高性能混凝土的发展与应用.ppt

高性能混凝土的发展与应用TheDevelopmentandApplicationofHighPerformanceConcrete,清华大学土木工程系覃维祖,20世纪80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，包括钢材、混凝土、塑料等。,1990年5月，在美国马里兰州Gaithers-burg城由NIST和ACI主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义。,一、高性能混凝土的由来与定义,术语：高性能混凝土,HighPerformanceconcrete,PerformanceandProperties表演、执行性质、特性性能,定义,高性能混凝土具有所要求的性能和匀质性的混凝土。采用传统的组分、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能日常生产这种混凝土的。这些性能，例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。高性能混凝土国际研讨会（1990）,定义,高性能混凝土满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。采用普通的组分材料和通常的搅拌、浇注与养护操作，未必能日常生产这种混凝土。美国混凝土学会技术委员会（1998）,注释：高性能混凝土的特性，是针对一定的应用和环境所要求的。例如：,易于浇注早期强度渗透性水化热体积稳定性,可捣实、不离析长期力学性质密度韧性在服务环境中运行寿命长久,高性能混凝土的许多特性是相互关联的，改变其中一个常牵扯到一或多个其他特性发生变化。因此，如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足，则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚。美国混凝土学会1998,高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在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，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。吴中伟,高性能混凝土的定义,高工作度高强度高耐久性可泵送、有掺合料的高强混凝土,高性能混凝土,高工作度,1）碾压混凝土拌合物需要足够地干硬以支撑非常沉重的振动压实机械不致下陷而正常地行进和工作。2）滑模混凝土拌合物需要具备适当的坍落度（25cm），使摊铺机正常地行进和工作。3）自密实混凝土拌合物需要有足够大的流动性和粘聚性，在没有外加振捣的条件下能够成型密实。,高强度,高强混凝土：C50的混凝土。局限性：1）28d龄期；2）仅指抗压强度，应用范围窄；3）温度收缩和自生收缩大。,建议将HPC的强度下限降低到C30左右，以不损及混凝土内部结构（如孔结构、水化物结构、界面区结构等）为度，以保证其耐久性与体积稳定性。许多大体积水工建筑、基础等对强度要求不高，但对耐久性、工作性、均匀性、体积稳定性、低水化热等有很高要求，都必须采用HPC。日本明石大桥采用20MPa的HPC是很正确的。吴中伟绿色高性能混凝土与科技创新建筑材料学报1998年第一期（创刊号）,高性能混凝土,大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒填充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充浆体填充骨料堆积体的空隙并在其表面形成润滑层，使拌合物具有满足施工需要的工作度,新拌混凝土的结构：,二、普通混凝土的微结构及其与性能的关系,水泥生产技术的发展,受早期强度发展快的利益所驱使，水泥中C3S含量越来越高、粉磨细度越来越大。,30年代以前，普通硅酸盐水泥的C3S在30%以下，美国ASTM允许22%的颗粒大于75m；自50年代开始，硅酸三钙含量超过了50%，而且基本上没有大于75的颗粒。,西方工业国于40-70年代曾因为早期强度很高的水泥问世，而当时结构的设计强度尚不高，于是出现将混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生产，在满足强度要求的前提下易于施工操作，然而这给混凝土结构的耐久性，尤其是当其暴露于侵蚀性环境工作时，带来了后患。混凝土技术新进展P.K.Mehta,混凝土技术的进展,新拌混凝土的坍落度,30年代干硬、插捣0cm50年代干硬、振捣0-2cm70年代塑性、高频振捣5-12cm80年代泵送、流态8-20cm90年代泵送、自密实10-25cm,混凝土技术新进展,70年代，日本的桶口芳郎做了一个试验：将坍落度为8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地发现在粗骨料下方普遍形成水囊；混凝土硬化后抗弯拉强度明显下降。,硬化混凝土的结构复杂而不均匀,由三相组成：1）骨料相2）硬化水泥浆体相3）过渡区相,骨料,过渡区,水泥石本体,C-S-H,CH,钙矾石,裂缝扩展的路径和方向,骨料,水泥石,骨料周围的过渡区,薄弱的过渡区相,钢筋,沉降裂缝,水囊,混凝土表面,钢纤维,双膜,氢氧化钙,水泥浆本体,多孔层,以上说明：多相且不均匀，骨料与硬化水泥浆体界面存在着薄弱的过渡区，是普通混凝土微结构的特征，决定了其强度和耐久性能。因此，为了提高混凝土的性能，关键在加强过渡区和改善均匀性。,多年来混凝土技术只有少数几次重要的突破。40年代开发的引气作用是其中之一，它改变了北美混凝土技术的面貌；高效减水剂是另一次重大突破，它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来巨大的影响。V.M.Malhotra.Superplasticizer:theireffectonfreshandhardenedconcrete(1981),混凝土技术的进展,三、强度水灰比水化活性关系,在保证工作度适宜的前提下，水灰比（水胶比)大幅度地降低，是高性能混凝土(或高强混凝土）与普通混凝土的主要区别所在。,1)水灰比降低,fcK1/K2w/c,1918年Abrams提出的水灰比定则：,高效减水剂与矿物掺合料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，并能借助普通的施工设施浇注和成型密实。,强度水灰比水化活性,高水灰比条件下，水泥的水化活性（填充空隙能力）越大，即标号越高，用其配制的混凝土强度和抗渗透性（耐久性）越好。,高效减水剂与矿物掺合料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，并能借助普通的施工设施浇注和成型密实。,低水灰比水化活性混凝土性能关系,“水灰比为0.22或0.23，水泥可以全部水化”的说法，只有理论意义，而没有实际意义。,水泥充分水化的最小水灰比,T.C.Hansen（1970）,未水化水泥,毛细孔,水泥凝胶,体积比,水灰比,长时间放置在水中的水泥浆体水化最终生成物,体积比,未水化水泥,水泥凝胶,毛细孔,长时间密封放置的水泥浆体水化最终生成物,水灰比,只有当水灰比0.5时，路面混凝土摊铺后不必进行湿养护，但需要及时覆盖，以免水分蒸发。ACPA（美国混凝土路面学会）,低水灰比(水胶比）条件下，水泥水化程度减小，速率减慢，但较少的生成物就可填充空隙，粘结骨料形成整体，使强度迅速增长。,2)水泥（胶凝材料）水化活性影响的变化,我国水泥生产与供应的发展,1）熟料中早强矿物C3S含量增多；2）水泥粉磨细度加大；3）市场经济发展，混合材掺量减少;4)散装水泥运输供应发展。,随着水灰比（水胶比）降低，水泥或其它胶凝材料需要填充的空隙减小，达到密实填充效果对胶凝材料的水化活性要求也随之降低。反之，当水泥的水化活性越高、粉磨越细，拌合时的需水量就会越大，结果是水胶比的降低（从而混凝土的强度及其它性能）受到影响。,强度水灰比水化活性,强度方程,fcu.k=Afce(C/WB),fcu.k混凝土配制强度,fce水泥标号,C/W灰水比,A,B系数：,有人用425#(32.5级)与525#(42.5级)水泥，也有人用525#(42.5级)与625#(52.5级)水泥分别配制高强混凝土，得到的结果都显示不出差异。同时，用525#(42.5级)水泥可以配制出28d强度为125130MPa的高强泵送混凝土；而725#(62.5级)水泥却未见配制出高于100MPa的混凝土。,说明：低水灰比时，水泥标号（水化活性）的与配制混凝土强度的关系发生变化。,3)温升的影响,结构物断面加大、强度设计等级提高、水泥用量增加、水化活性的提高以及散装水泥供应方式的发展，这些都使得混凝土温升加剧。,影响水泥水化的因素矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比R(t)=f(C3S)f(fineness)f(T)f(W/C),水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较大，相对疏松，影响结构混凝土的强度和渗透性。,图3-46硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升,水化热的影响,混凝土温度随水泥用量增加而上升,图3-47混凝土浇注厚度对温升的影响（浇注温度20C，水泥用量400kg/m3）,混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧,图3-482.5m厚混凝土中点温度的变化,Bamforth的实验（厚2.5m结构物中部的温度变化）,70%硅酸盐水泥+30%粉煤灰,100%硅酸盐水泥,25%硅酸盐水泥+75%磨细矿渣,图3-49不同养护条件下混凝土强度发展（a）20C标准养护（b）同温度养护,硅酸盐水泥,水泥/矿渣,水泥/粉煤灰,水泥/粉煤灰,水泥/矿渣,硅酸盐水泥,龄期,温度匹配养护,长期以来沿用的以标准养护室养护的试件强度作为工程选择原材料和配合比的基准，这种方法在如今配制高性能混凝土时已经不再适用，并常造成误导，给工程，尤其是大型基础设施的建设带来损失，迫切需要引起重视和改变。,强度评价,四、强度耐久性关系,长期以来，混凝土是在高水灰比条件下拌合、浇注与水化硬化的，过渡区薄弱、强度低、抗渗透性能力差，因此耐久性，尤其是实验室快速评价试验的耐久性结果较差。从而得出强度越高、耐久性就越好的结论。上述结论近年遇到严重的挑战。,高强混凝土的耐久性,1987年美国材料顾问委员会提交的一篇报告引起了轰动：约25.3万座桥梁的混凝土桥面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破坏，且每年还将新增3.5万座。,由于混凝土桥面板开裂普遍，因此转向使用高强混凝土，但是看来这无济于事：根据国家公路合作研究计划1995年检查的结果表明：10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔13米的贯穿性裂缝。,混凝土结构开裂,开裂的原因有很多，然而，其中有一个使混凝土结构在早期开裂起主导地位的原因，那就是为满足现代高速施工所采用的高早强水泥及其混凝土拌合物。,湖南某大桥,近年来，高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自身收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步开展研究。ThermalCrackinginConcreteatEarlyAges.E&FNSPON1994.,高强混凝土与早期开裂敏感性,延伸性与开裂,收缩应变大小仅是引起混凝土开裂的一方面原因，另一方面还有：弹性模量弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；徐变徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；抗拉强度抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。P.K.Mehta.Concrete:Structures,PropertiesandMaterials,无松弛作用时出现开裂,混凝土的抗拉强度,开裂延迟,应力,松弛后的实际应力,应力松弛,时间,收缩应变受约束时产生的弹性拉应力,图3-24硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系（93%水化度）,硬化水泥浆体（93%水化度）的渗透性水灰比关系存在临界区域,适当的原材料组分、浇筑和养护的混凝土基本上是不透水的，应该在大部分环境条件下具有足够长的使用寿命。然而，由于环境的作用，出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，也就是对于上述劣化过程的抵抗力。现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术中控制开裂的基本道理给予足够的重视。,采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300350Kg/m3、水灰比0.450.55，制备出28d抗压强度为3540MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性能。,水灰比与渗透性,不是强度，而是混凝土的坚固性（没有裂缝）对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用。P.K.Mehta耐久性影响未来的关键问题,西直门立交桥,一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构,环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1.侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2.荷载作用（循环荷载、冲击荷载）,由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失,环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）水的渗入O2、CO2渗入酸性离子（Cl-,SO4-)渗入,A：以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀B：混凝土强度与刚度降低,开裂、剥落与整体性丧失,混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型,高性能混凝土的耐久性,与普通混凝土不同，高强混凝土与高性能混凝土（低水胶比）获得耐久性优异的技术途径，要从提高混凝土体的抗渗透性向改善抗裂性能转化。长期以来形成的原材料选择、配合比设计与生产浇注与养护的传统方式，是使它们的耐久性常常反而不如普通混凝土的重要原因。,五、高性能混凝土的配制与施工,1.原材料选择与配合比设计2.生产、浇注与养护3.质量保证匀质性,高性能混凝土,采用普通的组分材料和通常的搅拌、浇注与养护操作，未必能日常生产这种混凝土。,1.原材料选择与配合比设计,1）强调通过加强过渡区改善微结构；2）强调低水胶比而不是高活性；3）以温度匹配养护方式评价强度发展速率。,骨料的选用,1）粒形、级配与空隙率2）含泥量与软弱颗粒3）线胀系数与弹性模量4）压碎强度（轻骨料）,水泥的选用当混凝土发生劣化时，通常是责备养护操作、所用骨料、拌合物或者质量控制，而水泥很少受责。很可能是因为同一类型的水泥，只要通过标准的检验，就认为是一样的了。然而，不同厂家生产的同类水泥，延伸性的差异可能很悬殊。TheVisibleandInvisibleCrackingofConcreteACIMonographNo.11.1998,A厂生产的水泥B厂生产的水泥微膨胀、抗裂性较好自身收缩,水泥的选用1）和高效减水剂相容性良好（水胶比低、坍落度损失小）；2）低含碱（Na2O,K2O)、高含硫酸盐（相对于铝酸盐）且不太细的水泥（抗裂性较好）；3）温度低。,评价方法,化学外加剂的选用,与水泥等胶凝材料相容性良好，是选用化学外加剂的原则,也是配制高性能混凝土的关键。在混凝土易于浇注而不离析的前提下，能获得并保持所需要的低水灰比(水胶比)，则是相容性是否良好的表征。,混凝土杂志1996年第2期,水泥高效减水剂相容性及其检测研究,不能满足所需要的低水灰比（水胶比）的要求，或者虽能满足，但达不到易于浇注而不离析(泌水)的需要，都需要更换化学外加剂等原材料或改变配合比。,矿物掺合料的选用高性能混凝土中，矿物掺合料具有如下作用：1）填充骨料的间隙及形成润滑膜；2）消纳氢氧化钙，改善过渡区（火山灰反应），同时生成具有胶凝性产物；3）对水泥的分散作用，降低水胶比，改善水泥在低水胶比下的水化环境；4）延缓初期水化速率，形成低水胶比、大水灰比的有利环境；5）降低温升，改善徐变能力，减小早期形成热裂缝的危险。,粉煤灰,粉煤灰混凝土的应用,粉煤灰的密度只有水泥的2/3，因此采用大掺量粉煤灰混凝土，同时添加高效减水剂时，可以大幅度降低水胶比，获得普通混凝土条件下无法比拟的使用效果。,磨细高炉矿渣,需要干燥后粉磨，使用成本较高；2）密度、需水量与水泥接近，需水量随粉磨细度变化小；3）随细度增大，混凝土早期强度发展加快，适用于蒸养制品；4）开始水化后呈加速，比水泥快，掺量在70%以上，才能起明显降低温升效果。,海港工程混凝土防腐蚀技术规范交通部行业规范（2001年5月1日起执行）,在受侵蚀作用严酷环境中应采用高性能混凝土粉煤灰掺量2550（%）磨细矿渣5080硅粉510,硅粉,1）颗粒微细，借助于高效减水剂和强力搅拌作用，可以大幅度降低水胶比，从而使混凝土强度迅速发展，渗透性降低；2）火山灰反应活性高，消纳氢氧化钙能力强，改善界面效果好；3）增大拌合物粘度和混凝土自身收缩显著，对泵送性、减小离析、泌水有好处，需尽早开始湿养护，否则容易导致开裂。,配合比设计,1）先计算骨料用量，后计算胶凝材料和水用量（最大粒径与体积份数）；2）保罗米公式的适用性（水胶比与强度关系；水泥标号与强度关系）；3）工作度评价方法（坍落度局限性、振捣作用）。,搅拌,1）搅拌设备选择2）搅拌时间（均匀前提下尽量短）3）搅拌设备的维护4）实验室与现场搅拌条件的差异5）预冷拌合物（用碎冰代替部分拌合水最多75、喷液氮）,振捣密实,针对拌合物塑性粘度大、振动衰减快（有