（水利水电工程专业论文）复合自燃煤矸石矿渣绿色高性能混凝土研究.pdf

摘要 率文的研究主要立足于宁夏干旱寒冷、多沙风大、缺水少雨的不利环境条件，针x , i l 黄灌区 渑凝士构筑物的冻裂以及盐渍化渗漏损失水资源问题，借勘宁夏废料资源自燃煤矸石、矿渣丰富 的优势，研究掺入自燃煤矸石、矿渣掺合料制成复合高性能混凝士，并对其力学性能、抗渗性能 及复合叠加效应进行系统研究。通过正交试验设计、方差分析、宏观和微观相结合，确定最优方 突，制备出了满足= 作性、强度高，抗渗性能良好的高性能混凝土。现将主要研究成桑概括如f ： ( 1 ) 根据我区废料资源情况，优选自燃煤矸石与矿渣复合作为高性能混凝土的掺合料，通 过试验证明是可行的，并确定了r n 达到5 0 l p a 以上的混凝土配合比。其最优方案为a , b c 。d 。e 。， 水胶比为0 3 3 ，自燃煤矸石掺量为1 0 ，煤研石细度为4 6 0 0 c m 2 g ，矿渣掺量为1 0 。砂率选择为 o3 9 ，再r 物掺和料的总掺餐为2 0 。 ( 2 ) 高性能混凝土和普通混凝十一样，水胶比对混凝土强度影响大。配制高性能混凝 = 需 篓低水胶比和良好的工作性，所以外加剂选择的合适与否很重要。另外，掺超细矿渣粉具有很好 的减水作用；砂率也是影响高性能混凝土工作性的重要囡索。本次试验研究优选出的外加剂为 f d n ，其减水率为1 5 2 5 。 ( 0 ) 本次实验中，选用最优方案( a 凸c 2 d s i ! ：) 的离性能混凝与普通混凝土( 不掺矿物掺合 料及外加剂) 进行抗渗对比实验，结果表明：商性能混凝土具有优越的抗渗性能，其抗渗结果为 ：- i 5 m p a 。 ( 4 ) 由微观结构图上衰明，掺入煤矸石和矿物细掺料后，对混凝土的水化产物有很大的改 变，有效地调整了孔特征，使得混凝土密实度增加，有害孔、大孔减少，孔隙结构均匀，极人地 改善了混凝土的力学性能和抗渗性能。 ( 5 ) 本试验结果表明，将两种矿物掺合料复合使用对，能够达到材料微集料微粉互补效应 和补偿效果，其叠加效果优于其分剐单独使用的效果，强度增大，抗渗透能力增强。印编号为 二b l c 2 d 3 e 。 本文通过对复合自燃煤矸石、矿渣粉的高性能混凝土进行试验研究，对发展我区的绿色环保 建材，实现水泥混凝土工业资源优化配置和可持续发展其有重大作用；为干旱寒冷的宁夏乃至西 部地区混凝士结构工程的设计、麓工提供了理论依据。其研究成果为提高我区混凝土生产提供了 新方法，具有一定的使用价值、显著的社会、环境和经济效应，应用前景广阔。 关键词：高性能混凝土自燃煤矸石矿渣强度抗渗性 a b s t r a c t j na l l u s i o nt ot h et h ep r o b l e mo ft h e & o s tc r a c ko ft h ec o n c r e t es t r u c t u r e sa n dt h e s a l i n i z a t i o ni nt h ey e i l o wr i v e ta r e aa n dt h ea r i d ，c o l da n dw i n d yw e a t h e ro fn i n g x i a ， b a s e do nt h ea b u n d a n tw a s t em a t e r i a lr e s o u r c e so fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ng a n g u ea n d s l a go fn i n g x i a t h i sp a p e rs t u d i e st h em e c h a n i c a la n da n t i - p e r m e a b i l j t yp e r f o r m a n c eo ft h e h i g h p e r f o m l a n c ec o m p o u n dc o n c r e t em i x e dw i t hs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ng a n g u ea n d s t a gt h r o u g h t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ， e o v a r i a n c ea n a l y s i s m a c r o s c o p i c a n d m i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t t h ea u t h o rc o n f i r m e d 也em o s to p t i m u ms c h e m ea n dm a d ea s a n a p l eo ft h i s l d n dw h i c hh a sw e l lw o r k a b i l i t y , h i g hs t r e n g t ha n da n t i p e r m e a b i l i t y p e r f o r m a n c e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： fi1 n l es c h e m eo fm a k i n gh i g h p e r f o r m a n c ec o m p o u n dc o n c r e t em i x e dw i t h s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ng a n g u ea n ds l a gi sf e a s i b l e t h em a t c hr a t i oo fc o n c r e t ew h i c h c a br e a c h e s5 0 m p aa f t e r2 8d a y su n d e rt h es t a n d a r dc u r i n gc o n d i t i o ni sc o n f i r m e da n dt h e l n o s to p t i m u ms c h e m ei sa i b i c 2 d 3 e 2 ，v i z w a t e r - c e m e n tr a t i oi s0 3 3 ，t h ea m o u n to f s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ng a n g u ei s1 0 o ft h eb i n d i n gm a t e r i a l f i n e n e s so fs p o n t a n e o u s c o m b u s t i o ng a n g u ei s4 6 0 0c m 2 g t h em i x e ds l a gi s10 o fm eb i n d i n gm a t e r i a l s a n d p e r c e n t a g ei so 3 9 a n d 也et o t a la m o u n to fm i x e dm i n e r a l sr e a c h e s2 0 o ft h eb i n d i n a m a t e r i a l ， f 2 ) t h e w a t e r - c e m e n tr a t i oh a s g r e a ti n f l u e n c e o nt h e s f f e n g t ho ft h eh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t ea st h e8 a m ea st h eo r d i n a r yc o n c r e t e i nh i 吐一p e r f o r m a n c ec o l l c r e t c s n e e do fl o ww a t e r - c e m e n tr a t i oa n dg o o dw o r k a b i l i t y , t h es e l e c t i o no fs u i t a b l ea d d i t i v ei s v i t a l m o r e o v e r , t h es u p e l f i n es l a gp o w d e rh a st h ee f f e c to fr e d u c h a gw a t e ra n ds u i t a b l e s a n dp e r c e n tc a ni m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo ft h eh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ( 3 ) t h ec o m p a r i s o no fa n t i p e r m e a b i l i t ye x p e r i m e n tb e t w e e nt h eh i 曲一p e r f o r m a n c e c o n c r e t ea n do r d i n a r yc o n c r e t ei n d i c a t e st h a tt h eh i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t eh a se x c e l l e n t a n t i p e r m e a b i l i t yp e r f o r m a n c e ( t h ea n t i p e r m e a b i l i t yi n d e xi s3 5 m p a 1 f 4 、t h em i c r os t r u c t u r ec h a r to fh i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ei n d i c a t e st h a tt h eh y d r a t e d p r o d u c to ft h ec o n c r e t ei sg r e a t l yc h a n g e d ，t h eh o l e sc h a r a c t e r i s t i ci se f f e c t i v e l ya d j u s t e d s ot h a tt h ec o m p a c t i o nd e g r e eo f c o n c r e t ei n c r e a s e s ，t h en u m b e ro f h a r m f u lh o l e si sg r e a t l y r e d u c e da n dt h eh o l e ss t r u c t u r ei sw e l l d i s t r i b u t e d a n dt h e nt h em e c h a n i c a ja n d a n t i p e r m e a b i l i t yp e r f o r m a n c e so f t h e c o n c r e t eh a v eg r e a t l yi m p r o v e d f 5 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et w om i x i n gm a t e r i a l sh a v em u t u a lb e n e i l t f o ra n dc o m p l e m e n t a r ye r i e c to nt h ec o n c r e t e t h e i rs u p e r p o s i t i o ne f f e c to nt h ec o n c r e t ei s s u p e r i o rt ow h i c ha r eu s e ds e p a r a t e l y 1 1 1 es t u d i e so ng r e e nh i g h p e r f o r m a n c ec o m p o u n dc o n c r e t em i x e dw i t hs p o n t a n e o u s c o m b u s t i o ng a n g u ea n d s l a gh a v e t h eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p i n g g r e e nc i v i l e n g i n e e r i n gm a t e r i a la n dr e a l i z i n gt h er a t i o n a ld i s t r i b u t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c e m e n tc o n c r e t ei n d u s t r y , a n dp r o v i d et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o n0 1 c o n c r e t es t r u c t u r ei nn i n g x i aa n de v e nt h ew e s tc h i n a i na d d i t i o n t h e r e s u l t ss u g g e s tan e wm e t h o df o ri m p r o v i n gt h ep r o d u c t i o no fc o n c r e t e ，a n dh a v ec e r t a i n v a 】u e 衲a p p l i c a t i o n ，a n dr e m a r k a b l es o c i a l ，e n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f i t 。a n dw i l l h i h a v eab r i g h tf u t u r e k e y w o r d s ： 1 i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e s p o m o a ：e o u s c o m b u s t i o ng a n g u e ，s l a g ，s t r e n g t h a n t i - p e r m e a b i l i t y v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 染。尽我所知，除了文中特别加以标注和敛澍的地方外，论文中不包含其他人已经发 袭或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或t f 书面使 f j 过的材料。与我一同_ l ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名： 王德手 时间：2 。嗲年占月1 6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全r 解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 沦文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：五磕平 时间：2 f 年乡月同 导师签名：二銎乙二旁 时间：2 舰矿年f 月客口 宁复大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着科学技术的进步和混凝土生产水平的提高，虽然混凝土的用量急剧增加，应用量日益扩 j 、，但是，要求各种混凝土结构必须满足在严酷环境条件下使用的性能。如跨海大桥，海底隧道， 海上采油平台、水工建筑物抗冻、抗裂、抗渗节水以及防腐蚀、防锈蚀等工程，以及对有毒有害 废物处置与处理工程的建造。这些混凝土工程不仅施工：难度大，而且质量、技术要求高。一! i 出 现事故，不仅修补耗资大，而且后果十分严重。目前，国际上已经广泛认识到高性能混凝士不单 纯是强度要求商，更为严格的是具有能适应恶劣的特殊环境的高耐久性、高工作性等特性。用高 性能混凝土来替代传统的普通混凝土和建造在严酷环境中的特殊结构物，还必须具有显著的生态 效应、经济效益和社会效益。近些年来，由于我国人口剧增和工农业生产的发展，能源和天然 嚣源短缺，供需矛盾日蔬突出。加之全球气候变化异常，沙尘暴、干旱寒冷气候条件连年出现， 尤其是宁复中北部，干旱少雨，风大沙多，土地盐溃化及水分渗漏严重，冰冻循环次数频繁，生 态环境恶劣，导致已修建的混凝土建筑物在这些综台因素和大气环境污染等作用下发生破坏，严 莺影响r 农韭生产和国民经济发展。同时混凝土所用原材料也供不应求。为缓解材科资源供需矛 盾和提高混凝土的综合性能，各地的科投工作者从7 0 年代起对普通混凝土和高性能混凝士进行 ，大量研究，并取得了车硕成果。本课题研究主要针对西龆千早寒冷地区混凝土结构存在的问题， 围绕干旱半干旱状态、冰冻循环和水渗漏对混凝土的影响和破坏的实际情况进行系统综合研究， 以便寻找突破口，研制适合当地条件的复合高性能混凝土品种。我区地处西部，特种高性能混凝 土的配制和应用相对滞后，为适应西部大开发对高性能混凝土的需求，并增加技术储备，我们利 用本地区废料资源丰富的优势，对高性能混凝土进行了一系列的试配研究，利用废弃料自燃煤矸 7 i 、矿渣粉等研制高性能混凝士，采用正交设计试验、方羞计算分析、宏观力学性能铡试与微观 分析相结合，对复合混凝二l 的强度、抗渗性、水化进程进行一系列宏观试验分析，微观分析，研 制出适合干旱半干旱、块水少雨、冻融循环频繁及盐演化渗透严重的宁夏乃至西部地区的高强高 性能混凝士，探索其结掏性能、力学性能、水化规律及应用范围，其目的是为了宁夏地区工程设 计段工程应用高性能混凝土提供一定的基础理论和技术依据。 混凝七是建筑结构和水利工程最主要的应用形式，也是当代经济建设重要的建筑材料之一。 在1 0 0 多年的发展过程中，混凝土材料发生了多次重大变化，其中最为主要的变化早已成为水泥 混凝土应用科学技术发展史上的重大突破，如最早法国出现的混凝土与钢筋复合，使钢筋在混凝 l ：中起到增强作用，克服了混凝土抗拉强度和抗折强度的不足：其次重大突破是预应力混凝士的 诞生，使溜凝士的应用范围大大拓宽，有效地防止了混凝士构件的开裂问题：再次的变革是近2 0 年来，树脂混凝土、浸渍混凝土、聚台物混凝土以及混凝土外加剂的出现，使得混凝十无论是在 物理力学性能还是在化学、耐久性能等方面都有重大突破，为混凝土这种传统材料增添了新的一 页。由于混凝土具有抗压强度高、通用性、适用性广、耐久性、耐火性好、原材料资源丰宦、生 ，“制造容易、造价低廉、造型方便、坚同耐久、维修费低及耐震等突出的优越性，因此，在过去 一f j 年间其发展之迅速、应用之广泛不足为奇。但是，近二三十年来，人们已经不再满足混凝土 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 现有的优点，这就使得混凝土不断向快硬、高强、轻质、改性、复合、节能方向发展，拓宽了混 凝+ 的应用领域。现在人们可以按自己的意愿改变胶凝材料和集料，或者选用特殊的制作工艺， 或者掺入不同种类的外加剂配制出具有各种性能的改性混凝士，如防水混凝土、耐变温混凝土、 1 密实混凝士及高性能混凝土等。可以想象，随着混凝土在性能和制造工艺等方面的不断改进， 改性的高性能混凝土将成为= 十一世纪混凝土的主角。 12 普通混凝土、高性能混凝土的研究发展动态 12 1 混凝土的研究发展 自从1 8 2 4 年波特兰水泥获得专利之后，各种水泥砂浆和水泥混凝士陆续问世。随着水泥与 混凝j 匕的生产技术迅速发展，在短短的1 7 7 年间共发生四次变革。 第一次是理论基础时代。1 8 5 0 年， 法 郎波特( l a m b o t ) 应用钢筋网建造结构标志了钢筋混凝 t ( r e f o r c e m e n tc o n c r e t e 简称r c ) 时代的开始，也是r c 预制工业的萌芽。1 8 8 7 年， 英 m 科 伦m 垠o e n e n ) 首先发表了钢筋混凝土结构计算方法，随后出现了混凝土设计规范。1 9 8 年 美 d 呐 艾布拉姆斯( d a a b r a m s ) 建立了水灰比( w c ) 强度公式。指出当混凝土充分密实时，其强度与 c 成反比。1 9 3 0 年， 瑞士 鲍罗米( b e o m e y ) 根据大量试验数据，应用数理统计方法，纳入了 水泥强度因素后，提出了混凝土强度与水泥实际强度及w c 之间的关系。确认了混凝土强度取决 于水泥石性能，而水泥石性能又取决于自身的孔隙率。后来匏尔斯( p o w e r s ) 叉确立了混凝士强度 增k j 胶空比的关系，即已水化水泥浆体积与已水化水泥浆体积加毛细孔体积和加气孔体积之和 的比值。进一步反映了混凝十强度与毛细空隙的关系，揭示了混凝内部结构的变化状态。 第二次是预应力和干硬性混凝土时代。1 9 2 8 年， 法 e 弗列辛涅( e f r e y s s i n e t ) 提出了混 凝土收缩和徐变理论。采用了高强钢丝并研制了锚其，创造了预应力钢筋混凝土技术，为预应力 在混凝土中的应用奠定了基础。它结合了近代混凝土的技术与钢筋高强度优越性，充分发挥两种 材料共同的复合功能，为减少断面尺寸、增大荷载承载能力、提高抗裂和耐久性等起了卓越作用， 使人跨、高层、重载结构使用钢筋混凝土作为主体材料成为可能。这项技术极大地推动了建筑丁 程的进步。1 9 3 4 年，美国发明了振动器。从此高标号混凝土飞速发展。前苏联根据w c 理论开发 了千硬性混凝土。1 9 4 0 年， 召 吉田德次郎配制了w c i o o m p a 的成果。但后来逐步认识到，配制 5 0 m p a 干硬性混凝 十分困难，而且也不经济。 第三次是干硬性混凝土向流动性混凝士转变时代。1 9 3 7 年， 美】e w 斯克量彻取得了用亚 硫酸盐纸浆废液改善混凝土和易性、提高强度和耐久性的专利，拉开了现代外加荆之幕。1 9 6 2 年 日 服部健一等将萘磺酸甲醛高缩合物( 聚合度n t l 0 核体) 用于混凝土分散剂，1 9 6 4 年花于 石碱公司作为商品出售，名为“麦地”( m 卜1 5 0 ) 高效减水剂。其减水率商达2 0 3 0 ，前联邦德 国酋先用三聚氰胺“美尔门脱( m e l m e n t ) ”研制成功坍落度1 8 e m 2 2 c m 的流态混凝土。标示了流 动性混凝土时代的开始。使用外加荆意味着对混凝的改性。首先，改性混凝土改善了普通混凝 十的某些重要特性，同时又赋予酱通混凝土以一些新的功能。例如，当在混凝土中掺用少量减水 剂，保持混凝土中水灰比和用水量不变的情况卜，可以大大提高混凝土混合物的流动性，使高层 2 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 滑模工程施工变得容易。又如纤维混凝土，纤维增强混凝土是一种典型的改性混凝土类别它硅 蔷地提高了混凝土原有的抗拉、抗弯强度和断裂延伸率，特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性， 从而极大改变了混凝土原来一直作为脆性材料的概念，相当于继混凝土和预应力混凝土之后出现 的又次混凝土工程革命。其次，改性混凝土具有施工方便的特点，比如，掺用超塑化剂( 又叫 离效减水荆) ，可使混凝土混合物的坍落度高达2 0 c m 以上，应用于泵送施工，或者适用于浇灌 些配筋密集的大型混凝士结构物，这些大型结构物，用流动性差的混凝土混合物很难浇灌成型密 实。再者，改性混凝土具有显著的节能特点。据文献表明，使用一吨萘系减水剂司+ 节约水泥4 5 吨，可净节约能量2 2 6 5m j ，折合标准煤8 7 吨。如果在混凝土中掺用各种早强剂，可以加速混 凝十早期强度发展并防冻，因i i i 可用来取代蒸汽养护或减少蒸汽养护时间，以达到节约能源的目 的。最肃，改性混凝土最为让人推崇的是其环保性。这与二二十一世纪的环境保护主题可以说是很 台谋的。一方面混凝土的品种随人类社会文明的进步丽不断推陈出新，混凝士的应用范围和用量 日益增加，自然能源、资源已面临枯竭；制造胶凝材料的原材料及砂石骨料也面临挑战。蜀一方 匝，随着工业的发展，工矿企业排出的“三废”严重污染大地、江河、海洋和大气。据不完全统 汜全世界每年排出的工业废渣约2 0 亿吨，矿业废渣约8 0 亿吨，如何消化掉这些废渣? 胡这些 废渣生产改性混凝土是个行之有效的好方法。利用废弃物作为掺和料及骨料制造改性混凝土不仅 青剥于化害为利、改善环境、降低成本、节约资源、能源，而且能满足与日俱增的混凝士需求， 可见改性混凝土有着不可估量的环保价值。 其一，使用化学外加剂。这种方法能使混凝土改性并可以达到高强、调凝、耐久、补偿收缩、 膨胀等要求。现在，外加剂不仅已经成为混凝土一个不可缺少的组分，而且人们还在设想能生产 出一种标准水泥，能自行调整混凝土的特性，以满足各种工程的需要。 其二采用复合方法。为了克服混凝土抗拉强度低的缺点，人们在水泥分散体中加入增强材 料及其它材料，提高混凝土的抗拉强度、抗冻性及抗裂性等。常见的有纤维加强混凝士和聚合物 混凝土两类改性混凝土。还有一类改性混凝土属于物理复合，也就是常说的约束混凝士。 我国早在5 0 年代即开始研究使用外加荆，如在佛子岭水库、长江大桥等重大工程中使j e j 掺 有松香热聚物、松香皂等加气剂亚硫酸酒精废液塑化荆的改性混凝土均取得良好效果。随着混凝 十新工艺和高层建设、大型水利工程的需要，混凝土的研究又取得了长足进步，在葛湘坝水利枢 纽j 二程、深圳国际贸易大厦、大瑶山隧道、天津彩色电视塔、北京亚运会工程建设等重大项目中， 改性混凝土的应用均取得了良好的社会效益和经济效益。9 0 年代以来，我国混凝土生产中普遍推 广采用新技术和新工艺广泛推行高效外加剂、掺台料及复合材料，改善混凝土性能和降低水泥 耗能，极大地促进了我国复合改性混凝土的研究和发展。 第四次变革是高强混凝土的应用和高性能混凝土的萌发时代。高强混凝土( h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e 简称h s c ) 是混凝土技术的高科技，高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称t i p c ) 是混凝土技术的前沿。h s c 在不同历史阶段涵义不同。2 0 世纪3 0 年代前全世界都普遍采用用体 积配台比，强度i o 3 0 m p a 。二战后各国不断提高，强度2 5 m p a 4 叫p a 。我国建国后以北京为先 导改为重量配合比，强度1l m p a 、1 4 好a 、2 删p a 。5 0 年代h s c 强度为3 5 t p a ，6 0 年代为4 0 m p a 5 0 m p a ，7 0 年代为6 0 1 t i p a 。时下采用现代技术配制的h s c 强度早己超过了结构设计所采用的强度。 例如使用优质天然骨料能够生产2 3 0 1 d p a 的混凝土，使用优质陶瓷骨料可以得到4 6 0 m p a 的混凝土， 甚垒使用轻骨料亦可配制 l o o m p a 的轻质混凝土。美国混凝土学会( a c i ) 和国际预应力混凝土联合 3 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 会( f i p ) 与欧洲混凝土委员会( c e b ) 1 9 9 0 年、1 9 9 2 年公布报告都将h s c 的强度界定为 一4 1 m p a 且 小包括应用特种材料和技术制各的混凝土。其理由是超过4 0 m p a 后混凝土性能与生产丁：艺都会开 始变化。一些国家的标准和规范，均在抗压强度4 0 m p a 5 0 m p a 试验基础上制定的，但不限制 4 m p a 的混凝土。i i s c 的强度低限，将随着研究工作的不断深化而逐步提高。目前抗压强度一 5 0 m p a 或6 0 奸a 通常被认为是h s c ”1 。 1 9 9 0 年，美国国家标准与技术研究院n i s t 和美国混凝士协会a c i 首先提出高性能混凝上 ( 1 i p c ) ，此举否定了过去太偏重强度的发展道路。混凝土作为主要结构材料，其耐久性的重要性 不亚于强度或其他性能。因此，重要的混凝土建筑物要求按强度和耐久性来设计配合比，随着施 l 技术的进步和结构中混凝士的均质性要求的提高，混凝土的高工作性成为另一重要的性能。此 外，体积稳定性、变形、抗冲耐磨、疲劳、耐化学腐蚀等性能也受到重视。 h p c 的涵义和组成材料已经含有很多“绿色”要素。资深院十吴中伟先生提出将绿色高性能 混凝上( g r e e nh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称g h p c ) 作为今后发展的方向，目的在于加强人 们对绿色的重视，加强绿色意识，要求混凝土工作者更自觉地提高h p c 的绿色含量，或加大其绿 色度，节约更多的资源、能源，将对环境的破坏减到最少。这不仅为了混凝土和建筑工程的继续 健康发展，更是人类的生存和发展所必需。同时，绿色混凝土还考虑了对自然资源的消耗采取有 效措旃，并对自然界给予保护和补偿，保护生态使得能源的消耗控制在最小范围。 绿色高性能混凝土的特点如下：。1 ( 1 ) 更多地节约熟料、水泥，减少环境污染。 ( 2 ) 以更多地掺加工业废渣为主的细掺料。 ( 3 ) 更大地发挥高性能的优势，减少水泥与混凝士用量。 在配制高性能混凝七中，并不像酱通混凝土把矿物掺台料作为混和材料掺入，而是把矿物掺 料作为一种独立的、不可缺少的组分。 发展绿色高性能混凝土正是充分利用各种工业废弃物，大力发展复合胶凝材料，最大可能地 降低硅酸盐水泥的用量，是混凝土工程技术上走可持续笈展道路的必由之路。绿色高性能混凝土 ( g h p c ) 是一种既具有高施工性、高耐久性与高强度，叉具有保护环境、节约能源、有利于健康的 新型混凝土，代表了混凝土的发展方向。 2 l 世纪已经到来，随着新型复合材料及高效外加剂的研制和开发，绿色高性能混凝土必将在 我国各个领域得到广泛应用。而以节约能源、保持生态平筏和美化环境为主题的2 1 世纪，绿色 高强、高性能混凝土独特的节能、环保等优势必将促进混凝士开发应用的力度。 1 2 2 从高强到高性能混凝土的研究发展动态 高强混凝土的技术开发是以满足强度和工业化生产施工的要求作为追求的目的，其主要手段 是依据化学外加剂和矿物掺合料来降低混凝土的用水量和改善混凝土的微观结构，使混凝土更加 致密并获得高强，但人们很快发现这种混凝土不仅高强而且具有许多优良特性；高强混凝土儿乎 币透水，而当混凝土遭受到环境侵蚀几乎都离不开水为载体，加上高强混凝土中的矿物掺和料多 存抑制混凝土内部发生有害化学反应的作用，所以高强混凝土除了具有高强度性能之外，还有独 特的耐久性。 4 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 高性能混凝土( h p c ) 是近十年才提出的，作为主要结构材料，混凝土耐久性的重要性与强度 域其它性能放在了同等地位。因此，重要的混凝士建筑物都同时按强度和耐久性来设计配合比。 山了二施 技术的进步改革和结构中混凝土的均质性要求的提高，混凝土的高丁作性能也己成为必 璎的、重要性能。此外，耐久性如：耐化学腐蚀性、抗冲耐磨、抗疲劳、体积稳定性等性能也备 受重视。目前高强混凝土、高性能混凝土主要分歧主要表现在对高性能混凝土是否定要高强。 由r 各国学者对高性能混凝士涵义的不同认识，以及高性能混凝士用途的差异，不同图家和 部fj 的学者对高性能混凝土研究的侧重点有所不同，设计方法与思路也不尽相同，但重视耐久性 是大势所趋。其中： ( 1 ) 以法国的y m a l i e r 和f d e l a r r a d ，美国的p k m e h t a 以及加拿大的p c a i t c j l 3 为代表，强调高性能混凝土首要应是高强度混凝土，同时具有高施工性( 坍落度控制在8 - 2 0 c m ) ， 高体积稳定性，高抗渗性和高耐久性混凝土的强度为6 0 1 2 0 m p a ，水灰比为0 1 9 o 4 0 。单方 用水量1 2 0 1 6 0 k g ，单方胶结料用量为4 5 0 5 5 0 k g ，掺和料为硅粉、磨细矿渣和粉煤灰。另外， 法国学者还将2 8 天抗压强度超过8 0 m p a ( 一般为8 0 1 2 0 m p a ，水灰比小于o 3 ) 的高性能混凝十称 为超高性能混凝土v h p c - - v e r yh i g hp e t - f c r m a n c ec o n c r e t e 。 ( 2 ) 以日本东京大学土木系岗村浦( h a j i m eo k a m a r u ) 教授为代表，高性能混凝士酋先是高 施工性( 达到免振的施工要求) 、高体积稳定、高抗渗性和尚耐久性、同时具有足够高的力学性能。 ( 3 ) 以美国弗吉尼亚州交通研究院的c o z y i d i r i m 为代表，他们对高性能混凝十研究的重 点在于两个方面：一是研究多种( 化学或矿物) 添加剂对传统混凝土改性得到低渗透性，高的早期 强度，高的耐久性，高的体积稳定性的高性能混凝士技术。例如：用一种新型的碱性激发水泥配 制的混凝士即使在很冷的气候条件f ( 如- 1 5 ：) ，仍可以获得极高的早期强度和极低的渗透性。 一：是采用a a s h t ot 2 7 7 的实验方法，研究混凝土的抗氯离子渗透能力，并以此作为用于交通设施 的高性能混凝土的渗透性。 我国自2 0 世纪7 0 年代起开始发展高强与高流动性混凝土。1 9 8 0 年建成的红水河铁路斜拉桥 的预应力混凝土箱粱就是采用的高坍落度高强混凝土。近年来建成的一些著名桥梁多采用高强混 凝t ，如上海杨浦大桥、武汉长江= 桥等均采用c 5 0 掺粉煤灰泵送混凝士，汕头海湾大桥主梁采 用c 6 0 混凝土。目前上海、北京有供应c 8 0 以上商品混凝土的能力。但是，我国传统的高强混 凝t 仅注重于强度，而随着抗压强度的提高，混凝士的脆性增大，应力应变曲线发生变化。随着 强度增高，水泥用量随之加大，收缩徐变也相应增大，使高强混凝土在桥粱结构中的应用产生一 定的难度和限制，这就要加紧研制和大力推广使用i t p c 。 j 2 3 高性能混凝土( b p c ) 的定义 综合各种观点，h p c 可用下列定义：h p c 是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高常规混 凝“ 二性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质坂料，在妥善的质量管理条件f 所制成的。 除水泥、集料、水以外。必须采用低水胶比，掺入足够的细掺料与高效外加剂，h p c 应同时保证 f 列诸性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性与经疥合理性。“3 主要盔兰翌兰兰堡薹兰，。，。，。耋二耋。，：耋坠 1 3 高性能混凝具有的特征和特性 131 高性能混凝土的特征 ( 1 ) 高强化：混凝土高强化的重要意义在于减轻工程建筑的自重。目前，在我国一些犬城 i i 中。预拌混凝土工厂己经比较成熟的掌握了c 5 0 c 6 0 混凝士的配制与泵送技术。进入2 1 世纪 将要提高到c 8 0 c 1 0 0 。而c 5 0 c 6 0 也在全国大面积普及推j 、。在配制高强混凝士的研究中，强 凋致力r 提高混凝土的延性、抗裂性和抗拉强度。 ( 2 ) 高性能化：高性能混凝土不仅具有良好的耐久性流动性与体积稳定性。而且在配制 的组分材料中还利用了大量的工业废渣，显著的减少生产时严重的污染环境的水泥用量。因此， 进入2 l 世纪，其特征将作为可持久发展的绿色建筑材料而给以大力的发展应用。 ( 3 ) 轻质化：在工程材料的性能中，除强度外，还有一个比强度( 强度比重) 技术指标，同 徉具有重要意义。作为结构用的轻混凝土，近期的奋斗目标为：容重5 0 0 k g i n - a 抗压强度达到 1 5 m p a ；容厦8 0 0k g m3 抗压强度达到2 5 枷p a ；因此，对超轻集料陶粒的制作与研究还在进。1 步 深入。 ( 4 ) 艺术化：用玻璃纤维增强混凝土制作的人造石、雕塑、园林、小艺术品、仿生建筑和 仿古建筑，在装点自然、美化城市、改善人居环境等方面，混凝土将占有更大的艺术空间，质朴 的、粗犷的、更贴近人类回归自然的心理要求的人造石文化时代必将出现。 ( 5 ) 功能化：进入2 l 世纪，储存太阳能的蓄热混凝土、夜间导向的发光混凝土、监测建筑 物安全性的智能混凝十、光致变色的混凝土、导电混凝土、灭菌混凝土等一批功能性的混凝_ 十将 得到广泛的应用。 ( 6 ) 膨密化：不论从混凝土的密实性、体积稳定性班及减少于缩，温度裂缝等那一个功能 来看。掺入适量的膨胀剂，对量大面广的普通混凝土、高性能混凝土，尤其是大体积混凝。t 和侵 蚀环境中的钢筋混凝土，提高其耐久性是十分有利的。 1 3 2 高性能混凝土的特性 ( 1 ) 高性能混凝土拌合物具有良好的流变特性，不泌水、不离析，甚至可自流密实，而且 还能保证混凝浇筑质量，防止因泌水离析或振捣不实而引起的混凝土早期缺陷，有利于混凝 的耐久性。 ( 2 ) 高性能混凝土在硬化过程中体积稳定，水化热低温升小，冷却时的温度收缩小，干 燥收缩小，硬化后不易产生宏观及微观的裂缝，具有致密的微观结构，抗渗性能良好。 ( 3 ) 低水灰比的大掺量粉煤灰或超细矿渣粉混凝土也是当前发展的一种高性能混凝土，它 具有水化热低，徐变系数小，长期强度增长大，渗透系数低，且抗氯离子渗透更比普通混凝土高 许多，即使使用了活性骨料也不会发生明显的碱骨料反应( 即减缓碱骨料反应的发展) 。 ( 4 ) 自密免振混凝士也是一种大掺量粉煤灰或超细矿渣粉的商性能混凝土，它能够提高旌 】：速度，减轻劳动强度，节约电能消耗，并能消除噪声环境污染。配制这种混凝土的关键要解决 好拌料的离流态和不泌水离析之间的矛盾，用水量要少些，并要抑制混凝土收缩等。 6 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 恿曼曼曼曼! ! ! 皇! 曼曼量皇置量皇皇皇皇皇詈置皇蔓岜曼皇曼! 舞阜孽舅篡鼍鼎n l ui 曼! 曼曼阜 ( 5 ) 大量使用粉煤灰、超细矿粉等矿物掺和料，不仅可以改善了混凝土的性能，而且利用 】t 业废料减少了生产水泥所带来的能源消耗和= 氧化碳排放量，对于保护环境和人类可持续 发展具茸重要意义。 ( 6 ) 发展高性能混凝土所需要的原材料的生产，由于配制高性能混凝土所用的材料是硅酸 盐水泥，优质高效减水荆，复合矿物掺和料等。随着高性能混凝土的大量使用，必将推动这些相 毙声业的进一步发展壮大。 1 ，4 高性能混凝土的工作性及其评价 14 1 高性能混凝土的工作性 混凝士具备良好的工作性，能方便施工操作，提高旌工进度，利于环境保护。同时能增加填 充性、自流平行、均匀性和密实性。而且还为离性能混凝土的生产和施工逐步走上全盘机械化、 自动化和计算枧控制奠定基础，并为未来机器人操作提供可能性。高性能混凝土是以耐久性为主 要目标进行设计的混凝土。它以优异的耐久性( 而不是高强度) 为主要特点，又有优异的高施：i ： 性质保证结构的耐久性，易于浇筑、捣实而不离析；高超的、能长期保持的力学性质；高早期强 度；高韧性、体积稳定、在严酷的环境下使用寿命长。日本的学者则认为强度并不是全部目标， 而强调的目的是混凝土既能保证高强又能达到耐久性。为了达到高耐久性，混凝土必须具备的性 能是：在新拌状态下的混凝土拌合物有良好的工作性，即商流动性而不离析、不泌水，方埂成型， 均匀密实，水化硬化过程干缩低、收缩小，温升低；并且能达到无初始裂缝；硬化后的混凝十抗 冻性强、渗透性低。其性能的变化流程见图i - 1 所示。 图卜1高性能混凝土的性能变化流程 7 主墨查耋要圭兰竺窒圣。! 。，。，。，。，。，量塞；耋丝 142 高陡能混凝土拌和物的工作性评价 为7 施工时易于操作而保证质量，混凝拌和物应具备良好的工作性。混凝十拌合物的工作 怙是对稠度、可塑性、和易性的总称。对于高性能混凝士来说，工作性还应包括究填性、可泵性、 体积稳定性、抗泌水和抗离析性等概念。与不用减水剂的传统混凝土相比，高性能混凝土拌合物 有很大的坍落度，约2 0 c m 以上。若要求自流时，甚至可以达到2 6 0 m m 对于传统的混凝土，提高 流动性一般通过加大用水量来实现，而用水量大的混凝士泌水离析的倾向大。对于高性能漏凝土， 出t 水胶比报低，必须使用高效减水剂来实现商流动性，掺 高效减水剂后，拌台物的流动性增 人，但流动速度却慢的多，而且还往往有很大的坍落度损失。闲此在评价混凝七拌合物的r l 作 性时，就不能只考察流动性，。只用表征普通混凝士流动性的坍落度是不能反映高性能混凝土的流 变性能的。在评价高性能混凝土的工作性时，国外多采用坍落度结合坍落流动度( s l u m pf l o w ， 厢拌合物坍落度稳定时所铺展的直径来表示) 。在进行工程质量控制时，对已确定的原材料、配 合比和混凝土拌合物，常用如下流程图如图卜2 、图卜3 表示并评定。 暑 皇 端 特 客 s l s f 大，粘稠s b s f o 4 ，工作性好 s l s ft | 、，离析 圈卜2混凝土拌和物工作性的简易评价 “ 口 臻i - 隶 口 下 不 高性能一 分 离 一 矿 ，1 t , - - 0 件 承 。 f 土 木 用 础 l _ j 豳卜3土木工程用的混凝土流动性比较 茸 芒 粥 臀 锯 齄 赛 甜 “ u 8 5 2 0 宁夏大学硕上学位沦文 第一章绪论 苎曼皇詈鼍鼍尝皇曼曼曼量曼! 曼! ! ! ! 曼曼鼍皇曼! ! 暑巴皇皇曼曼曼曼曼阜曼! 詈皇甍蔓曼皇