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1、青岛理工大学学士学位论文前 言人类进入21世纪面临着“人口膨胀、资源和能源短缺以及环境污染”三大问题。混凝土材料是资源和能源消耗的大户，也是环境污染源之一。因此为了减少混凝土资源的浪费，一个有效的途径就是提高混凝土的耐久性。据有关资料介绍我国混凝土的产量高达1213亿立方米，约占全世界产量的百分之四十，是世界上混凝土生产和应用最多的国家。但无论在国内还是国外，混凝土的结构都出现了很多质量问题，这就要求在混凝土的施工过程中要充分保证它的安全性和耐久性。高性能混凝土是一种体积稳定性好、具有高耐久性、高强度与高工作性能的混凝土，它在国内外已得到了较多的应用。我国最早应用的高性能混凝土是1991年广东
2、国贸大厦工程，而现在在城市建设、建筑工程、地下水及地下水工程、海洋开发、宇宙航天与核能工程等方面都需要大量的高性能混凝土。高性能混凝土最主要的特征是其优异的耐久性，其耐久性可高达百年以上，是普通混凝土的310倍。因此，如果我国在工程施工过程中大量运用高性能混凝土，则不仅可以解决资源浪费问题，还可以大大的提高工程质量，给国家和人民带来重大的社会效益和经济效益。本文主要是对高性能混凝土施工过程中影响其耐久性和安全性的各种因素的分析讨论，从如何选择材料，如何配置施工配合比以及在施工过程中对不利因素进行控制，以实现高性能混凝土的高耐久性、高安全性的性能，提高工程的安全质量。本文论述的另一个重点是高性能
3、混凝土的耐久性。高性能混凝土在环境中的耐久性如何评价与控制，如何进一步提高等等。第1章 绪论1.1 高性能混凝土的技术特怔高性能混凝土（High performance concerte,简写为HPC）是一种体积稳定性好、具有高耐久性、高强度与高工作性的混凝土。目前，各个国家对于HPC的认识仍没有达到共识，研究的侧重点也就有所不同。以Mehta为代表的学派强调的是硬化后混凝土的性能。他们认为暴露于腐蚀性环境下的混凝土结构的腐蚀速度快说明了抗压强度指标不足以保证其长期耐久性，HPC研究的重点应放在混凝土的耐久性问题上，并且提出了抗渗性和尺寸稳定性指标；而以冈村为代表的日本学者认为高流态、免振、自
4、密实的混凝土就是HPC，更注重的是新拌混凝土的性质，把高强、超高强和高流态作为HPC的特点；在我们国家也同样存在着不同学派观点的差异:冯乃谦教授为代表的部分学者就主张高性能混凝土必须是高强混凝土，而以已故吴中伟院士为代表的部分学者认为普通强度的混凝土也可以是高性能混凝土。我本人还是支持吴院士的观点，高性能混凝土未必一定是高强混凝土，但是高强混凝土必须是高性能混凝土。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。近些年来，在高强混凝土的配制中，不仅加入了超塑化剂，往往也掺入了一些活性超细矿物掺合料，与高性能混凝土的组分材料相似。在有的国家早期发表的文献报告
5、中曾提到:“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa 以上。因此，至今国内外有些学者仍然将高性能混凝土与高强混凝土在概念上有所混淆。在欧洲一些国家常常把高性能混凝土与高强混凝土并提(HPC/HSC )。实际上，高强混凝土仅仅是以强度的大小来表征或确定何谓普通混凝土、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。高性能混凝土则由于其技术性的多元化，诸如良好的工作性、体积稳定性、耐久性等而难以用定量的性能指标给予定义。不同的国家，不同的学者因各自的认识、实践、应用范围和目的要求上的差异，对高性能混凝土提出过不同的解释和定义，而且在性能特征上
6、各有所侧重。1990年美国KIST与ACI对高性能混凝土命名时，曾提出一个定义:高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须来用产格的施工工艺，采用优质材料配制、便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。近年来，美国混凝土学会又给出一个文字上较精练的定义:“高性能混凝土是一种要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。吴中伟院士在1996年提出:“有人认为混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
7、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年他又提出:“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。1.2 高性能混凝土的施工质量控制现状国外对高性能混凝土的研究起步早于我国。各工业先进国家，在20世纪80年代末都争先恐后地投巨资研究开发高性能混凝土。北欧的挪威因北海的海洋石油开发需要，早在1986年都已将其列为国家资助项目，是世界上最早系统研究高性能混凝土的国家之一。加拿大在1989年设立了包括高
8、性能混凝土在内的15项国家资助项目，1994年开始又斥资400万美元对施工应用进行研究。瑞典在1995年出台“高强混凝土结构指南”，在本国规范了高强混凝土的应用技术。日本则一直致力于高性能的开发。国外利用高性能混凝土建造的工程也比我国早。例如1975年在芝加哥建造的262米的水塔广场大厦，代表了1975年美国混凝土工艺的顶端。加拿大多伦多275m的Scotia大厦( 1987-1988年)，混凝土设计强度为70MPa，是世界上第一幢含高炉矿渣的高性能混凝土的高层建筑。还有美国226m高的西亚图联合广场大厦，是世界第一座用平均强度为120MPa的高性能混凝土并采用钢管混凝土建造的结构。国外HPC
9、的强度还在不断提高，已出现超高性能混凝土(UHPC )。例如加拿大和法国学者创造的活性细粒混凝土(RPC)强度已达200MPa和800MPa。高性能混凝土在我们国家起步较晚，但是发展迅速。许多单位也已相继研制成功了C80、 C100甚至更高强度等级的高强高性能混凝土，并应用于实际工程。如上海金贸大厦使用了C60高性能钢管混凝土柱、广州中天大厦使用了C60钢筋混凝土柱、沈阳大西电业园C80钢管混凝土叠合柱，另外近年在沈阳富林大厦、北京新中关工程和国家大剧院相继使用了C100高性能混凝土等等。我们国家的高性能混凝土已经从试验室走向了大规模应用阶段。从普通混凝土发展到高强、高性能混凝土再到超高强混凝
10、土，其组成材料及其材性要求、微观结构、工程应用的主要控制指标均已发生了不同程度的变化，如何延长结构的使用寿命，如何准确有效的控制高性能混凝土的质量已经成为日益关注的热点问题。高性能混凝土的原材料的选择尤为重要，在生产过程中应当选择来源和性能稳定的优质原材料。现实中由于经济利益的驱使和无序的市场竞争导致有些预拌厂家频繁的变换原材料，造成混凝土质量的大幅度波动。对于集料的运输、存贮和堆放场所急需规范，应该采取密闭式的运输和堆放。大多数预拌混凝土生产企业没有封闭式的堆料仓库，所有粗、细骨料露天堆放，造成含水率不稳定。而目前的生产技术还不足以能随时监控原材料的含水量，增加了高性能混凝土质量控制的难度。
11、HPC对于粒径、粒形、颗粒级配以及洁净程度应该有严格的要求根据笔者的观察，目前生产企业对于集料的品质把关还无法完全满足高性能混凝土生产的需要。由于缺乏规划，无计划开采，在全国范围都出现了优质骨料的缺乏。目前市场上供应的骨料粒径一般大于25mm甚至30mm以上，而且针片状含量较多，空隙率大，对配制高性能混凝土很不利。尤其对于配制C80以上的高强高性能混凝土技术上难度较大，需要对现有的骨料生产方式和工艺进行改进。高性能混凝土技术还不能仅仅建立在优质原材的基础上，外加剂的选用对于高性能混凝土非常重要。不仅要考虑与水泥和掺合料的适应性要求，而且要充分考虑运输过程中的流动性损失以及硬化后对于混凝土性能的
12、影响等等。现状是即使是同一使用要求的混凝土，各搅拌企业也会根据使用对象、运距和泵送高度以及质量监管的差异，选用不同的掺量、不同品牌的外加剂或采用不同的生产配合比。采用双掺技术虽然具有一定的经济效益和环保优势，但是同时也降低了施工企业所追求的早期强度以及硬化混凝土收缩增大，早期裂缝普遍增多等问题。如何根据耐久性要求进行高性能混凝土的配合比设计还没有形成规范。高性能混凝土的质量除了多单位配合的精心控制之外，为了保证工程质量，还必须进行合格验收。合格验收的程序和所采用的方法直接影响到最终的验收结论，一般采取抽样方法进行质量控制。从质量控制的角度来讲，希望能够在最短时间以最小的成本反映其真实的质量状况
13、，以便进行调整:而从质量验收的角度出发，更希望能够全面地反映整个建筑物的质量而不是某个构件的质量状况，需要加大抽检次数和抽检数量增加代表性，减小最终风险。由于这种矛盾的存在，各单位在执行过程中差别很大，出现了验收批划分过大，试件留置数量过少等等问题。如何合理地解决和协调如此众多的问题，实现对高性能混凝土质量的准确控制，需要进行进一步地研究。1.3 课题研究的主要内容及目的 由于高性能混凝土材料的特殊性，我国目前对于普通混凝土的质量控制一般遵循两个阶段控制:初步控制(确定合理的原材料和工艺参数)、生产控制(保证生产过程中的质量稳定)，对于高性能混凝土还没有出台相应的质量控制标准。本文拟从以下方面
14、展开：鉴于目前的高性能混凝土生产工艺和施工体制，力求对高性能混凝土的质量控制建立完善的质量控制体系，达到理论上可行，实际运用中易于操作。每一个控制阶段的控制目标和控制方法都有所不同，保证高性能混凝土达到合格质量水平，通过合格验收。第2章 高性能混凝土组成材料的选择对于混凝土的高性能来说，要根据混凝土结构的使用目的与使用环境而定，而且对于施工阶段的新拌混凝土与硬化后的混凝土，高性能的含义也不同。要根据施工要求、结构物要求和所处的环境条件，使混凝土达到不同高性能的目的，这就需要深刻首先理解混凝土的组成材料，以及应该如何选择材料才能使混凝土达到高性能。高性能混凝土的组成材料中，除了与普通混凝土类似的
15、组成材料水泥、水、砂、石以外还包括高效减水剂和矿物质超细粉等。2.1 高性能混凝土对水泥的选择高性能混凝土的特点之一是低水灰比，为了保证其流动性， 必须掺入高效减水剂，因此必须选择适宜低水灰比特性的水泥,而选择合适的水泥，其一是看细度及粒子组成，另一方面是看加水后的早期水化。水泥粒子群的比表面积、粒子形状、密度及粒子间的级配对浆体的流动性影响很大。比表面积小，粒子形状接近球状，比重大，填充性越大，流动性越大。优化这些因子，可以获得最适宜的流动性。对于加水后的早期水化来说，水泥中的铝酸三钙的量越少，流动性的经时降低越少。特别是采用高性能减水剂时，坍落度损失的抑制问题较大。为了获得高性能混凝土，对
16、水泥性能的要求除了确保最地限度的流动性外，还要求水泥在低水灰比的情况下，能促进水泥的水化反应，使水泥的结构密实化。水泥品种大致可分为硅酸盐水泥、混合水泥以及具有特种性能的水泥。硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥是我国混凝土结构的主要材料，广泛应用于土木、水利、建筑、港工交通等方面，对于一般的高性能混凝土主要是选择硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。当前水泥生产中，对水泥质量影响较为突出的有两个问题：1.碱含量,2.氯离子的含量。（1）水泥中碱含量的控制水泥中的含碱量是由于水泥原料黏土带来的，与水泥的制造方法无关。因此，要选择低碱含量的黏土为原料。此外，对将高炉矿渣、硅石代替粘土为辅助原料，也要限制，因为这些辅
17、助原料也含有碱。低碱型的水泥在制造运输过程中，要与其他水泥分开。而一般对高性能混凝土用的水泥中碱的含量应控制在0.6%以下。（2）氯离子含量的控制混凝土中由于氯盐的存在，会促进其中的钢筋等钢材锈蚀。使用水泥时会带入少量的氯盐。此外，在含氯离子的介质中，氯离子也会从混凝土的外部渗入内部，对于这部分的氯离子，在混凝土中的水泥与骨料带进的氯盐折合氯离子的含量最高为0.3kg/m3 。总之，高性能混凝土使用的水泥必须是标准稠度，用水量要低从而使混凝土在低水胶比时也可以获得较大的流动性，水泥的水化热要低以避免因混凝土内外温差大而产生裂缝，水泥的强度要高以保证用较少的水泥获得较高的强度。硅酸盐水泥，调粒水
18、泥，球状水泥等均可用来配制高性能混凝土。2.2 高性能混凝土对骨料的选择高性能混凝土中骨料的体积约占混凝土体积的的60%75%，而粗骨料约占全部骨料体积的60%-70%。在混凝土中骨料具有重要的技术和经济作用，正确选择骨料的品种和性能，符合有关技术标准的要求，是配制高性能混凝土的基础。根据当前国内外对高性能混凝土的一些看法，其强度等级应在C60以上，而耐久性则在一百年以上。按照这样的目标，对骨料的选择时必须考虑以下问题：（1）级配的要求空隙率尽可能低，这样达到相同的流动性时，水泥浆的用量低，混凝土的自收缩变形低，水化热低，体积稳定性好，对强度、耐久性均好。所以混凝土的用骨料既要求级配合格，也要
19、粗细大小适中。（2）物理性能的要求骨料的表观密度和堆积密度要大，吸水率要低，表面要粗糙，表观密度2.65 kg/m3，堆积密度1450kg/m3,这样可以降低骨料的空隙率，降低水泥秒浆的用量，有利于流动性、耐久性和强度。吸水率1.0 %,这说明岩石比较致密，稳定性好。粒形正，针片状含量低，粒径一般20mm, 表面粗糙的石灰石碎石或硬质砂岩碎石物理性能好。（3）力学性能的要求不能含软弱颗粒的骨料或风化骨料。岩石抗压强度应力为混凝土强度的1.5倍，采用50 mm的立方体试件或50mm50mm圆柱体在饱和状态下测定抗压强度值，不宜低于80MPa。骨料的弹性模量越大，混凝土的弹性模量也相应增大，故应选
20、弹性模量大的骨料。因此，细骨料应选用石英含量高颗粒浑圆洁净，具有平滑筛分曲线的中粗砂，细度模数应在2.63.2之间。粗骨料应是高强、低吸水率、表面结构粗糙的碎石。粗骨料的最大粒径不宜超过15mm20mm，其针片状含量不宜大于5%，其压碎值宜在10%15%之间。2.3 高性能混凝土拌合用水的选择混凝土拌合用水是在混凝土制造时加入其中，赋予混凝土的流动性，并和水泥发生水化反应，使混凝土凝结、硬化及满足其强度发展。拌和用水对掺合料的性能，混凝土的凝结，硬化，强度发展，体积变化以及工作度等方面的性能给予很大的影响，水中不要含有对混凝土中的钢筋产生有害影响的物质。一般认为能饮用的水都能用来拌和混凝土，在
21、工业用水，地下水，河流水，湖沼水等中当含有有害杂质时，使用时必须满足混凝土拌合水的质量要求。混凝土的拌合用水标准：（1）对凝结时间的影响。用待检验水和生活饮用水进行水泥凝结时间检验，两者的初凝时间和终凝时间相差不得大于三十分钟，而且要符合水泥国家标准的规定。（2）对抗压强度的影响。用待检验水配置的水泥沙浆或混凝土的28天的抗压强度不得低于用饮用水拌制的沙浆或混凝土抗压强度的90%。（3）杂质限量。不溶物如粘土或淤泥等含量的增加，可能会提高需水量，降低混凝土的强度或增加干缩。水藻或其他不溶有机物在搅拌期间可能溶解，影响水泥水化，对混凝土强度不利，也影响混凝土化学外加剂的作用。一般高性能混凝土的用
22、水量要少于175 kg/m3。2.4 高效减水剂的选择混凝土的流动性，耐久性和强度等方面的性能，主要是受单方混凝土中的用水量，水泥用量和矿物质超细粉的影响。混凝土达到高性能的理念是：获得适合施工作业的工作度范围内，尽可能的降低单方混凝土的用水量。使用高效减水剂与矿物质超细粉双掺是降低单方混凝土用水量的主要途径。也是是混凝土获得高性能的途径，因此高效减水剂成为高性能混凝土不可缺少的组成材料。当前，国内外在高强高性能混凝土中使用的高效减水剂可分为四大类。萘系，三聚氰胺系，氨基磺酸系，多羧酸系。其中氨基磺酸系，多羧酸系高效减水剂被称之为新型高效减水剂。新型高效减水剂与过去的减水剂用法相同，但低水胶比
23、，添加量大时，黏度高计算时应该注意。大量使用高浓度、高效减水剂时，不能忽视剂量中固体组分的含量，须按照含固量进行计算。2.5 矿物超细粉的选择矿物超细粉是高性能混凝土的一个重要组成部分，它是指粒径小于10微米的矿物粉体材料，由于超细化而具有新特征。矿物质超细粉一般的比表面积6000cm2/g,超细粉掺入水泥中起微观填充作用，并给混凝土带来新的特征，作为高性能混凝土超细粉常用的品种有硅粉、粉煤灰、超细矿渣和天然沸石粉等。(1)硅粉对高性能混凝土的影响 坍落度。由于硅粉的比表面积很大，和水泥水化释放的氢氧化钙在相当短的时间里就发生反应，坍落度损失快，因此应在使用硅粉的混凝土里同时掺入高效减水剂。含
24、气量。硅粉的比表面积大，也含有一定的未燃碳，吸附引气剂，混凝土中引气困难，故要获得一定的含气量，必须增加引气剂的掺量。泌水。混凝土中掺入硅粉，使泌水量降低。因为硅粉粒子在很短的时间就和氢氧化钙反应，形成水化物的凝胶层，因此应掺高效减水剂。(2)粉煤灰对高性能混凝土的影响 工作度。粉煤灰是煤粉煅烧后，熔融成分受到急冷而得到的。将粉煤灰置换部分水泥使用时，获得相同稠度下，单方混凝土用水量可以降低。水化热。粉煤灰可以和水泥水化放出的氢氧化钙反应，速率与水泥相比相当小，水化热也小。但粉煤灰火山灰反应相当缓慢的情况下，用粉煤灰置换水泥后，达到相同的水化程度时间长，但水化热并不降低。因此粉煤灰抑制混凝土的
25、升温，可有效的缓和混凝土的开裂。强度。以粉煤灰置换一部分水泥后，混凝土的强度与基准混凝土相比，早期强度偏低，但长期强度增长大。优质粉煤灰置换25%硅酸盐水泥时，200C下湿养护，36个月可与不含粉煤灰的混凝土达到相同的强度。(3) 矿渣对高性能混凝土的影响 降低单方混凝土的用水量。混凝土达到相同工作度与流动性时，含矿渣超细粉混凝土的用水量可以降低。中性化。在水胶比相同的情况下，含矿渣超细粉的混凝土的中性化速度比基准混凝土试块稍快，特别是早期养护不良的情况下，中性化的速度更快。(4)天然沸石粉对高性能混凝土的影响 徐变。沸石粉高性能混凝土180天的徐变度为59.9，普通混凝土高强混凝土200天的
26、徐变度为28.3。沸石粉高性能混凝土的徐变度略高。180天时沸石粉高性能混凝土的徐变系数为1.90，相应的普通水泥高强混凝土为1.20，前者稍大。抗冻性。以硅酸盐水泥450kg/m3,W/C=0.34,基准混凝土与沸石粉高性能混凝土的强度分别为65MPa及70MPa，经100次冻融后，基准混凝土的强度损失约为5.0%，而沸石粉高性能混凝土为4.6%,重量损失均为0。沸石粉高性能混凝土具有良好的抗冻性。抑制碱-骨料反应。天然沸石粉对水泥混凝土中的碱-骨料反应具有优异的抑制作用。在普通混凝土中，以30%的天然沸石粉置换相应的水泥后，即使混凝土中都是碱活性骨料，水泥中的碱含量达1.82%,也不会发生
27、碱骨料的有害膨胀。 由以上四种超细粉对混凝土的影响可以看出，掺入矿物超细粉的混凝土，它的性能都比原来有所提高。利用粉煤灰、硅粉、沸石粉等活性二氧化硅含量高、颗粒极细的矿粉，按一定比例进行复合，掺入混凝土中，填充水泥颗粒间及水泥与骨料间的空隙，使混凝土密实，即可降低水泥用量，又可改善混凝土拌和物的和易性，减少泌水和离析现象，改善混凝土的工作性能，提高混凝土的强度。因此矿物超细粉对改善混凝土的孔结构，提高抗渗性和耐久性十分有利。第3章 高性能混凝土的施工配合比设计3.1 施工配合比设计原则在高性能混凝土所用材料选定之后接下来的工作就是对施工配合比进行设计。高性能混凝土的施工配合比设计与普通混凝土不
28、同，首先应保证耐久性的要求。目前尚无高性能混凝土配合比设计的标准方法，只能根据工程的要求和现有的高强混凝土的配合比设计方法及高性能混凝土的实际工程经验，设计初步配合比，然后通过试配确定最终配合比。HPC配合比设计必须坚持的四项原则见下图3-1。HPC配合比设计原则耐久性原则强度原则工作性原则经济性原则 图3-1 HPC设计原则高性能混凝土配合比设计是确定生产技术参数的重要依据，是高性能混凝土质量控制的最重要环节。在设计中，必须首先了解混凝土结构的使用年限，设计劣化外力，劣化现象和容许劣化状态等。一般的劣化外力主要是气温、湿度、太阳辐射热和关于中性化的劣化外力。特殊的劣化外力主要是关于盐害的劣化
29、外力、关于冻害的劣化外力以及酸性土壤、腐蚀性物质等方面的作用。高性能混凝土质量控制有一项很重要的内容就是如何控制耐久性，但是耐久性是一项综合指标，而且受到试验设备和方法的限制，无法在质量验收工作中用某个具体指标来衡量。在设计思想中应充分考虑使用环境中的劣化因素，运用数学方法进行寿命预测，在所提供的配合比报告单中给出有关耐久性的多项指标试验数据，并给出具体环境中的建议性使用年限，做到HPC设计的科学化、系统化和规范化。通过严格的流变性能检测、强度检测、抗渗性和抗冻性、体积稳定性、温变性能、碳化等性能检测保证了高性能混凝土的工作性、强度和耐久性，但是经济性要求不可忽视。高性能和高价格，低性能和低价
30、格都不行，只有高性能加上合理的价格才能促进高性能混凝土的继续发展。3.2 施工配合比设计要求(1)高耐久性的要求为了保证混凝土的耐久性，在高性能混凝土配合比设计时，必须考虑：抗碳化性，抗化学侵蚀性，抗冻性，碱-骨料反应，抗干燥收缩的体积稳定性，抗大气作用性，耐磨性。这些性能受水灰比的影响很大，水灰比低，混凝土的密实度高，耐磨性，抗碳化，抗渗性等方面的性能好，体积稳定性也好。故高性能混凝土希望水灰比小于0.4，为了提高高性能混凝土的抗化学腐蚀和抗碱-骨料反应，提高强度和密实度，一般都要以矿物质超细粉取代相应的水泥。 (2)高施工性的要求一般新拌混凝土的施工性和易性评价，也即混凝土在运输，浇筑以及
31、成型中不分离，易于操作的程度，这是新拌混凝土的一项综合性能。坍落度是新拌混凝土流动性的一个指标，从施工操作来说，坍落度越大，流动性也越好，则认为和易性也越好。但坍落度大时，一般单位用水量也越大，容易产生离析，均质性差。因此在施工操作允许的条件下应尽可能降低坍落度，高性能混凝土的坍落度一般在1820cm之间。高性能混凝土比大多用于高层钢筋混凝土建筑，这种建筑配筋率大，混凝土浇筑困难，坍落度若小于15cm则施工很困难，故工程中一般采用18cm的坍落度。3.3 高性能混凝土组成材料的确定3.3.1 水胶比的确定高性能混凝土的水胶比一般在0.4以下，从抗压强度考虑，一般利用水灰比与抗压强度成直线关系反
32、算水胶比。低强混凝土的水胶比与抗压强度的关系仍适用于高性能混凝土。但当水泥用量增加到一定值后，再增加水泥用量将不会提高强度，这是由于需水量也增加了。设计标准强度为50MPa时，试配强度为5560MPa，其水胶比在0.350.40之间，设计标准强度为60MPa，则水胶比在0.300.35以下，最终以实际试配确定水胶比。3.3.2 单位用水量的确定在和易性允许的条件下，混凝土的单位用水量应尽可能小，对于高性能混凝土来说，由于其骨料最大粒径和坍落度波动范围很小（分别为1025mm和1821cm），而且坍落度可通过调整减水剂用量来控制。用水量与强度的关系见表3-1： 表3-1 最大用水量与试配强度的关
33、系试配强度 MPa最大用水量kg/m3试配强度MPa最大用水量kg/m350601651759014065160105130751501201203.3.3 水泥用量的确定由上述水胶比和单位用水量可计算得到水泥的用量。但应注意当水泥用量超过某一最佳值后，在等流动性下，混凝土强度不会再提高，尤其对于引气混凝土，增加水泥用量时，对于强度的贡献还不及在非引气混凝土中。水泥用量超过一定数值后，混凝土将变的干硬，坍落度损失也增大，故将水泥掺和料和砂进行试配，以考察水泥用量对混凝土浇筑性的影响。3.3.4 超细粉的掺量的确定高性能混凝土一般要掺超细粉、矿物质超细粉在胶凝材料中起填充空隙与化学反应两方面的作
34、用，使水泥石致密，使硬化混凝土的强度与耐久性提高。经实验表明：硅粉、矿渣和沸石粉可等量代替水泥，混凝土中以5%7%的硅粉置换相应的水泥，在用水量相同时，流动性不降低，但强度却提高10%左右。对于天然沸石粉以5%10%的超细粉代替水泥，流动性不变，强度也提高10%左右，用矿渣取代10%的水泥，混凝土的强度也提高10%左右，流动性也有所改善。硅粉和沸石粉的适宜掺量约为10%，矿渣约为25%。当以硅粉，矿渣或粉煤灰复合掺加时，效果更好，两者的适宜比例为硅粉10%，粉煤灰或矿渣15% 。而粉煤灰应采用超量取代法掺入，超量取代系数为1.41.2,粉煤灰的适宜取代量约为水泥量的25%，但应这时为了达到改善
35、混凝土强度与抗渗性的目的，在常温下至少需湿养护28天。3.3.5 砂率的确定高性能混凝土的砂率一般取决于骨料的级配和颗粒的形状，水泥浆的流变性和混凝土的工作性，由于高性能混凝土中水泥浆体积相对较大，故砂率偏高，但砂的体积不超过骨料总体积的40%，通常对于28天抗压强度为60120MPa的高性能混凝土，砂率大多在34%-44%的范围内，当强度在80-100MPa之间时，砂率主要集中在38%-42%之间，且随着混凝土强度的增高，砂率呈减少的趋势。3.3.6 高效减水剂的确定为了获得一定的坍落度，混凝土必须使用新型的减水剂，既能增大坍落度，又能控制坍落度的损失，以固体用量计，高效减水剂的掺量通常为胶
36、凝材料总重的0.8%-2.0%,第一次试配掺加1%，但为了同时获得所要求的工作性，凝结性能和经济性，往往需要根据施工条件，通过多次实验确定最佳掺量。由以上可得出C30、C60的高性能混凝土配合比见下表3-2: 表3-2 HPC的配合比强 度等 级 水 泥kg/m3 水kg/m3 砂kg/m3 石kg/m3掺合料kg/m3减水剂kg/m3水胶比沙率%C30200 163 7121068200110.4140C60380169614104618016.80.3237第4章 高性能混凝土施工过程管理高性能混凝土在材料选定与施工配合比确定之后，接下来的工作就是对具体的施工过程进行管理控制。它包括高性能
37、混凝土的搅拌、运输、浇筑、振捣、泵送施工及养护等相关的工作。4.1 高性能混凝土的施工工艺4.1.1 搅拌 HPC由于水胶比低、粘性大同时又有较高的密实性要求， 对搅拌机的种类与搅拌工艺有一定的要求。因此，自落式搅拌机和翻转搅拌机都无法满足应采用卧轴强制式搅拌机来搅HPC。 不同的投料顺序与拌合方式对HPC拌合物的性能有很大响，应结合实际情况选用。当采用双锥式搅拌机时可用图4-1表示的投料顺序。在搅拌 HPC时，应注意高效减水剂的投入时。应在其它材料充分拌合后再加入，而不能使其与水泥接触。则将严重影响HPC质量并导致离析。若高效减水剂制成溶液后加入，则在拌合水中扣除这部分溶液用水。水泥掺合料沙
38、子水搅拌40s砂浆搅拌1min出料减水剂粗骨料图4-1 HPC的搅拌过程 4.1.2 运输 从搅拌站到施工现场的运输主要应解决好坍落度损失问题。这就需要搅拌站和施工现场之间密切配合，使运送速度和浇筑速度相协调：运输时应尽可能缩短运输的道路和时间。采有效的保温、防热、防雨和防风措施。另外，还可以采用如下方法： (1)分次添加高效减水剂。即在搅拌时加入一部分，在运输中或运抵现场后再次投入余下部分。 (2)使用载体流化剂，使高效减水剂逐渐缓慢的释放出来或使用复合型高效减水剂。 4.1.3 浇筑和振捣 浇筑 HPC之前要作好准备工作，基于 HPC拌合物的特性，准备工作应注意以下两点： (1)对模板的要
39、求 由于HPC的坍落度大、流动性高，对模板的压力增大，接近于液体压力，因此设计时对侧压力的取值，对模板的选型、选材都要经过特别的计算，同时还应考虑模板的形状和大小、配筋情况、浇筑速度和高度、凝结速度、环境温度等因素。 (2)对填充性的检查 填充性是评价 HPC工作性的重要指标，在某些有特殊要求或配筋复杂的情况下，混凝土拌合物的填充性决定了其硬化后的质量，因此，在浇筑之前要作填充性检查。方法是在泵送前的位置设置类似于结构物的钢筋阻碍物，以要求的速度通过，不能正常通过该装置的混凝土则认为填充不合格。环境温度和水化热对 HPC拌合物的坍落度和硬化后的强度都有较大的影响。减小水化热的影响主要应采取措施
40、降低内外温差。在酷暑期减小环境温度对强度的影响，则应采取一定的冷却措施，如降低拌合物温度，浇筑安排在夜间等。HPC并不就是免振自密实混凝土，不经振捣的HPC强度和抗渗性均有所降低。因此，短时间的振捣是必要的。针对HPC的高粘性，振捣工序应采取相应措施：浇筑薄板时不宜将振捣棒水平拖动，宜采用小间距、浅插频换插点的办法；浇筑梁、柱或墙时，则应上下振动，垂直缓慢拔棒，以免留下孔洞。4.1.4 泵送施工 高性能混凝土泵送施工时，由于HPC材料或性能等造成的泵送困难问题应采取相应措施。泵送困难产生原因： (1)从搅拌至泵送入模，经历时间太长，由此产生坍落度损失。 (2)水灰比低，粘性高，故拌合物在泵送管
41、内流动的阻力大。 (3)若外加剂的含气量过度，气泡将泵送压力吸收停止加压时又将其释放不能对混凝土形成足够的推力。 相关的预防措施有以下几种： (1)考虑减水剂的添加方式(如分次添加)或在胶凝材料的选择上采取措施，减小坍落度损失。 (2)选用引气作用适宜的高效减水剂。 (3)增加泵送压力和速度，输送管不得使用铝质材料，以免与碱性成分反应生成气体，增加含气量。 4.1.5养护混凝土的养护是混凝土浇筑成型以及在成型后硬化的早期阶段，保护混凝土不受低温、干燥、温度激烈变化等有害影响以及振动、冲击及荷载等作用，为了使混凝土结构获得充分的强度和耐久性所必不可少的一项工作。高性能混凝土由于用水量低、水灰比低
42、、易发生自收缩而产生裂缝，所以浇筑捣实后，盖上湿布或湿草帘进行早期养护，以保证内部水分不逸散，是保证高性能混凝土性能的重要工艺措施。混凝土的强度来源于水泥的水化，而水化只有在被水充满的毛细孔中才能发生。如果混凝土在干燥环境下养护，水泥水化作用会随着水分的逐渐蒸发而停止，引起了千缩裂缝及结构松散，从而影响其各技术性能。所以必须采取一定措施来控制水分蒸发，促使水泥最大程度的水化。当质量优良的混凝土浇注于工作区中，养护是保证其在寿命期内获得良好工作能的必要条件。养护对混凝土的耐久性也有重要影响，如果缺乏良好的养护操作，即使质量优良的混凝土也会劣化，引起混凝土结构耐久性的降低。而在我国历史建筑中，混凝
43、土耐久性不足引起的结构破坏问题非常严重。其原因之一是过去的结构设计，不考虑耐久性，忽视了结构的寿命，加上养护管理不当，施工偏差，致使结构的破坏速度极快，达不到预定的目标就需要加固处理，加重了国家、企业的经济负担。再者水泥工业是一个高能耗、高污染的产业，若因为养护不良使结构的耐久性不高而导致重复建设，势必造成人居环境的破坏及能源的极度消耗，这在目前能源紧张的环境下，其弊端日益突出。所以加强混凝土的养护有着现实的必要性。 高性能混凝土养护的具体措施应在浇筑成型即用薄膜覆盖，以免混凝土中的水分蒸发，终凝后即开始浇水，以保证环境湿度。洒水养护时间，对于采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸水泥和火山
44、灰质硅酸盐水泥拌制的混凝土，不得少于7天，对于抗渗性要求高的混凝土及高性能混凝土，不得少于14天，而且只有当混凝土强度达到设计强度的70%以上时，方可停止养护。为保证养护期内的湿润状态，在一般气温下约15OC20OC,开始养护的最初3天，每隔23天浇水一次，以后可视气温高低而调整浇水次数。当日平均气温低于5 OC时，不得浇水养护，但混凝土表面仍需覆盖。4.2 生产过程中的质量控制高性能混凝土生产过程中的质量控制，是指在生产过程中，根据规定的控制标准，对混凝土性能进行经常性的抽检，及时纠正偏差，以保持生产过程中混凝土质量的稳定性。根据目前的施工体制，生产过程中控制阶段包括了根据设计配合比进行的工
45、厂搅拌和现场施工，高性能混凝土生产过程中的质量控制阶段分为工厂控制和施工过程控制两部分。4.2.1 工厂生产控制工厂生产控制包括了原材料质量抽检、含水率测定、配料、计量、搅拌、工作性评价、自检试件留置等一系列工艺过程的控制。通过绘制质量管理图(单值管理图、移动平均管理图、级差管理图、移动级差管理图等)进行控制，对于异常变化趋势的准确判断需要技术人员具有足够的经验。在这一系列与质量有关的活动中尽可能地提高各个工序的自动化程度，使用各种快速试验方法，并尽量减少人员误差，来保证高性能混凝土出厂时的质量。工厂控制的一系列活动是由搅拌站来进行，其目的是内部质量自检和监控生产的稳定性。由于施工过程中的一系
46、列因素的影响，仅仅工厂控制还不足以保证用于构件高性能混凝土的质量。高性能混凝土的施工过程控制涉及了现场工作性检查、运输、评定试件留置、浇筑、振捣、养护等工艺。目前的高性能混凝土质量控制既存在体制上的缺陷，又存在技术上的不合理，生产的自动化和现场施工的手工化同时并存。生产的自动化并不能确保混凝土的质量。多单位配合的生产工艺对高性能混凝土质量控制来说弊大于利，生产和施工脱离，不利于明确责任，也不利于混凝土技术的进步和推广。假设所浇筑的构件质量出现问题，存在三种可能：工厂生产不合格或者现场施工方法不正确，也有可能是两者都不同程度的存在问题。目前的现状是只要高性能混凝土质量出了问题，施工企业从来不从自
47、身找问题原因，而是直接将矛头对准了混凝土生产企业。由于市场地位的差别，生产企业往往都成了替罪羊。技术上的原因是指高性能混凝土生产企业的产品质量控制不力，在经过长距离运输后，混凝土的工作性与设计目标相比大打折扣，需要在现场二次流化甚至重新搅拌，这就为以后的质量纠纷埋下了伏笔。解决这个问题的办法是成立专业化混凝土公司，施工单位只要将模板架设完成后，经混凝土公司检查，剩余的混凝土相关工作由专业混凝土公司来完成，这种方式对于技术进步和明确责任都有益。4.2.2 施工过程控制经过工厂生产的严格控制，高性能混凝土的质量在很大程度上决定于它的施工过程的质量控制状况。因为施工阶段是高性能混凝土工程质量形成最重
48、要的阶段，在施工过程中，受施工人员素质、机具设备状态及外部环境等因素变异的影响，使工程质量的形成受到严重干扰。因此，施工过程中的质量控制一直是人们极为关注的问题。要实现对高性能混凝土施工过程的控制，就必须建立一种控制方法，这种方法应该具有以下特点：(1)首先这种控制方法必须要和高性能混凝土分项工程的最终合格验收尽可能相一致，因为控制就是为了最大可能地要通过验收。 (2)高性能混凝土的施工并不是一次完成，具有阶段性，这种方法要能够适合阶段性操作。 (3)高性能混凝土的检验采取抽样检验，样本数量一般较少，要能够充分利用此前阶段的样本数据，能够及时反映当前的质量状况。 (4)通过对已浇筑批的强度数据来预测下一批高性能混凝土强度可能分布状况。由于高性能混凝土的质