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1、高性能混凝土高性能混凝土 一.混凝土发展历史及相关问题：l混凝土(定义-类别水泥,沥青,聚合物,硫磺)5000年前，甘肃省秦安县大地湾地区（草筋墙.炕）2000年前，古罗马（地下水道.剧场、万神庙等）l建筑发展：宋代明代安徽和州城墙、南京城墙、河堤、桥等1824年，英国工人烧制出“波特兰水泥”硅酸盐水泥原型(石灰石.粘土混合锻烧生成硅酸二钙.硅酸三钙)上天、入地、下水l近代误区：片面追求强度力学性能 19871987年年美美国国材材料料顾顾问问委委员员会会提提交交的的一一篇篇报报告告引引起起了了轰轰动动，统统计计表表明明：美美国国近近期期混混凝凝土土腐腐蚀蚀损损失失每每年年27602760亿亿
2、美美元元（中中国国约约20002000亿亿人人民民币币），约约25.325.3万万座座桥桥梁梁的的混混凝凝土土桥桥面面板板，其其中中部部分分使使用用不不到到2020年年，就就已已不不同程度地破坏，且每年还将新增同程度地破坏，且每年还将新增3.53.5万座。万座。由由于于混混凝凝土土桥桥面面板板开开裂裂普普遍遍，因因此此转转向向使使用用高高强强混混凝凝土土，但但是是看看来来这这无无济济于于事事。根根据据美美国国国国家家公公路路合合作作研研究究计计划划19951995年年检检查查的的结结果果表表明明：1010万万座座混混凝凝土土桥桥面面板板是是在在混混凝凝土土浇浇筑筑后后一一个个月月内内就就出出现
3、现间间隔隔13米米的的贯贯穿性裂缝。穿性裂缝。1.1.近代误区近代误区后遗症后遗症 据统计：在正常工作条件下，混凝土结构从据统计：在正常工作条件下，混凝土结构从据统计：在正常工作条件下，混凝土结构从据统计：在正常工作条件下，混凝土结构从建成到拆除重建的周期平均为建成到拆除重建的周期平均为建成到拆除重建的周期平均为建成到拆除重建的周期平均为4040404050505050年。年。年。年。l正常情况下，混凝土建筑4050年毁坏非正常情况-日本沿海港湾建筑、桥梁10年开裂、剥落、钢筋锈蚀外露中国安徽佛子岭水库(年亏1700万)北京西直门桥返回主目录石家庄百孔桥大桥石家庄百孔桥大桥石家庄百孔桥大桥石家
4、庄百孔桥大桥盐的腐蚀盐的腐蚀盐的腐蚀盐的腐蚀青藏公路桥梁墩柱冻融剥蚀青藏公路桥梁墩柱冻融剥蚀一一座座桥桥何何以以只只有有二二十十年年寿寿命命？拆拆除除前前的的西西直直门门桥桥为什么混凝土结构不耐久为什么混凝土结构不耐久？水泥质量水泥质量过细、水化过快过细、水化过快 （C3AC3A）水泥用量水泥用量过多过多 水灰比水灰比过大过大 混凝土早期强度混凝土早期强度过高过高 外加剂外加剂过乱过乱 施工质量施工质量较差较差 古罗马万神殿：公元古罗马万神殿：公元128128年年(哈德联哈德联)大帝时期建造的大帝时期建造的一座建筑物，它的圆形壁厚一座建筑物，它的圆形壁厚6.1m;6.1m;穹顶的直径穹顶的直径
5、43.3m43.3m、高、高21.6m21.6m，使用了，使用了1200012000吨轻混凝土。吨轻混凝土。万神殿内景万神殿内景万神殿内景万神殿内景 古罗马圆形剧场古罗马圆形剧场古罗马圆形剧场 当代也有历时当代也有历时100100多年的波特兰水泥混凝土多年的波特兰水泥混凝土建筑物建筑物 英国南安普墩海港工程英国南安普墩海港工程 美国西雅图海滨海上水泥船美国西雅图海滨海上水泥船 大连、厦门的混凝土炮台大连、厦门的混凝土炮台 沿海、沿江商埠大量保存的混凝土建沿海、沿江商埠大量保存的混凝土建筑物筑物这些建筑物耐久的共同特点这些建筑物耐久的共同特点：采用符合现代耐久要求的胶凝材料采用符合现代耐久要求的
6、胶凝材料(培培烧粘土烧粘土.石灰石灰.石膏石膏.火山灰火山灰.糯米汁糯米汁.羊桃藤羊桃藤汁等汁等)复合使用有机外加剂（动物油脂复合使用有机外加剂（动物油脂 牛油牛油.桐油桐油.乳液乳液.动物血动物血 牛牛.猪血等猪血等 ）低水灰比低水灰比 工作性好，易于施工工作性好，易于施工 匀质性好匀质性好 具有合理的孔结构和密实度具有合理的孔结构和密实度 采用严格的施工工艺采用严格的施工工艺 20世世纪纪8080年代，美国国家材料委员会提出：要年代，美国国家材料委员会提出：要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、塑料等。包括钢材、混凝土、
7、塑料等。(挪威挪威)1990 1990年年5 5月，在美国马里兰州月，在美国马里兰州由美国国家由美国国家标标准与技准与技术术研究院研究院(NIST)和和 美国混凝土学会美国混凝土学会(ACI)主办了第一次关于主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义。提出关于高性能混凝土的定义。(美国美国 及及 日本学派日本学派)2 2.高性能混凝土的提出：高性能混凝土的提出：国内2000年建设部委托中国土木工程学会与清华大学土木系就建筑物耐久性与使用年限的课题进行研究。2001年、2002年两次学术会议上并在会后广泛征求意见并多次修改，2003年6月对混凝土
8、结构耐久性设计与施工指南进行审查和鉴定并获得通过。该指南作为中国土木工程学会技术标准。铁道部也同期进行研究，(2001年6月29日开工修建的青藏线-50年耐久性混凝土）并于2005年开始在铁路系统大面积推广高性能混凝土。高性能混凝土高性能混凝土 以耐久性为基本要求并用常规材料和常规工艺制造的水泥基混凝土。这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制作上通过严格的质量控制，使其达到良好的工作性、均匀性、密实性和体积稳定性。2005年中国土木工程学会标准:混凝土结构耐久性设计与施工指南混凝土结构耐久性设计与施工指南（CECS2004-01）主
9、要内容高性能混凝土基本概念高性能混凝土用原材料高性能混凝土配合比设计高性能混凝土施工一一 高性能混凝土基本概念高性能混凝土基本概念1 1、什么是高性能混凝土、什么是高性能混凝土 耐久性混凝土属于高性能混凝土的范畴，国家对高性能混凝土没有定义。一般认为，高性能混凝土是高工作性、高耐久性。2 2、什么结构物是高性能混凝土、什么结构物是高性能混凝土 根据铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定,混凝土结构设计使用年限级别见表1：表1 混凝土结构设计使用年限级别设计使用年限级别设计使用年限适用范围示例一 100年以上如桥梁的桩基、承台、墩台、梁以及隧道的主体结构等二60年以上如路基支挡结构、轨道结构等三30年
10、以上如桥梁的人行道盖板等3 3、高性能混凝土的耐久性评价指标高性能混凝土的耐久性评价指标 京沪高速铁路混凝土耐久性技术要求，见表2 表2 混凝土的耐久性能项目质量要求56d抗冻性等级墩台体混凝土F300 梁体混凝土F200 56d抗渗等级 梁体混凝土P20 56d最大电通量墩台混凝土 T2 T3 L1 L2H1 H2H3H4 D1D2D31500150010008001200120010001000-桩体混凝土T1L1H1H2H3H4150010001200120010001000梁体混凝土100028d最小抗腐蚀系数抗蚀系数K应不小于0.8抗裂性应通过对比试验选择抗裂性相对较好的配合比 抗碱
11、骨料反应性采用非活性骨料 抑制效能合格（砂浆棒膨胀率在0.10%0.20%时）二二 高性能混凝土用原材料高性能混凝土用原材料1、水泥水泥水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥（简称（简称“普通水泥普通水泥”），混合材宜为矿渣或），混合材宜为矿渣或粉煤灰。粉煤灰。处于严重化学侵蚀环境时（硫酸盐侵蚀环境处于严重化学侵蚀环境时（硫酸盐侵蚀环境作用等级为作用等级为H H3 3或或H H4 4）应选用）应选用C C3 3A A含量不大于含量不大于6%6%的硅酸盐水泥的硅酸盐水泥。水泥的技术要求序号项目硅酸盐水泥普通水泥42.5级42.5级1抗压强度（MPa）3d17.0
12、16.028d42.542.52抗折强度（MPa）3d3.53.528d6.56.53凝结时间（min）初凝4545终凝3906004安定性合格合格5比表面积（m2/kg）300350680m方孔筛筛余（%）10.07不溶物（%）0.75 I型1.50 II型8烧失量（%）3.0 I型3.5 II型5.09熟料中的C3A（%）8%10%（氯盐环境下）10三氧化硫（%）3.511氧化镁（%）5.012游离氧化钙（%）1.013氯离子（%）0.1（钢筋混凝土）0.06（预应力混凝土）14碱（%）0.8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
13、碱含量不宜超过0.60%。重点重点:水泥品种、水泥强度等级及细度、水泥矿物成水泥品种、水泥强度等级及细度、水泥矿物成份份C C3 3A A（1 1）水泥品种）水泥品种 六大通用水泥中矿物掺合料含量：硅酸盐水泥：5%普通硅酸盐水泥：615%矿渣硅酸盐水泥：2070%火山灰硅酸盐水泥：2050%粉煤灰硅酸盐水泥：2040%复合硅酸盐水泥：两种混合材以上 1550%表3 通用硅酸盐水泥品种代号组 分熟料+石膏粒化高炉矿渣火山灰质混合材料粉煤灰石灰石硅酸盐水泥PI100-P955-95-5普通硅酸盐水泥PO80且5且20a-矿渣硅酸盐水泥PSA50且20且50b-PSB30且50且70b-火山灰质硅酸
14、盐水泥PP60且20且40c-粉煤灰硅酸盐水泥PF60且20且40d-复合硅酸盐水泥PC50且20且50ea本组分材料为符合本标准5.2.3的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准5.2.4的非活性混合材料或不超过水泥质量5%且符合本标准5.2.5的窑灰代替。b本组分材料为符合GB/T203或GB/T18046的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准第5.2.3条的活性混合材料或符合本标准第5.2.4条的非活性混合材料或符合本标准第5.2.5条的窑灰中的任一种材料代替。c本组分材料为符合GB/T2847的活性混合材料。d本组分材料为符合GB/T1596的活性混合
15、材料。e本组分材料为由两种（含）以上符合本标准第5.2.3条的活性混合材料或/和符合本标准第5.2.4条的非活性混合材料组成，其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准第5.2.5条的窑灰代替。掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。（2 2）水泥强度等级及细度）水泥强度等级及细度 提高水泥强度的主要措施是增加C3A和C3S含量和增加比表面积，易导致水泥水化速率过快,水化热大,混凝土收缩大,抗裂性下降,微结构不良,抗腐蚀性差,所以水泥强度等级够用就行，不得随意提高水泥强度等级。（旧标准）硬练:500:600:700 （旧标准）软练:425:525:625 （新国标）ISO:32.5:42.
16、5:52.5 水泥细度是影响水泥的凝结硬化速度、强度、需水性、干缩性、水化热等一系列性能。水泥必须控制一定的粉磨细度，水泥颗粒越细，凝结越快，早期强度发挥越快，泌水性小，但也不能太细，否则，一方面水泥的需水量大幅度增加，干缩大，水化放热集中；另一方面，大大降低了磨机产量，增加电耗。在高性能混凝土中，水泥细度过大，容易导致混凝土早期开裂，还会影响外加剂的作用效果。一般比表面积为300350 m2/kg（3 3）水泥熟料中矿物成分）水泥熟料中矿物成分 C3A：715%，不宜超过8%；C2S：1537%C3S：660%C4AF：1018%水泥中各矿物成分特性：水泥中各矿物成分特性：水化速度:C3AC
17、2SC3SC4AF 水化热:C3AC3SC4AFC2S 强 度:C3SC2SC4AFC3A 耐化学侵蚀:C4AFC2SC3SC3A 干缩性:C3AC3SC2SC4AF2 2、细骨料、细骨料 细骨料应选用处于级配区的中粗河砂（用于预制梁时，砂的细度模数要求为2.63.0）。当河砂料源确有困难时，经监理和业主同意也可采用质量符合要求的人工砂。细骨料的品质应满足表4的要求。表4 细骨料的技术要求项目质量指标C30C30C45C50人工砂石粉含量MB1.4010.07.05.0MB1.405.03.02.0含泥量（%）3.02.52.0泥块含量（%）0.5云母含量（%）0.5轻物质含量（%）0.5氯离
18、子含量（%）0.02硫化物及硫酸盐含量（折算成SO3）（%）0.5有机物含量（用比色法试验）颜色不应深于标准色，如深于标准色，则应按水泥胶砂强度试验方法进行强度对比试验，抗压强度比不应低于0.95。细度模数2.3坚固性（质量损失率）（%）8吸水率（%）2碱活性岩相法矿物组成和类型鉴定快速砂浆棒法（碱硅酸反应）砂浆棒膨胀率小于0.30%（用于梁体时砂浆棒膨胀率小于0.20%）人工砂压碎指标值（%）25重点:品种和级配 选用中砂细度模量2.62.8,小于0.63和0.16筛的累计筛余（4070）%和（95100）%。3 3、粗骨料、粗骨料 粗骨料宜选用二级配碎石，掺配比例应通过试验确定。粗骨料的品
19、质应满足表5的要求。表5 粗骨料的技术要求项目 强度等级C30C30C45C50含泥量（%）1.01.00.5泥块含量（%）0.25针、片状颗粒总含量（%）101085（预应力混凝土）硫化物及硫酸盐含量（折算成SO3）（%）0.5氯离子含量（%）0.02碎卵石中有机质含量（用比色法试验）颜色不应深于标准色。当深于标准色时，应配制成混凝土进行强度对比试验，抗压强度比不应小于0.95。紧密空隙率（%）40吸水率，（%）2%（用于干湿交替或冻融循环下的混凝土应小于1%）强度，%（岩石抗压强度与混凝土强度等级之比）1.52.0（预应力混凝土）坚固性（质量损失率）（%）85（预应力混凝土）4 4、外加剂
20、、外加剂 外加剂宜采用聚羧酸系产品。混凝土中不得掺加诸如防腐蚀剂、抗裂剂等无标准不规范的产品。第一代:木钙，减水率8%；第二代:萘系、蜜胺系、脂肪族系、氨基磺酸盐系列，减水率15%以上(坍落度损失大、泌水性、饱水性差)；第三代：聚羧酸高效减水剂，减水率30%，适当引气,坍落度损失小,保水性好。重点:适当引气 生产过程:消泡、加气,母液80%加水稀释成20%液体 实际应用:选配比(样品)大量施工时(品质劣化)检验:减水率,含固量5 5、矿物外加剂、矿物外加剂 用于改善砼耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料(GB/T18736)。品种:粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰、铁灰、稻壳灰、沸石粉。(1)粉煤灰
21、 粉煤灰也叫飞灰，是燃煤电厂烟囱收集的灰尘。粉煤灰应选用品质稳定的产品。强度等级不大于C50的钢筋混凝土宜选用国标I级或II级粉煤灰，但应控制粉煤灰的烧失量不大于5.0%，细度不大于20%；强度等级不小于C50的预应力混凝土宜选用国标I级粉煤灰，但应控制粉煤灰的烧失量不大于3.0%。重点:烧失量、最大掺量。（2）磨细矿渣 磨细矿渣是炼铁炉中浮于铁水表面的熔渣，排出时用水急冷得到的水淬矿渣，磨细到一定程度的矿碴细粉。矿渣粉应采用水淬矿渣的粉磨产品。研磨方法：球磨、辊压机、辊磨（常用）当比表面积为300kg/m3时，平均粒径为21.2m；400kg/m3时，平均粒径为14.5m；800kg/m3时
22、，平均粒径为2.5m。当磨细矿渣的比表面积达到400kg/m3以上时，能较充分地发挥其活性。应用:需水量比,烧失量活性指数 磨细矿渣的技术指标如表9所示：6 6、混凝土用水及环境水、混凝土用水及环境水 拌合用水可采用饮用水。当采用其他来源的水时，水的品质应符合下表的要求。表10 拌合用水的技术要求项目预应力混凝土钢筋混凝土素混凝土pH值4.54.54.5不溶物（mg/L）200020005000可溶物（mg/L）2000500010000氯化物（以Cl-计）（mg/L）50010003500硫酸盐（以SO42-计）（mg/L）60020002700碱含量（以当量Na2O计）（mg/L）1500
23、15001500凝结时间差（min）30抗压强度比（%）90环境水对混凝土有5种侵蚀性软水侵蚀（溶出性侵蚀）软化是指暂时硬度较小的水，水泥石长期和软化水接触，其中一些水化物按溶解度的大小，依次被水溶解，CH首先被溶解,水泥石碱度降低，其他水化产物CSH发生分解，水泥石结构遭到破坏，强度不断降低。当CH溶出5%时，强度下降7%；当CH溶出24%时强度下降29%。硫酸盐侵蚀 Ca(OH)2+Na2SO4H2O=CaSO42H2O+NaOH+8H2O然后，所生成的硫酸钙与水化铝酸钙作用，生成水化硫铝酸钙3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O=3CaOAl2O33CaSO43
24、1H2O生成的水化硫铝酸钙含有大量结晶水，其体积比原体积增加1.5倍，对水泥石产生巨大的破坏作用。镁盐侵蚀 Ca(OH)2+MgSO4+2H2O=CaSO42H2O+Mg(OH)2 Ca(OH)2+MgCl2=CaCl2+Mg(OH)2生成的氢氧化镁松软，无胶结能力，氯化钙易溶于水。碳酸盐侵蚀 Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO32H2O 由于水中含有较多的二氧化碳，它与生成碳酸钙按下列可逆反应作用。CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 当水中含有较多的二氧化碳，并超过平衡浓度时，上式反应向右进行，水泥石中CH通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失，随着CH降低，其他水化产物分解，使腐
25、蚀进一步加剧。一般酸性侵蚀：各种酸类不同程度的腐蚀作用 2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O 易溶于水 H2SO4+Ca(OH)2=CaSO42H2O 二水石膏，结晶膨胀 环境水中的酸的氯离子浓度越大，pH值越小，侵蚀越严重。三三 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土配合比设计1 1、设计理念、设计理念 普通混凝土:强度 高性能混凝土:耐久性 砂填碎石空隙，水泥填砂空隙，矿物外加剂填水泥空隙(粉体效应)。设计混凝土配合比的一般途径为：设计混凝土配合比的一般途径为：选用低水化热和低碱含量的水泥，尽可能避免使用早强水泥和高C3A含量的水泥；选用球形粒形、吸水率低、空隙率小的洁净骨料；适量掺
26、用优质粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺和料或复合矿物掺和料；采用具有高效减水、适量引气、能细化混凝土孔结构、能明显改善或提高混凝土耐久性能的专用复合外加剂，尽量降低拌合水用量；将混凝土的最低强度等级、最大水胶比、最小水泥用量、最低胶凝材料用量和最大胶凝材料用量限制在适宜的范围 尽可能减少混凝土胶凝材料中的水泥用量。2 2、经验参数、经验参数C30:当水泥采用42.5强度等级时，每立方混凝土胶凝材料用量为360380kg，粉煤灰掺量为3540%，含砂率为3840%，碎石用量为1150kg左右，用水量为135165kg左右,聚羧酸外加剂掺量为1%。C50:当水泥用42.5强度等级时，每立方混凝土胶凝材料用量为460490kg，矿物外加剂掺量45%以上(2种矿物外加剂或2种以上)，含砂率40%，碎石用量11001150kg，用水量135165kg 左右，聚羧酸外加剂掺量1%。3 3、配合比设计步骤、配合比设计步骤(1)计算试配强度(2)计算水胶比 (3)计算胶凝材料用量(4)计算砂、碎石用量