一般 0.35 一般的情形下 ,要使混凝土具有较大的坍落度 ,就必需使用高效减水剂 ,且其减水率宜在 20以上.有时为削减混凝土坍落度的缺失 ,在减水剂内仍宜掺有缓凝的成份.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锐.因大部分高性
15、能混凝土施工时采纳 泵送, 故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度缺失不能太快太大, 否 就 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: 填充骨料颗粒的间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 , 使其分布得更匀称.粉煤灰和集合在骨料颗粒 周 围 的 氢
16、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特别有利.可减小混凝土温度开裂的危急 , 同时由于加快了火山灰反应 , 仍可提高28d 强度.值得留意的是 , 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SilicaFume简, 写 SF又称硅灰 , 是从生
17、产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_的烟尘. 硅粉主要由特别微小、表面光滑的玻璃态球形颗粒组成,粒径为0.1 m1.0 m是,水泥粒径的 1/50 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1/100, 一般比表面积为 18500 /kg20220 /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,硅粉的相宜掺量为水泥用量的 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
18、,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需留意: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.在挑选减水剂时 ,应使之与所用的水泥具有相容性 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_否就, 简单影响混凝土的工作性能.同时 , 依据减水剂性能及需求的减水需求来挑选合适的掺量.比表面积和活性SiO2 含量是硅粉的重要指标硅粉比表面积越大、活性 SiO2 含量越高 , 硅粉性能越好 , 配制硅粉混凝土需挑选具有良好性能的硅粉. 硅粉混凝土的干缩一般比一般混凝土大 , 配制高性能混凝
19、土时应实行补偿收缩的措施 ,如掺加粉煤灰等.二）协作比设计掌握要点1. 设计思路有很大区分在以往的协作比设计方法中,是按混凝土的强度等级要求运算水灰比,而现在就是按耐久性的要求,第一依据环境作用等级确定电通量指标,由此来挑选水胶比、掌握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,为满意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协作比参数设计时,为保证混凝土的耐久性,混凝土中胶凝材料总量应 处在一个相宜范畴内,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 400k
20、g/m3, C35C40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,与一般硅酸盐水泥一起作为 胶凝材料.使用粉煤灰等矿物掺和料,并不是单纯的考虑降低混凝土成本,首 先是为了混凝土耐久性的需要,特殊是可以有效改善混凝土抗击化学腐蚀的能 力包括氯化物腐蚀、硫酸盐腐蚀、碱骨料反应等）.国内外的大量讨论说明, 粉煤灰的掺量在 20% 以上时,改善混凝土耐久性的成效较佳,更有讨论资料表明,粉煤灰的最大掺量可达到 50% 左右.在 铁路混凝土结构耐 久性 设计暂行规定中明确规定,一般情形下,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
21、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一般混凝土的重要区分之一.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熟悉不足的表现.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固,从而提高混凝土材料的 匀称性和稳固性.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% ,并且作为施工质量掌握的必检工程之一.为适当提高混凝土的含气量,并获得较佳的减水和保塑成效,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、最详细
22、的指标.目前我国尚无电通 量试验的国家标准,铁路行业电通量试验方法是以美国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的区分和评判混凝土的密实 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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_价混凝土的密实程度,但实践证明,抗渗试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C30后,抗渗等级几乎都能达到P20以上,再往下试验比较困难.这正是用电通量指标取代抗渗标号作为混凝土耐久 性掌握的主要缘由.混凝土的电通量主要取决于水胶比,通过大量试验得到规 律,一般 水胶比小于 0.5 时基本可满
23、意电通量小于 2022 的要求,水胶比小于0.45 时基本可满意电通量小于 1500 的要求.四、高性能混凝土的特点,水泥全部水化后 , 混凝土没有余外的毛细水 , 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仍能改善 水泥石的 孔 结构 , 使其 100m的孔含量得到明显削减 ,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腐蚀等性能都能得到有效的提高.2. 胶凝材料
24、用量及粉煤灰所占比例在进行协作比参数设计时,为保证混凝土的耐久性,混凝土中胶凝材料总量应 处在一个相宜范畴内,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, C35C40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,与一般硅酸盐水泥一起作为 胶凝材料.使用粉煤灰等矿物掺和料,并不是单纯的考虑降低混凝土成本,首 先是为了混凝土耐久性的需要,特殊是可以有效改善混凝土抗击化学腐蚀的能 力,水泥全部水化后 , 混凝土没有余外的毛细水 , 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
25、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仍能改善水泥石的孔结构, 使其100m的孔含量得到明显削减 ,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腐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协作比参数设计时,为保证混凝土的耐久性,混凝土中胶凝材料总量应 处在一个相宜范畴内,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, C35C40不宜高于 450kg/m3.铁路客运专线大力提倡使用粉煤
26、灰、矿渣粉等矿物掺和料,与一般硅酸盐水泥一起作为 胶凝材料.使用粉煤灰等矿物掺和料,并不是单纯的考虑降低混凝土成本,首 先是为了混凝土耐久性的需要,特殊是可以有效改善混凝土抗击化学腐蚀的能 力,水泥全部水化后 , 混凝土没有余外的毛细水 , 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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_明显的降低 , 而且矿物质超细粉的掺加仍能改善水泥石的孔结构,使其100m的孔含量得到明显削减 , 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腐蚀等性能都能得到有效的提高.可编辑资料 - - - 欢迎下载