（森林工程专业论文）硅粉混凝土配合比优化的研究.pdf

摘要 摘要 硅粉是一种高效的活性掺合料，能够显著提高混凝土的强度、抗渗性，抗冻性和耐 久性。硅粉混凝土的特性得到人们的重视，硅粉混凝土被广泛应用到水利水电工程、建 筑工程、公路工程和桥梁工程等。目l ；i 我国寒区水利工程亟需大量优质的材料以改善混 凝土的抗冻性和耐久性。掺入硅粉是解决混凝土抗冻性和耐久性问题的有效措施之一。 硅粉混凝土作为一种新型的高性能混凝土，适于在高寒地区的水利工程和公路路面工程 的需要，其应用前景十分广阔。硅粉混凝土配合比优化的研究具有重要的学术意义、有 着广泛的工程应用价值。 在使用硅粉混凝土时，首先需要进行混凝土配合比设计，以满足工程对混凝土性能 的要求。同时根据不同地区的环境条件，合理地选择水泥等胶体品种、适宜的骨料 ( 砂、石料) 以及其它组成材料，包括掺合料与外加剂的选择。本论文结合黑龙江省科 技攻关项目，采用试验的方法，研究了水胶比和硅粉掺量等参数对硅粉混凝土的抗压强 度、抗拉强度、超声波脉冲速度、抗渗性和抗冻性的影响，从而确定不同要求情况下， 硅粉的最优掺量。根据试验结果建立回归方程，以便于硅粉混凝土的配合比设计。主要 进行了以下研究： 1 通过对三种常用规格硅粉混凝土试块抗压强度的试验分析，得到了1 5 g r a mi f 方 体标准试块的抗压强度小于l o o m m 的正方体试块测得的抗压强度。直径1 0 0m m 高2 0 0 m m 的圆柱体试块的抗压强度试验结果，较标准试块小很多。 对不同水胶比、不同硅粉掺量的混凝土抗压强度进行了讨论，研究结果指出：当水 胶比在一定范围内时，掺入硅粉都能明显提高混凝土的抗压强度。硅粉掺量小于2 5 时，硅粉混凝土的抗压强度随着硅粉掺量的增加而增大，而当硅粉掺量超过2 5 后，再 继续加入硅粉，硅粉混凝土的抗压强度反而下降，所以最优的硅粉掺量不是固定。 2 采用试验的方法，评价了水胶比和硅粉掺量对混凝土抗拉强度的影响。掺入硅粉 可以明显提高混凝土的劈裂抗拉强度和抗弯抗拉强度，但是过高掺量的硅粉会使混凝土 劈裂抗拉强度和抗弯抗拉强度下降。在试验结果的基础上，建立了混凝土抗拉强度回归 方程，通过公式计算结果与试验结果的比较，获得的公式结果比较精确。 3 基于试验，研究了水胶比和硅粉掺量对硅粉混凝土抗渗性能的影响。研究表明： 硅粉能够有效地提高混凝土的抗渗性，开始混凝土抗渗性能随着硅粉掺量的增加而提 高，当硅粉掺量为最优时，硅粉混凝土的抗渗性能最好，硅粉掺量再增加，抗渗性能 反而下降。 4 通过硅粉混凝土超声波测强试验，分析了水胶比和硅粉掺量的变化对超声波脉冲 速度的影响。超声波脉冲速度随着硅粉掺量的增加而交慢，水胶比增大，超声波脉冲速 度变慢，水胶比为o 2 时，超声波脉冲速度最快。根据超声波脉冲速度试验结果建立了 超声波脉冲速度的回归方程。方程可精确地计算超声波脉冲速度。 东北林业大掌博士学位论文 根据对超声波脉冲试验结果和抗压强度试验结果的对比分析，按水胶比分段给出了 抗压强度的回归方程，对应不同的水胶比，硅粉混凝土抗压强度与超声波脉冲速度之间 的相关方程是不同的。依据超声波脉冲速度拟合得到的硅粉混凝土抗压强度值精确，误 差在实际工程允许范围内。 5 通过试验探讨了水胶比和硅粉掺量对硅粉混凝土干缩性能的影响，硅粉混凝土初 期收缩应变随着硅粉掺量增加而增大，当硅粉掺量为1 0 时，收缩应变达到最大值，如 果硅粉掺量再增加，收缩应变迅速减小。混凝土的干缩变形主要发生在第1 周以内，2 8 天附近试件干缩变形量基本稳定。 在进行硅粉混凝土干缩性试验分析的同时，研究了水胶比和硅粉掺量对混凝土重量 损失的影响。得出了水胶比为0 2 和0 2 5 时，硅粉混凝土的重量损失较普通混凝土小。 水胶比大于0 3 时，硅粉混凝土的重量损失较普通混凝土大，且硅粉掺量为1 0 时，混 凝土重量损失最大。 6 为了分析外加剂、硅粉掺量和水胶比对混凝土抗冻性能的影响，进行了硅粉混凝 土冻融试验研究。根据冻融试验结果，提出了抗冻耐久性指数d f 的回归方程。加入减 水剂和引气剂能够在一定程度上提高混凝土的抗冻性能，但相对于硅粉掺量和水胶比， 减水剂和引气剂对混凝土的抗冻性影响较小。加入硅粉可明显提高混凝土的抗冻性能。 其中以硅粉掺量为1 0 的混凝土尤为明显，抗冻耐久性指数d f 均大于o 4 ；当水胶比 为0 3 和0 3 5 时，抗冻耐久性指数d f 大于0 6 。混凝土的抗冻性开始随着硅粉掺量的 增加而提高，然后随着硅粉掺量的增加而降低。 关键词硅粉；混凝土；配合比；抗压强度；抗冻性 a b s t r a c t s i l i c af u m ei sah i g l l l ye f f e c t i v ep o z z o l a n i cm a t e r i a ld u et oi t se x t r e m ef i n e n e s sa n dh i 曲 s i l i c ac o n t e n t s i l i c af u m eh a v eb e e nu s e di nc o n c r e t et oi m p r o v ei t sp r o p e r t i e s i th a sb e e n f o u n dt h a ts i l i c af u m ei m p r o v e sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b o n ds t r e n g t h ，f r o s tr e s i s t a n c ea n d a b r a s i o nr e s i s t a n c e ；r e d u c e sp e r m e a b i l i t ya n dt h e r e f o r eh e l p si np r o t e c t i n gr e i n f o r c i n gs t e e l f r o mc o r r o s i o n s i l i c af u m ec o n c r e t eh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nr e g u l a t i o n so fw a t e r r e s o u r c e sa n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g , c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g , h i g h w a ye n g i n e e r i n ga n d b r i d g ee n g i n e e r i n g a tp r e s e n t ，r e g u l a t i o n so fw a t e rr e s o u r c c se n g i n e e r i n gi nf r e e z i n gr e g i o n s i nc h i n an e e dg r e a td e a lo fc o n c r e t ew h i c hi sp e r m a n e n ts t a b i l i t ya n df r o s tr e s i s t a n c e s i l i c a f u m ei su s e di nc o n c r e t et oi m p r o v ep e r m a n e n ts t a b i l i t ya n df r o s tr e s i s t a n c e s i l i c af u m e c o n c r e t ei ss u i t a b l ef o rf r e e z i n gr e g i o n s s i l i c af u m ec o n c r e t ew i l lb em o r ee x t e n s i v e l yu s e di n r e g u l a t i o n so fw a t e rr e s o u r c e sa n dh i g h w a ye n g i n e e r i n gi nc o l dr e g i o n s r e s e a r c ho nm i x p r o p o r t i o n so fs i l i c af u m ec o n c r e t eh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dc a np r o v i d eab a s i s f o ra p p l i c a t i o n s w h e ns i l i c af u m ec o n c r e t ei su s e d ，m i xd e s i g nw a sm a d e 。a tt h es a m et i m e , w es h o u l d c h o o s e r e a s o n a b l yb i n d e r , s a n d ，a n dc o a i s ea g g r e g a t e i n t h i s p a p e r , r e s u l t s o ft h i s c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nw e r ea n a l y z e df o rc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l e s t r e n g t h ，u l t r a s o n i cp u l s ev e l o c i t y , p e r m e a b i l i t ya n d f r o s tr e s i s t a n c e t h em a i no b j e c t i v eo ft h i s i n v e s t i g a t i o ni sd e t e r m i n et h ed i f f e r e n te f f e c t ss i l i c af u m eh a s w h e na d d e dap a r t i a ls u b s t i t u t e t op o r t l a n dc e m e n t t h cm a i nc o n t e s t sa n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h sa r em e a s u r e do nt h r e ed i f f e r e n tt y p e so fs p e c i m e n s t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho f1 5 0 r a mc u b e ss t a n d a r ds p e c i m e ni sl o w e rt h a nt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho fl o o m mc u b e ss p e c i m e n 。t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fl o o m m 2 0 0 mc y l i n d e r s p e c i m e ni sl o w e rt h a nt h es t a n d a r ds p e c i m e n e x t e n s i v ee x p e r i m e n t a t i o ni sp e r f o r m e dt od e t e r m i n et h ei s o l a t e de f f e c to fs i l i c af u m eo n t h ep r o p e r t i e so fc o n c r e t eo v e raw i d er a n g eo fw a t e r - t o - b i n d e rr a t i o s o nt h eb a s i so fa n a l y s i s o fal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s , s i l i c af u m ei n c o r p o r a t i o nc a nh i g h l yi n c r e a s et h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o n c r e t ei nt h er a n g eo f0 2 旬4 5w a t e r - t o - b i n d e rr a t i ow h e ns i l i c a f u m ec o n t e n ti sb e y o n d2 5 。t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o n c r e t er e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s e o fs i l i c af u m ec o n t e n to v e r2 5 2 e x t e n s i v ee x p e r i m e n t a t i o ni sp e r f o r m e dt or e s e a r c ht h ee f f e c to fs i l i c af u m ec o n t e n ta n d w a t e r - t o - b i n d e rr a t i oo nt h es p l i tt e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t e s i l i c af u m ec o n t e n ti n c o r p o r a t i o n i n c r e a s e st h es p l i tt e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t e v e r yh i g hp e r c e n t a g e so fs i l i c af u m ed on o t s i g u i f i c a n f l yi n c r e a s et h es p r i tt e n s i l es t r e n g t h ，s i l i c af u m ei n c o r p o r a t i o na l s oi n c r e a s e st h e 东北林业大学博士学位论文 f l e x u r a lt e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t e b u tt h ef l e x u r a ls t r e n g t hw i l lr e d u c ei fs i l i c af u m ec o n t e n t i s t o o m u c h 3 b a s e do nt e s t sr e s u l t s ，w a t e rp e n e t r a t i o no fs i l i c af u m ec o n c r e t ei si n v e s t i g a t e d s i l i c a f u m ei n c o r p o r a t i o nc a ni n c r e a s et h ew a t e rp e n e t r a t i o no fc o n c r e t e a tt h eb e g i n n i n g , w a t e r p e n e t r a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e so fs i l i c af u m ec o n t e n t f i n a l l y , w a t e rp e n e t r a t i o n r e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s e so fs i l i c af u m ec o n t e n t t h eo p t i m u ms i l i c af u m er e p l a c e m e n t p e r c e n t a g ef o rw a t e rp e n e t r a t i o ni s s u i t a b l e 4 n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi sa l s op e r f o r m e dt oe v a l u a t ep e r f o r m a n c eo fc o n c r e t em i x t u r e s t h ei n c r e a s e ds i l i c af u m ec o n t e n tr e s u l t si nr e d u c e du l t r a s o n i cp u l s ev e l o c i t y o nt h eo t h e r h a n dt h ei n c r e a s ei nw a t e rc o n t e n th a sl e dt oa l le q u i v a l e n td e c r e a s ei nv e l o c i t yv a l u e s i n g e n e r a l ，w a t e r - t o - b i n d e rr a t i oo f0 2s h o w e dt h eh i g h e s tv a l u e so fv e l o c i t y am o d e ld e f i n i n g t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eu l t r a s o n i c p u l s ev e l o c i t y a n dd i f f e r e n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ei sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt oc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n du l t r a s o n i cp u i s cv e l o c i t yt e s tr e s u l t s ，c o r r e l a t i o n b e t w e e np u l s ev e l o c i t ya n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hs h o w e dd i f f e r e n tt r e n d sd e p e n d i n go ns i l i c a f u m ec o n t e n lf o ra l ls i l i c af u m el e v e l s ，n o n l i n e a rq u a d r a t i cm o d e l sd e s c r i b i n gt h er e l a t i o n b e t w e e np u l s ev e l o c i t ya n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha r co b t a i n e d t h ef o r m u l ai sv e r ye x a c t ， a n dt h em a x i m u me r r o ri sa c c e p t a b l e 5 d r y i n gs h r i n k a g ei n c r e a s e sw i t hs i l i c af u m ec o n t e n tu pt o1 0 r e p l a c e m e n tl e v e l h o w e v e r , w i t h1 5 s i l i c af u m et h ed r y i n gs h r i n k a g er e g i s t e r e da t2 8d a ys h o w sad i f f e r e n t t r e n d t h ei n c r e a s ei ns h r i n k a g es t r a i ni sm a j o ri nt h ef h - s tw e e k , a n dt h e ni tw a sa l m o s t s t a b i l i z e du n t i lt h ea g eo f 2 8d a y s i nt h er a n g eo fo 2 - - 0 2 5w c , w e i g h tl o s so fs i l i c af u m ec o n c r e t ei sl o w e rt h a np l a i n c o n c r e t e i fw a t e r - b i n d e r - r a t i oi sb e y o n d0 3 ，w e i g h tl o s so fs i l i c af u m ec o n c r e t ei sh i g h e rt h a n p l a i nc o n c r e t e t h em a x i m u mw e i g h tl o s si so b t a i n e da tas i l i c af u m er e p l a c e m e n to f1 0 l e s sw e i g h tl o s sw a so b s e r v e df o r1 5 s i l i c af u m ec o n c r e t e 6 a n t i f r e e z ea n ds u p e r p l a s t i c z e ri n c o r p o r a t i o nc a l li n c r e a s ef r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t e c o m p a r e t os i l i c af u m ea n dw a t e r - b i n d e r - r a t i o ，t h ee f f e c to fa n t i f r e e z ea n ds u p e r p l a s t i c z e ro n f r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei sv e r yl i t t l e s i l i c af u m ei n c o r p o r a t i o ni n c r e a s e sh i g h l yf r o s t r e s i s t a n c eo fc o n c r e t e t h eo p t i m u ms i l i c af u m er e p l a c e m e n tp e r c e n t a g ef o rsf r o s tr e s i s t a n c ei s 1 0 i fs i l i c af u n l ei s1 0 ，i n d e xo ff r o s tr e s i s t a n c ed fi sl a r g e rt h a n0 4 i fw a t e r - b i n d e r - r a t i o i sf r o m0 3t o0 3 5 ，i n d e xo ff r o s tr e s i s t a n c ed fi sl a r g e rt h a n0 6 a tt h eb e g i n n i n g , f r o s t r e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs i l i c af u m e t h e n ，f r o s tr e s i s t a n c eo f c o n c r e t er e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs i l i c af u m e k e y w o r d ss i l i c af u m e ；c o n c r e t e ；m i xd e s i g n ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；f r o s tr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论义地本人在导师指导下进行的研究工作肢取褂的研 究成果。据我所知，除了迂中特别加以标注和致谢的地方外，论文中1 i 包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 峦i 垦盐些盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：好球签字日期：孑哆年月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壅i 堡盐些盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅i 垦挂些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：浔勘 签字日期：a 哆年f 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 纱冷 签字日期：o 7 年月夕日 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 土木工程与混凝土 人类从古至今的发展都与土木工程密切相关，为解决居住问题，必须建造住房；为 解决粮食问题，必须兴修大量的水利设施；为解决穿衣问题，除种植棉麻、植桑养蚕以 外，必须兴建纺织企业，特别是现代人造纤维的发展，必须兴建规模宏大的化学纤维合 成工厂；为解决人员流动及货物运输问题，必须兴建铁路、公路、港口、机场等设施。 由此可见，土木工程与整个国民经济及人们生活息息相关，密不可分1 1 1 。 在历史上，我国曾兴建了大量的世界闻名的土木工程，体现了中华民族的智慧，如 都江堰、长城、大运河、赵州桥、应县佛宫寺木塔，北京故宫等等。但这些工程基本以 土、石、砖、木为建筑材料。 自从1 9 世纪中叶以，钢材及混凝土在土木工程中的应用，以及2 0 世纪2 0 年代后 期预应力混凝土技术发展以来，钢材和混凝土在土木工程中的用量急剧增大。随着土木 工程规模不断扩大，科技水平不断提高，工程力学、结构科学与建筑材料科学的不断发 展，使得土木工程的技术取得了突破性、飞跃式的发展，这主要表现在工程量极大，技 术难度极高的摩天大楼、超大跨桥梁及巨型水利枢纽工程的建设等方面。 任何土木建筑工程都是用材料建成的，材科乃土木工程之本。在古代，人们主要采 用泥土、石材、木材等天然物质及砖瓦作为建筑材料。随后，又采用石灰和火山灰作为 胶凝材料，用水拌以砂、石制成人造石作为建筑材料，古罗马时代即以这种古代混凝土 建成了许多有名的代表性建筑，如万神殿、竞技场、海港、灯塔、水渠等，在经历2 0 0 0 多年之后仍然保存。但这种混凝土的缺点是硬化缓慢、强度较低，火山灰资源有 限，品质不均，混凝土质量不易控制。古代混凝土在1 9 世纪前的欧洲土木建筑中起到 了重要的作用，混凝土这种人造材料诞生了。 1 8 2 4 年波特兰水泥( 我国称硅酸盐水泥) 发明之后，作为混凝土的胶凝材料有了质 的飞跃。这种水泥硬化快、强度高、资源丰富、质量可控，因此，使混凝土技术得到了 快速的发展，用量急剧增加，使用范围不断扩大，至今已成为世界上用量最大的人造材 料。这是因为混凝土具有原料丰富，价格低廉，制作简单，造型方便，相对耐久，维修 费低，耐火性好等优越性。 然而，混凝土存在着抗拉强度低的重大缺陷，只是在1 9 世纪中期，钢铁工业得到 快速发展，在混凝土中配入钢筋，形成钢筋混凝土复合材料，弥补了纯混凝土抗拉强度 不足的缺陷之后，才大大促进了混凝土应用于各种工程结构上。这是混凝土技术的巨大 进步f 2 1 。 混凝土实际上已经成为现代社会的基础。在我们日常生活中，几乎各个方面都直接 东北林业大学博士学位论文 或间接地涉及到混凝土。我们可以驱车经过混凝土铺漫的道路和桥梁到达混凝土建筑的 建筑物，在其中生活、学习、工作或娱乐活动。我们的货物可借助行驶在混凝土超级高 速公路上的载重汽车、奔驰于铺设在混凝土轨枕的钢轨上的列车、停泊于用混凝土防浪 堤围护的港口内的混凝土桩上的船舶、或在混凝土跑道上降落和起飞的飞机来运输。饮 用水和灌溉用水贮存于混凝土大坝后面，并经混凝土排水管、引水管和管道系统进行分 配。这样贮存的水同样也可用于发电。另一方面，可以用混凝土建造的燃煤发电站或利 用厚实的钢筋混凝土高压容器内的原子能发电。在石油生产中混凝土起关键作用，它被 用来建筑用于钻井和生产的离岸平台。 在我们每天的活动中，一定会涉及到混凝土，并且由于技术上引人注目的效果而给 人以深刻的印象。不管怎样，近代文明的许多成就的确取决于混凝土，正如古罗马许多 不朽的早期文化成就是由于采用了现代混凝土的前身材料而获得的一样。混凝土一词源 自拉丁文动词“c o n c r e t u s ”，它意指共同生长【3 j 。 1 1 2 高性能混凝土 1 1 2 1 高性能混凝土的定义和发展 高性能混凝土( h p c ，h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ) 最早是在法国、美国、加拿 大、日本、英国等国兴起的【4 1 ，首次公开报导h p c 是在1 9 8 4 年，但直到1 9 9 0 年h p c 才得到了广泛的关注，1 9 8 6 年，法国政府组织起国内2 3 个单位进行一项名为“混凝土 的新途径”研究项目，进行h p c 的研究。日本建设厅1 9 8 8 年设立一项简称“新r c ” 的研究计划，研究的高流态自密实免振混凝土用于明石大桥，德国在法兰克福1 9 9 2 年 建成的5 1 层，高1 8 6 m 的高楼中采用了b 8 0 级f 相当于我国的c 8 0 级) h p c 。 在1 9 9 0 年5 月，美国率先提出了h p c 的定义【5 l ，在马里兰州g a i t h e r s b u r g 城，由 美国的n i s t 和a c i 主办的讨论会上i l p c 就已被定义为具有所要求的性能和匀质性的 混凝土。 但在很长的一段时间内，不同的学派根据实际工程的要求，对于h p c 的定义和看 法存在很多差异，如以pk m e t h a 为代表的美加学派【6 】强调的是混凝土硬化以后的性 能，包括耐久性，抗渗性和尺寸稳定性，而一部分日本学者则更加强调新拌混凝土的性 能，认为高流态，免振自密实的混凝土就是高性能混凝土，如日本的o z a w a 和 o k a m u r a 就强调l n h p c 应具有高施工性能。此外还有一些其他的观点，为h p c 提出了 一些材料或者配比上具体的数值指标，1 9 9 3 年，pc a i t c i n 和a n e v i l l e 在1 8 j “高性能 混凝土揭密”一文中对高性能混凝土进行了定义，1 9 9 8 年a n e v i l l e 在一篇综述高性能 混凝土的文章里总结了【9 l 自己多年对于高性能混凝土的研究和应用经验后指出，h p c 与 普通混凝土c c c ( c o n v e n t i o n a lc e m e n t i t i o u sc o n c r e t e ) 的区别在于：h p c 的水胶比在 0 2 5 - 0 3 5 之间，胶凝材料用量在4 0 0 - 5 5 0 k g m 3 ，细骨料要求细度模数2 7 3 0 等几点。 国内在开始研究高性能混凝土的时候也对高性能混凝土的定义产生过分歧，这一现象其 实可以从h p c 的产生找到原因，因为不同国家与地区的实际施工情况和环境因素不 l 绪论 同，对h p c 的要求和需要改善的性能也就不一样，因而导致对h p c 的侧重点和定义也 有所区别。想要统一h p c 的定义也是非常困难的，而且是没有必要的，应该根据实际 情况的不同，对混凝土提出不同的性能要求。 对于h p c 的性能要求。目前比较统一的认识是应具有优异的耐久性，工作性及尺 寸稳定性。而混凝土的强度应和耐久性等性能一样只是其综合性能的一个方面，应根据 实际的清况决定是否需要h p c 也是高强混凝土( h s c ) 。事实上，现在很多工程中所使用 的高性能混凝土其强度等级只有c 5 0 ，c 4 0 甚至更低。如香港的青马大桥其设计强度要 求) 5 0 m p a ，使用寿命1 2 0 年，而在一些船闻、大坝工程中，强度等级c 4 0 的h p c 也 早已得到应用l l “。 目前，对混凝土的研究主要集中在如何提高混凝土的性能，这里指的性能并不仅仅 指混凝土的的力学性能，还包括耐久性，经济性，抗冻性，流动性等。根据美国混凝土 协会( a m e r i c ac o n c r e t ei n s t i t u t e ) 的定义，高性能混凝土是指用常规配料、正常拌 合程序和一般养护方法不能达到特殊性能和稳定性要求的混凝土为高性能混凝土。这种 特殊性能主要包括易于浇筑、振捣不离析、早强、抗渗性、密实性、水化温井、韧性、 体积稳定性及恶劣环境下的较长寿命。高性能混凝土是近年来混凝土材料发展的一个重 要方向1 1 1 ，1 2 1 。 根据高强混凝土结构技术规程( c e i c s l 0 4 ：9 9 ) ，将强度等级大于等于c 5 0 的混 凝土称为高强混凝土；将具有良好的施工和易性和优异耐久性，且均匀密实的混凝士称 为高性能混凝土；同时具有上述各性能的混凝土称为高强高性能混凝土；而普通混凝 土配合比设计规范( j g j 5 5 - - 2 0 0 0 ) 中则将强度等级大于等于c 6 0 的混凝土称为高强混 凝土：混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ) 则未明确区分普通混凝土或高强混凝 土，只规定了钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于c 1 5 ，混凝土强度范围从 c 1 5 c 8 0 。综合国内外对高强混凝土的研究和应用实践，以及现代混凝土技术的发 展，将大于等于c 6 0 的混凝土称为高强度混凝土是比较合理的。高性能混凝土通常是通 过在普通混凝土中加入外加剂或活性掺合料，并同时采用高强度等级的水泥和优质骨料 来获得，例如新型高效减水剂和矿物质超细粉。硅粉就是一种高效的活性掺合料，能够 显著提高混凝土的强度、抗渗性和抗冻性1 1 3 j 1 3 。 1 1 2 2 绿色高性能混凝土 水泥混凝土作为最大宗人造材料，其资源、能源与环境问题十分突出。传统的混凝 土生产，尤其是其主要原材料水泥的生产会带来极大的资源、能源消耗和严重的环境污 染。生产1 吨水泥熟料的同时，排放出几乎同量的c 0 2 。 - c a c o s 。+ c a o4 - c 0 2 1 吨熟料中平均含c a o6 2 0 k g ，排放c 0 2 为6 2 0 x ( 4 4 5 6 ) = 4 8 7 k g ，比之所消耗 的矿物燃料( 包括用电) 产生的c 0 2 ( 3 0 0 4 5 0 k g ) 还多。常估为1 0 0 0 k g 水泥熟料排 放1 0 0 0 k g c 0 2 。随着建设的迅猛发展，我国水泥产量增加特别快，5 0 年代初生产不足 3 0 0 万吨，1 9 8 0 年达到1 亿吨，1 9 8 5 年超过2 亿吨，1 9 9 6 年4 9 亿吨，2 0 0 1 年我国水 泥产量排在位居世界第一，2 0 0 4 年我国水泥产量达9 7 亿吨，占世界的4 5 8 ，2 0 0 5 年 我国水泥产量达1 0 6 4 亿吨，占世界的4 8 ( 见表1 - 1 ) ，这个数字是惊人的。因此，必 须采取有效措施，减少水泥熟料的产量，从而降低c 0 2 排放量，保护环境1 1 4 l 。 表1 - 1 2 m o , s 年水泥产量前五名的国家 t a b l el - it h ef i f t hp r e c e d i n gc o u n t r i e sf o rc e m e i l to u t p u ti n2 0 0 5 高性能混凝土科学地大量使用矿物掺和料，既是提高混凝土性能的需要，又可减少 对增加水泥熟料产量的需求；既可减少锻烧熟料时c 0 2 的排放，又因大量利用硅粉、粉 煤灰、矿渣及其它工业废料而有利于保护环境。 水泥混凝土可持续发展的出路就是应用现代混凝土的科学技术增加混凝土的使用寿 命，尽量减少拆除混凝土建筑造成的浪费和建筑垃圾，大量利用优质的工业废渣和矿 石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染。 我国资深院士吴中伟首次提出绿色高性能混凝土( g r e c nh i 醢p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ，缩写为g h p c ) 的概念。其中绿色的涵义可概括为： ( a ) 节约资源、能源； ( b ) 不破坏环境，更应有利于环境： ( c ) 可持续发展，既要满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需要的能力。 吴中伟院士指出绿色高性能混凝土应具有以下特征： ( 1 ) 能更多地节约水泥熟料，更有效地减少环境污染。在绿色高性能混凝土的胶凝材 料中，工业废渣为主的细掺料将代替大量熟料，最多可达6 0 8 0 。 ( 2 ) 能更多地掺加以工业废渣为主的细掺料，改善环境，减少二次污染。 ( 3 ) 更大地发挥混凝土的高性能优势，减少水泥与混凝土的用量，达到节省资源、能 源与改善环境的目的。 ( 4 ) 吴中伟还认为应将对高性能混凝土强度等级的下限从c 5 0 c 6 0 ，降低到c 3 0 左 右。因为强度下限定得太高，则将高性能混凝土的应用局限于少数有高强度要求的结构 物，大大限制了高性能混凝土的推广应用，窒息水泥混凝土向绿色材料发展的前途。降 低高性能混凝土的下限的原则是不损及混凝土的内部结构如孔结构、水化物结构与界面 结构等，以保证耐久性、体积稳定性等重要性能。 1 绪论 1 2 国内外对硅粉混凝土研究现状 1 2 1 国外的研究现状 硅粉的研究始于斯蜞的纳维亚国家，尽管2 0 世纪5 0 年代人们对硅粉作用就有所认 识和初步的研究，但应用于实际工程中是从7 0 年代- 丌始的1 1 6 1 ，首先是挪威和瑞典等国 家在港口码头、北海油田及地下矿井中部分采用了硅粉混凝土，1 9 8 2 年，挪威在伏诺维 斯坝上正式采用了硅粉混凝土筑坝1 1 7 l ，2 0 世纪8 0 年代初加拿大在魁北克建立了硅粉混 凝土研究基地l l ”，并对大体积硅粉混凝土进行试验研究，拌制高标号混凝土1 万立方 米，1 9 8 3 年美国用硅粉混凝土修补了奥里夫尼河上的卡查坝消力池，效果良好。世界上 其它国家也都加紧研究和应用硅粉混凝土1 1 9 1 。 日本的y a m a t o 等人l 冽通过试验得出结果：非引气混凝土当水( 水泥+ 硅 粉) - - o 2 5 ，不管硅粉的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。加拿大的m a l h o t r a 等人【2 1 l 通过试验得出：引气硅粉混凝土不管水胶比多少，硅粉掺量1 5 以下时都具有较高的抗 冻耐久性。 1 9 9 8 年美国的x i j 和d d lc h u n 9 1 2 2 】利用硫酸先对硅粉进行表面处理，然后把硅 粉加到水泥中去，以便提高硅粉与水泥之间粘结力，这样的硅粉混凝土抗拉强度可以提 高1 2 ，弹性模量提高7 2 ，延性提高5 7 ，抗磨能力提高2 0 。1 9 9 9 年，美国的 h o u s s a ma ，t o u t a n j i 和z i a db a y a s i 驯研究了不同养护方法对硅粉混凝土抗压强度、弯 曲强度和抗腐蚀能力的影响。蒸汽养护比湿润养护和自然干燥条件下的硅粉混凝土抗压 强度都高。当采用湿润养护时，硅粉掺入量超过1 0 后，混凝土抗压强度不再提高。不 管采用什么样的养护方法，当硅粉掺入量超过1 5 后，混凝土的抗弯强度将显著降低。 与湿润养护相比。蒸汽养护会降低硅粉混凝土抗腐蚀能力，自然干燥反而会提高硅粉混 凝土抗腐蚀能力。 1 9 9 9 年，南非的m ga l e x a n d e r 和b j m a g e e l 2 4 l 将硅粉加入普通水泥中，研究硅粉 对混凝土耐久性的影响。试验研究结果表明：向普通水泥中加入1 0 的硅粉，混凝土耐 久性最好。 2 0 0 3 年，新加坡的m h z h a n g 等人1 2 5 j 研究了水胶比对硅粉混凝土干收缩的影响。 研究发现，混凝土干收缩随着水胶比的减小而增大，随着硅粉掺量的增加而增大。当水 胶比和硅粉掺量都很小时，混凝土早期的干收缩应变发展十分迅速。 2 0 0 4 年，沙特阿拉伯的a b d u l l a haa l m u s a l l a m 等人【2 6 j 研究了粗骨料强度对硅粉混 凝土抗压强度和抗拉强度的影响。研究结果表明：租骨料种类对硅粉混凝土抗压强度和 抗拉强度有