高性能混凝土配制与应用.ppt

1、报告人：韦江雄报告人：韦江雄2009年6月28日College of Materials Science and Engineering South China University of Technology 1990年5月在美国国家标准与技术研究所(NIST)和混凝土协会(ACI)主办的第一届高性能混凝土讨论会上提出高性能混凝土(High Performance Concrete,简称HPC）*混凝土结构工程发展的需要；*可持续发展的需要；*科学技术发展的必然趋势；高强混凝土=高性能混凝土耐久性抵抗腐蚀能力工作性体积稳定性使用性.？强度 高性能混凝土高性能混凝土是一种新型高技术混凝土是一种

2、新型高技术混凝土,是在是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代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混凝土技术制作的混凝土,是以耐久性作为设计是以耐久性作为设计的主要指针的主要指针;针对不同用途要求针对不同用途要求,对下列性能有对下列性能有重点地予以保证重点地予以保证,即即耐久性、施工性、适用性、耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性强度、体积稳定性和经济性。美国NIST与ACI日本学者欧洲学者加拿大学者我国学者力学性能体积稳定性耐久性经济性能工作性能环保性能流动性粘聚性可浇筑性抗压强度抗拉强度抗折强度高弹性模量低干缩低徐变低温度应变抗化学侵蚀抗冻融抗碳化

3、o 混凝土高性能化的概念 强用美强度机能性美观强度耐久性流动性品质保证品质管理所谓的高性能混凝土（High Performance Concrete）就是指具有用一般的方法难以实现的、在强度、耐久性和流动性等方面优越于普通混凝土的一类混凝土。值得强调的是，就某一种高性能混凝土而言，并不要求其各方面性能都高性能化，这不仅难以做到而且也不经济，应根据建筑物所处环境和工程施工的需要，设计和制备这样一种混凝土in relation to particular design properties，如果用数值1.0表征普通混凝土的强度、耐久性和流动性，那么高性能混凝土的性能可表示为：1.0FDSSSDDS

4、F1.01.01.01.01.01.0流 动 性 （F）强度（S）耐 久 性（D）1.01.0高流动混凝土高流动混凝土 高流动性钢 筋 间通过性分离抵抗性高流动混凝土混凝土高流动化技术，可按所使用材料的种类分为：1粉体系：粉体+高性能减水剂；2增粘剂系：高性能减水剂+增粘剂；3粉体与增粘剂并用系：粉体+高性能减水剂+增粘剂水中不分离混凝土 高强混凝土 o 从混凝土的构成材料角度来看，获得高强混凝土的方法有：1.采用高性能减水剂；2.掺加硅灰或细磨高炉矿渣粉等无机矿物掺合料；3.掺加无定形无水石膏细粉等。o 在我国我们还应考虑水泥和集料的影响，即要选用优质水泥和性能符合要求的集料。1930100

5、MPaCompaction by high pressure1960s100MPaSuperplasticizer1970s100-120MPaSuperplasticizer+Mineral admixture1980s150-250MPaSuperplasticizer+Mineral admixture+Aggregate高韧性混凝土韧性韧性又称冲击韧性，它是材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质；或是在冲击振动荷载作用下，吸收能量、抵抗破坏的能力。材料的冲击韧性用具有一定形状和尺寸的试件(具有U型或V型缺口)，在一次冲击作用下冲断时所吸收的功来表示，称为冲击吸收功Ak(J

6、)；或用断口处单位面积所吸收的功来表示，称为冲击韧性值k(Jcm2)。韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。木材、建筑钢材、橡胶等属于韧性材料。有冲击振动荷载时须考虑材料的韧性。脆性断裂是混凝土材料的致命弱点，而且强度越高、致密度越大，这一弱点越明显。为了克服这一弱点和改善特性，一般多采用在混凝土中配入象玻璃纤维，钢纤维、有机纤维、碳纤维，阿拉米德纤维等增强材料的办法，而且混凝土的韧性随纤维配入的体积率的增大而增高。纤维配入的方法和多，但不管是采用3维、2维或1维入法，还是使用网状或棒状纤维，都能获得较好的增强效果。轻质混凝土采用以膨胀页岩为原料制成的人造轻质骨

7、料，可以很容易地制备自重轻、热特性优异的轻质混凝土。为了扩大用途，目前正在进一步研究改进这种混凝土的性能，以使其设计标准强度由目前的26MPa增至35MPa。使用这种人造轻骨料时，由于其自身强度的限制，制备的混凝土的强度最高只能达到4959MPa。采用超轻质骨料并混入气泡和通过蒸压养护的组配方法，有可能生产比重为1.5，抗压强度高于49MPa的混凝土，这种技术的开发近年来很活跃，预计很快将达到实用化要求。低热混凝土水泥水化时引起的发热，是建筑物大型化和混凝土高强化时，普遍遇到的难题，它直接影响建筑物的质量和进一步大型化。为了解决这一难题，就材料而言，一般多采用中、低热水泥、粉煤灰水泥等低水化热

8、水泥。高炉矿渣与粉煤灰混合制成的水泥，降低发热量的效果也比较明显，目前已用于建造桥基。就施工而言，浇灌时有效地降低混凝土温度，也能控制由水化热的作用而引起的温度升高。目前常用的效果较好的冷却剂有冷水和液氮。纤维增强混凝土碳纤维增强混凝土（CFRC）这是一种将长度为35mm的短纤维，以24的容积比，按3维无规则分散排列在灰浆基体中制得的混凝土，其重量、力学性能、耐久性、尺寸稳定性优于传统的钢筋混凝土。这种混凝土已开始用于外装饰用幕墙，而且多采用聚氟乙烯树脂进行喷涂。据介绍，用聚氟乙烯树脂喷涂的幕墙，其成本要比铝幕墙低得多。3维纤维增强混凝土（3D-FRC）这是一种以3维编织物为增强材料的混凝土，

9、其重量、强度、耐久性都较优异，有可能广泛用于超高层建筑物、海洋和地下构筑物等。使用的3维编织物时用碳纤维和阿拉米德纤维束，按三向编织并通过环氧树脂浸渍以保持力状态灵活选定，以及增强纤维呈格子状结构致使与水泥系基体的机械粘附力增大。高性能混凝土制备技术-材料特征：优选骨料 高性能混凝土材料组成活性矿物掺合料，降低水泥用量使用高效减水剂和其它必要的化学外加剂，降低水胶比高性能混凝土制备技术-结构特点：孔隙率较低，而且基本上不存在大于100nm的大孔；水化物中Ca（OH）2减少，CSH和AFt增多；未水化颗粒较多，未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多，各中心质间距离缩短，有利的中心质效应增多，中心

10、质网络骨架得到加强。界面过渡层厚度小，并且孔隙率低、Ca（OH）2数量减少，取向程度下降，水化物结晶颗粒尺寸减小，更接近于水泥石本体水化物的分布，因而得到加强。高性能混凝土制备技术-性能特点：o 高工作性；o 低渗透性；o 高强度；o 体积稳定好；o 长期耐久性能好；高性能混凝土o原料的选择 o配合比的确定 o施工工艺控制 o验收规范 注：材料的选择应符合高性能混凝土的要求；外加剂水泥 等级C3A含量熟料中的碱含量颗粒组成SO3形态等矿物掺合料组成表面织构颗粒大小、级配活性骨料强度粒径级配减水剂缓凝剂引气剂.工作性、强度、耐久性混凝土高性能减水剂高性能减水剂 注：注：高性能减水剂与胶凝材料的相

11、容性问题；高性能减水剂与胶凝材料的相容性问题；（1）低渗透性的原则（2）胶凝材料总量应大于设计相同强度等级传统混凝土时的水泥用量，以保证良好的施工性并提高混凝土的耐久性；（3）砂率按混凝土施工性调整。为不严重影响混凝土弹性模量，砂率不宜大于45%；（4）由于胶凝材料中各组分密度相差较大，宜采用绝对体积法进行配合比的计算。在现有HPC 实践经验的基础上,对主要的配合比设计参数作出一些假设,从而得到试拌用的第一盘配料的配合比。其主要假设有:水泥浆与骨料的体积比为3565。用水量根据混凝土强度等级取不同的设定值。假定含气量,再根据用水量和水泥浆体积,算出水泥用量。近似假设水泥与矿物掺合料(粉煤灰、硅

12、灰及矿渣等)的体积比为7525,复合双掺时,硅灰与粉煤灰或矿渣的体积各为10%,15%;粗细骨料体积比设为60400;高效减水剂的掺量设为1%。基于最大密实度理论,主要步骤如下:(1)根据混凝土的28 d 强度与水胶比关系选择混凝土的水胶比;(2)选择高效减水剂的掺量;(3)利用专门设计的仪器量测不同砂率下集料颗粒堆积物的空隙含量,找到空隙率最小时的砂率;(4)试验研究集料堆积物的空隙含量与其表面积的综合效应;(5)确定最优砂率。(1)混凝土各组成材料(包括固、气、液3 相)具有体积加和性;(2)石子的空隙由干砂浆来填充;(3)干砂浆的空隙由水来填充;(4)干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组

13、成。（4 4）（5 5）注：根据美国Mehta 和Aitcin 教授的观点,HPC 同时达到最佳的施工和易性和强度性能,其水泥浆与骨料的体积比应为3565,故对HPC,可取V e=350 L;对流态混凝土FLC,经过大量试验研究与工程实践,认为V e 值也以取350 L。注：按照Mehta 和Aitcin 教授的假定,在HPC 中水泥与细粉料(如粉煤灰或矿渣)的体积比为7525；主要观点：（1）石子数量1100kg/m3；（2）提出砂的比表面积的概念；（3）进行砂浆的设计；（1）高性能混凝土的配合比参数1、水胶比2、浆集比3、砂率4、高效减水剂用量（1）耐久性要求低水胶比（0.4以下），为了保

14、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。（2）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。1.水胶比水胶比 cw)b fc=m(强度与水胶比倒数的关系fc：混凝土抗压强度 ：灰水比cwm、b：常数。根据统计结果，上述混凝土强度公式中大约为：m258，b1343。而当水胶比低于040以后，上述强度公式大体为：m20，b6。低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一。为达到混凝土的低渗透性以保证其低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一。为达到混凝土的低渗透性以保证其耐久性，

15、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能大于耐久性，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能大于0.400.40，以保证混凝土的密实。，以保证混凝土的密实。水胶比的确定是混凝土配合比设计的关键，设计者最好根据长期试验的大量数据回归出适合于自己使用的公式。下表为掺用粉煤灰时建议的水灰比.2、浆集比、浆集比 浆集比主要影响混凝土的工作性，在一定程度上还影响强度、弹性模量和干缩率。高性能混凝土的特点是流动性大、水胶比小，为保证混凝土具有足够的流动性，就要求有较大的胶凝材料总用量。集料孔隙率；砂浆填充集料孔隙，取合适的富裕系数（1.21.4）；浆体填充粗集料和细集料的孔隙率

16、，取适当的富裕系数（1.21.4）；胶凝材料总量不能低于300kg/m3，但也以不超过550kgm3为宜。3、砂率、砂率 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。由于高性能混凝土用水量很低，砂浆量要由增加砂率来补充，砂率宜较大。泵送混凝土的砂率控制在40一45之间。（1）当集料为连续级配时，泵送混凝土的砂率应比普通混凝土提高45，而当石子级配不好时，则砂率应提高更多。（2）据日本资料介绍，平均坍落度每提高20mm，砂率应增加1，而强度并无明显变化。（3）中国建筑科学研究院发表的实验数据证明，水灰比为0.550.53时，砂率在34一46之间变化对强度无明显影响编号W/C砂率/%坍落

17、度/mm抗压强度MPa弹性模量GPa备注10.43415560.343.2离析、泌水20.43818062.142.9稍离析30.44220067.041.740.44619068.642.4稍粘50.45014072.040.7粘性大砂率对混凝土性能的影响砂率对混凝土性能的影响（1）从工作性来看，最优砂率在38一46之间，超过此范围后，坍落度减小。（2）随着混凝土砂率的增加，强度呈增长的趋势，而弹性模量则呈下降趋势。（3）石子级配越差，则要求的砂率越大，越要求使用粗的砂。（4）掺入密度小的辅助胶凝材料时，可减小砂率。4、试配和调整、试配和调整试配调整（1）坍落度主要用超塑化剂掺量来调整。增加

18、超塑化剂掺昼可能引起拌和物离折、泌水和缓凝。此时可增加砂率和减小砂的细度模量来克服离析、泌水现象。（2）对于过分缓凝的可更换超塑化剂，如改用含促凝早强成分的超塑化剂。（3）当增加超塑化剂不起作用时，可能是水泥中的C3A含量过大，应更换水泥。（4）如混凝土28d强度低于预计的强度，可减少用水量或考虑将粗集料改为碎石。养护对强度的影响养护Applying curing compound while concrete is still freshMoist curing after concrete hardens蒸汽养护蒸汽养护高性能混凝土工程应用一：珠江特大桥o 处于珠江出海口的航道上受潮湿与海

19、水腐蚀影响,台风及通航时波浪溅袭环境下的珠江特大桥,o 40大体积承台钢筋混凝土与主桥大跨度(138+250+138)连续刚构箱梁60高性能混凝土。o 该特大桥采用优质新型-5缓凝高效减水剂与两种三组份胶凝材料(水泥+粉煤灰+磨细矿渣与水泥+硅灰+磨细矿渣)配制出满足设计、施工与高耐久性要求的40和60高性能混凝土,取得显著的技术经济效益。明石海峡大桥是世界上跨度最大(主跨1990)的悬索桥，该桥的2个锚碇是用自密实混凝土施工的。混凝土在工地附近的工厂搅拌，并从工厂泵送出来，通过200泵送管送到实际灌注工地，在灌注场的管路以35间距成排布置，每排管路上用5间距的阀门进行灌注，这些阀门能够自动控制，以便使混凝土保持水平。自密实混凝土粗骨料的最大粒径是40，下料高度3也未见离析，两个锚碇分别用了24万3和15万3强度为25的自密实混凝土，其混凝土配比见下表。该桥通过采用自密实混凝土施工新技术，使两个锚碇的施工从两年半缩短到两年，缩短工期20%。高性能混凝土工程应用二：明石海峡大桥明石海峡大桥锚碇用自密实混凝土配合比