（材料学专业论文）高强高性能大掺量粉煤灰混凝土研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆盘堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：象童锋 签字日期：二。年年f 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂 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阀。本人授权 重鏖盘堂 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c ( 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：昊志苷 导师签名： 签字日期： ；。1 年f 月6 日 泓亏髟 签字日期：p 尹年f 月鼠7 日 中文摘要 摘要 在水泥混凝士技术中，每生产一吨水泥熟料则同时排放一吨c 0 2 气体，众 所周知，c 0 2 气体对温室效应的影响很大。随着社会的发展进步，我国对水泥的 需求逐年增加，使水泥混凝土工业急需谋求与环境协调发展的出路。当今世界 工业发达，由此而产生大量的工业废渣，给环境带来极大的负担。广大水泥混 凝土工作者对工业废渣进行了大量的研究和应用，在废渣的利用研究中，粉煤 灰的利用已有大半个世纪，从最初多用于大体积混凝土，起到降低混凝土中因 水泥水化引起温升的作用，到后来粉煤灰在实际工程应用中所发挥的作用，以 及水泥混凝土不断有耐久性问题的出现，认识到粉煤灰能改善水泥混凝土的多 种性能，从新拌混凝土混合料的流动性到混凝土使用过程中所要求的耐久性， 均能起到良好的作用。世界各国对粉煤灰的研究从各种国际会议上有关粉煤灰 论文的增多可以看到是废渣利用研究中的热点。我国的粉煤灰研究还落后于世 界的发展水平。 粉煤灰分为低钙粉煤灰和高钙粉煤灰，我国以低钙粉煤灰为主。低钙粉煤 灰的特点是c a 0 2 含量小于1 0 ，早期火山灰活性低。当粉煤灰取代水泥的量小 于2 0 时，对混凝土强度( 特别是早期强度) 影响不大，而对混凝土混合料流动性 的改善以及硬化混凝土耐久性的提高作用明显，用粉煤灰大量取代混凝土中的 水泥用量则会造成混凝土早期强度降低较大，抗碳化能力减弱等负面影响。 本文针对上述问题，对低钙粉煤灰进行有效的改性处理，配制得到高强高 性能大掺量粉煤灰混凝土。其主要研究成果如下： ( 1 ) 采用激发剂与粉煤灰共同磨细的处理方法，有效提高粉煤灰的早期( 3 天) 火山灰活性，通过降低水胶比、提高混凝土胶凝材料总用量等技术措旌，配制 得到粉煤灰掺量为胶凝材料用量的5 0 7 0 的混凝土3 天强度大于4 2 5 m p a ， 2 8 天强度大于8 5 m p a ，到1 年龄期时强度超过1 0 0 m p a ，混凝土混合料坍落度 大于1 9 0 m m 、扩展度大于4 1 2 m m ，流动性良好的高强高性能大掺量粉煤灰混凝 土。 ( 2 ) 用蒲心诚教授提出的火山灰活性比强度方法分析大掺量粉煤灰混凝土中 改性粉煤灰的火山灰活性，当活性指数a = i 时，掺粉煤灰的混凝土强度与基准 混凝土强度相等，即1 的粉煤灰的强度贡献等于1 的水泥的强度贡献作用。 改性粉煤灰掺量在5 0 、6 0 、7 0 时，3 天的活性指数分别达到o 5 7 2 、o 6 7 8 、 o 6 8 3 ；2 8 天时分别为1 0 5 0 、0 9 7 2 、o 9 5 6 ，1 年龄期时为1 0 2 6 、1 0 0 8 、1 0 0 3 ； 改性粉煤灰火山灰效应强度贡献率3 天分别为2 8 6 、4 0 7 、4 7 8 ，2 8 天分 重庆大学博士学位论文 别为5 2 5 、5 8 _ 3 、6 6 9 ，1 年分别为51 3 、6 0 5 、7 0 2 。 ( 3 ) 大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能有所改善。当粉煤灰掺量为5 0 、6 0 、 7 0 混凝土养护5 6 天、快速碳化2 8 天的碳化深度为6 5 m m 、8 7 m m 、9 0 m m ， 按照快速碳化2 8 天相当于自然碳化5 0 年的深度推测，大掺量粉煤灰自然碳化 1 0 0 年时碳化深度达到1 3 m m 、1 7 4 m m 、1 8 m r n ，一般钢筋混凝土结构中保护层 厚度为2 5 m m ，则在百年内自然碳化不会达到钢筋的表面。大掺量粉煤灰混凝土 有较好的体积稳定性，1 8 0 天总收缩值为5 6 0 1 0 一。 ( 4 ) 通过对大掺量粉煤灰一水泥浆体p h 值和c a ( o h ) 2 含量的测定，1 年时粉 煤灰掺量5 0 、6 0 、7 0 的浆体p h 值分别为1 2 1 9 、1 2 0 1 、1 2 0 0 ；c “o h ) 2 有1 5 2 m g g 以上。 ( 5 ) 用射线、s e m 方法分析、观察大掺量粉煤灰水泥浆体的水化产物及其 形貌，在3 天的s e m 照片中观察到粉煤灰颗粒表面开始进行火山灰反应：粉煤 灰火山灰反应减少了c a ( o h ) 2 。 ( 6 ) 对大掺量粉煤灰浆体孔结构分析得知，大掺量粉煤灰没有减小浆体的孔 隙率，“细化”内部的孔结构，而是使有害的大孔减少，无害的小孔增多，最可 几孔稍大。 粉煤灰大量取代混凝土中水泥用量生产的高强高性能混凝土，可以获得经 济、环保以及生态等多种效益，是实现水泥混凝土工业与环境可持续发展的有 效途径，可以称其为绿色高性能混凝土。 关键词：大掺量粉煤灰混凝土，高强混凝土，高性能混凝土，火山灰活性， 活性指数，碳化 i i 英文摘要 a b s t r a c t 1t o nc 0 2g a sw i l lb el e to f fw h e n1t o nc e m e n te l i n k e ri sm a n u f a c t u r e di nt h e t e c h n o l o g yo fc e m e n ta n dc o n c r e t e c o m i n gt 0l i g h t c 0 2w i l lr e s u l t si ng r e e n h o u s e e f f e c ts e r i o u s l y w i t ht h ed e v e l o p i n go f s o c i e t y , t h ed e m a n d i n gt oc e m e n tw i l li n c r e a s e s w i t ht i m ei no u rc o u n t r y t h ei n d u s t r yo fc e m e n ta n dc o n c r e t en e e dt or e s e a r c h a p p r o a c h e sd e v e l o p i n gh a r m o n i o u s l yw i t he n v i r o n m e n tu r g e n t l y al a r g eo fi n d u s t r i a l w a s t er e s i d u eb r i n gh e a v i l yb u r d e no ne n v i r o n m e n tr e s u l t i n gf r o mt h ed e v e l o p i n go f t h e w o r l di n d u s t r y al o to fr e s e a r c h e r si nt h ew o r k i n go fc e m e n ta n dc o n c r e t eh a v eb e e n m a k i n gal a r g eo fi n v e s t i g a t i o na n du s i n go ni n d u s t r i a lw a s t er e s i d u e t h ef l ya s hh a s b e e nu t i l i z e df o rm o r et h a nh a l fo fac e n t u r ya m o n gt h e s ew a s t er e s i d u e s i tw a su s e di n t h el a r g em a s sc o n c r e t ew o r kt od e c r e a s et h ee f f e c to f t h er i s i n go f t e m p e r a t u r er e s u l t i n g o fh y d r a t i o no fc e m e n ti n i t i a l l y l a t e rw i t ht h ee m e r g i n go ft h ep r o b l e m si nt h e d u r a b i l i t yo fc e m e n ta n dc o n c r e t ec o n t i n u o u s l y , f l ya s hw a sr e c o g n i z e dt h a ti tc a nb e u s e dt oi m p r o v em a n yp r o p e r t i e so fc e m e n ta n dc o n c r e t e e i t h e rt h ef l u i d i t yo f t h ef r e s h m i xo rt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t eu s e d ，i tc a nc o n t r i b u t eag o o de f f e c t r e s u l t i n gf r o m t h ei n c r e a s i n go ft h en u m b e r so fp a p e r sa b o u tf l ya s hi nm a n yi n t e r n a t i o n a lm e e t i n g s ，i t c a nb en o t e dt h a tt h eu t i l i z a t i o no fw a s t er e s i d u eh a v eb e c o m eah o tt o p i c t h e d e v e l o p i n gl e v e lo ft h ei n v e s t i g a t i o n t of l ya s hi no u rc o u n t r yd r o p sb e h i n do t h e r c o u n t r i e s f l ya s hc a nb ec l a s s e dt ot w ok i n d s ：h i g h - c a l c i u mf l ya s ha n dl o w c a l c i u mf l ya s h m o s to ff l ya s hi sl o w - c a l c i u mf l ya s hi no u rc o u n t r y t h ec h a r a c t e r i s t i co fl o w - c a l c i u m f l ya s hi st h a tt h ec o n t e n to fc 0 2i sl e s st h a n1 0 a n dt h ep o z z o l a n i ca c t i v i t yi sl o w w h e nt h ec o n t e n to ff l ya s hi n s t e a do fc e m e n ti sl e s st h a n2 0 ，t h e r ei sl i t t l ee f f e c to n t h es t r e n g t ho fc o n c r e t e ，e s p e d a l l yo i lt h ei n i t i a ls t r e n g t h , b u tt h ef l u i d i t yo ft h ef l e s h m i xa n dt h ed u r a b i l i t yo fh a r d e n e dc o n c r e t ew i l lb ei n c r e a s e do b v i o u s l y i ff l ya s hi s i n s t e a do fl a r g eo fc e m e n t ，t h ei n i t i a ls t r e n g t ho fc o n c r e t ew o u l dd e c r e a s es e r i o u s l ya n d t l l ec a r b o n a t er e s i s t a n c ew o u l db ew e a k a i m i n ga t a b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et r a n s n a t u r i n g t r e a t m e n te f f e c t i v e l yt ol o w - c a l c i u mf l ya s ha n dm a n u f a c t u r i n gf l ya s hc o n c r e t ew i t h h i 曲s t r e n g t ha n dh i g hp r o p e r t i e su s i n go fl a r g ed o s a g ef l ya s h m a i no u t c o m e s i n v e s t i g a t e df o l l o w ： ( 1 ) i m p r o v et h ei n i t i a l ( 3 d a y ) p o z z o l a n i ca c t i v i t yo ff l ya s he f f e c t i v e l yu s i n gt h e 1 1 1 重庆大学博士学位论文 t r e a t i n gm e t h o dg r i n d i n gt h ea c t i v a t o ra n df l ya s ht o g e t h e r c o n c r e t ew h i c ht h ec o n t e n t o ff l ya s ho c c u p i e s5 0 - 7 0p e r c e n t a g eo fb i n d i n gm a t e r i a l sc a nb em a d eo ft h r o u g h a d o p t i n gt e c h n o l o g ym e a s u r e sd e c r e a s i n g w a t e rt o b i n d i n gm a t e r i a l s r a t i oa n d i m p r o v i n gt o t a ld o s a g eo fb i n d i n gm a t e r i a l si nc o n c r e t e s t r e n g t ho ft h i sc o n c r e t ei n 3 d a ya n d2 8 d a yb e e nh i g h e rt h a n4 2 5 m p aa n d8 5 m p ae s p e c i a l l y , i sm o r et h a n10 0 m p a 1y e a rl a t e r w i t hh i g l ls t r e n g t ha n dh i 曲p r o p e r t i e s ，t h i sf l ya s hc o n c r e t eu s i n go fl a r g e d o s a g ef l ya s h h a sag o o df l u i d i t yi np l a s t i cs t a t e ( 2 ) a n a l y z i n gt h ep o z z o l a n i ca c t i v i t yo ft r a n s n a t u r e df l ya s hi nf l ya s hc o n c r e t e u s i n go fl a r g ed o s a g eo ff l ya s hb a s e do nt h em e t h o dp o z z o l a n i ca c f i v i t yt os t r e n g t h s u p p o r t e db yp r o f e s s o rx i n g c h e n gp u ，w h e na c t i v i t yf a c t o ra = i ，t h es t r e n g t ho f c o n c r e t eu s i n go ff l ya s hi se q u a lt ot h eb a s i cs t r e n g t ho fc o n c r e t e w h e nt h ed o s a g eo f t r a n s n a t u r e df l ya s hi sb e t w e e n5 0 7 0 ，t h ea c f i v i t yf a c t o ra r r i v e sa to 5 7 2 ，0 6 7 8 ，o 6 8 3 e s p e c i a l l y i ta r r i v e sa t1 0 5 0 ，0 9 7 2 ，o 9 5 6e s p e c i a l l yi n2 8 d a y ( 3 ) t h ec a r b o n i z i n g r e s i s t i n go ff l ya s hc o n c r e t eu s i n gl a r g ed o s a g eo ff l ya s hh a s b e e ni m p r o v e di nac e r t a i ne x t e n t c u r i n gf o r5 6 d a ya n dc a r b o n i z i n ga c c e l e r a t e df o r 2 8 d a nt h ed e p t ho fc a r b o n i z i n go fc o n c r e t ei s6 5 m m ，8 7 m m ，9 0 r a m g u e s s i n g a c c o r d i n gt ot h a tc a r b o n i z i n ga c c e l e r a t e df o r 2 8 d a yi se q u a lt on a t u r a lc a r b o n i z a t i o nf o r 5 0 y e a r , t h ed e p t ho fn a t u r a lc a r b o n i z a t i o nf o r1 0 0 y e a rw i l la r r i v ea t1 3 r a m ，1 7 4 m m ， 18 r a m n o r m a lp r o t e c t i n gd e p t hi ns t r u c t u r eo fr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t ei s2 5 m m ，s ot h e n a t u r a lc a r b o n i z a t i o nw i l ln o ta r r i v ea tt h es u r f a c eo fs t e e li n10 0 y e a r c o n c r e t eu s i n g l a r g ed o s a g eo ff l ya s hh a sag o o dv o l u m es t a b i l i t y t h ev a l u eo fd r ys h r i n k a g e f o r 1 8 0 d a y i s5 6 0 1 6 一 ( 4 ) 1y e a rl a t e rt h ev a l u eo fp ho ft h ec o n c r e t eu s i n go f1 a r g ed o s a g eo ff l ya s hi s 1 2 1 9 1 2 0 1 1 2 0 0e s p e c i a l l y b y m e a s u r i n g t h e v a l u eo f p h a n d t h ec o n t e n to f c a ( o h ) 2 i nt h em o r t a ru s i n go fl a r g ed o s a g eo ff l ya s h t h ec o n t e n to fc a ( o h ) 2i sm o r et h a n 15 2 m g g ( 5 ) t h ep o z z o l a n i cr e a c ts t a r tt oa c tf r o mt h es u r f a c eo ft h ep a r t i c l e so ff l ya s hi n t h es e mp h o t o sa t3 d a y , b yo b s e r v i n gt h eh y d r a t i o np r o d u c t sa n dt h e i ra p p e a r a n c eo f t h em o r t a ro fc e m e n tu s i n go fl a r g ed o s a g eo ff l ya s ha d o p t i n gw i t hx - r a ya n ds e m t h ep o z z o l a n i cr e a c td e c r e a s e st h ec o n t e n to fc a ( o h ) 2 ( 6 ) a n a l y z i n gt h ep o r es t r u c t u r eo f m o r t a ru s i n go fl a r g ed o s a g eo ff l ya s h ，i tn o t e t h a tl a r g ed o s a g eo ff l ya s hd on o td e c r e a s et h ep o r o s i t yo fm o r t a ra n dt h ei n t e r n a l s t r u c t u r e ，b u td e c r e a s et h en u m b e ro fb a n e f u lb i gp o r e ，a tt h es a m et i m ei n c r e a s et h e n u m b e ro f h u r t l e ss m a l lp o r ew i t h 最可几孔 英文摘要 f l ya s hc a r lb ei n s t e a do fc e m e n ti nc o n c r e t el a r g e l yt om a n u f a c t u r ec o n c r e t ew i 吐l h i 曲s t r e n g t ha n dh i 曲p r o p e r t i e s i ti s ae f f e c t i v ea p p r o a c ht or e a l i z ed e v e l o p i n g c o n t i n u o u n yi nt h ei n d u s t r yo nc e m e n ta n dc o n c r e t ew i t he n v i r o n m e n t , s oi t c a i lb e d e f i n e da sg r e e nc o n c r e t ew i t hh i g l lp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：c o n c r e t eu s i n go fl a r g ed o s a g ef l ya s h ，c o n c r e 7 t ew i t hh i g hp r o p e r t i e s ， p o z z o l a n i ca c t i v i t y , a c t i v ef a c t o r , c a r b o n a t e v 1 文献综述 1 文献综述 1 1 可持续发展与绿色高性能混凝土 1 1 1 可持续发展是人类的必然选择 环境与发展是当今全球最为关注的问题之一。近百年来的工业革命和现代科 学技术促进了现代社会经济、文化、社会生活各个方面的快速发展，极大地丰富 了人类的物质文化生活，使人类生活呈现出绚丽灿烂、多姿多彩的态势。但同时 伴随着的人类生存环境的快速恶化，如自然资源枯竭、大气污染、气候变迁、土 壤退化、淡水危机、物种灭绝、人居环境恶化、工业疾病泛滥等，无不昭示着现 代文明给人类带来的可怕灾难和恐怖。那么，人类如何在保持发展的同时，又能 最大限度地保存自身和与之相适应的生态环境呢? 世界从来没有象今天这样把环 境与发展连在一起，看得如此重要，如此迫切，如此优先11 9 9 2 年在巴西里约热 内卢，联合国召开由l o o 多位国家政府首脑出席的环境与发展大会，在这次被称 为“地球峰会”上，通过了里约环境与发展宣言、2 1 世纪议程，提出了人类社 会今后应该走可持续发展的道路。 什么是可持续发展? 其定义从自然、社会、经济和科技等不同的角度有不同 的内涵，而目前被国际社会广泛接受和认同的可持续发展概念是前挪威首相布伦 特兰夫人所主持的联合国环境与发展委员会( u n c e d ) 在我们共同的未来报 告中所作出的解释，即“既满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需求能力 的发展”，即是指经济、社会、资源和环境保护的协调发展，既达到发展经济的目 的，又能保护人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境， 使子孙后代能够永远发展和安居乐业 2 】。可持续发展的目标是使社会经济同资源、 环境实现良性循环，是社会和自然关系的变革，是以保护资源和环境为前提的【1 ”。 自然资源是材料的重要来源，它主要来源于地球，最后又返回地球。材料循 环全过程可表示如下p j ： 工程材料一设计与制造一产品 tl 原材料一人为再生资源一废物 tl 自然资源一地球一垃圾 由此可知，原材料的来源有两条途径：一是自然资源，一是人为再生资源。 重庆大学博士学位论文 自然资源在地壳中是有限的，人为再生资源一资源的重复利用，可以极大地减缓 对地球环境造成的压力。 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 0 3 斗c a o - i - c 0 2 1 0 05 6 4 4 表1 12 0 0 1 年水泥产量前十名的国家 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 吨水泥熟料排放1 吨c 0 2 。随着建设的 迅猛发展，我国水泥产量增加特快，5 0 年代 初生产不足3 0 0 万吨，1 9 8 0 年年达到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( 见表 1 1 ) t “ ，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。 t a b l e l 1t h et e n t hp r e c e d i n gc o u n t r i e s f o rc e m e n t0 1 1 t p t i ti n2 0 0 1 注；除中国外其他9 国水泥产量总音为：5 0 53 百万吨 1 1 2 高性能混凝土与可持续发展 自从波特兰水泥( 硅酸盐水泥) 问世之后，很快就出现了水泥砂浆和水泥混凝 土，1 7 0 多年来，混凝土技术经历了许多重大的变革。1 9 2 8 年，法国的f r e y s s i n e te 发明了预应力锚具，天才地创造了预应力钢筋混凝土技术。它充分利用了近代科 技提供的混凝土与钢筋的高强度等优越性能，发挥了两种材料共同作用的复合功 能，为减少结构断面、增大荷载能力、提高抗裂和耐久性能等起了卓越的作用， 使长跨、高耸、重载等结构使用钢筋混凝土作为主体材料成为可能。化学外加剂 的使用被认为是预应力混凝土技术以后的又一次技术大突破。近百年来，水泥与 水泥混凝土材料的发展趋向是不断提高强度。这是由于使用部门不断提高强度的 要求所致。尤其是近5 0 年来，片面提高强度而忽视其他性能的倾向造成水泥生产 向大幅度增加细度和硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥标号或2 8 天胶砂抗压 强度从3 0 m p a 猛增到6 0 m p a ，并越来越多地使用5 0 m p a 以上的混凝土。提高混凝 土强度的办法除采用高标号水泥外，更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比及 单方用水量。因此混凝土的流动性随之下降，甚至出现必须依靠强力振捣才能保 证密实性和均匀性的干硬性混凝土。到8 0 年代前后，混凝土耐久性问题愈来愈尖 l 文献综述 锐。因混凝土材质劣化和环境等因素的侵蚀作用，常出现混凝土建筑物破坏失效 甚至崩塌等事故，造成巨大损失。传统的单一高强化的主流思想受到批评，高性 能混凝土逐渐成为合理、科学的发展路线。 高性能混凝土这种新型混凝土是在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初才出现的。1 9 9 0 年5 月，美国国家标准与技术研究院( n i s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 召开会议，首 次提出高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) 这个名词。高性能混 凝土名词的出现至今只有十几年，不同国家、不同学者按照各自的认识、实践、 应用范围和目的要求的不同，对高性能混凝土有不同的定义和解释 1 3 】： 1 ) 美国国家标准与技术研究所( n i s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 于1 9 9 0 年5 月召开的讨论会上提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的均质混凝土， 必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，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。 2 ) 1 9 9 0 年美国m e h t a e k 认为：高性能混凝土不仅要求高强度，还应具有高 耐久性( 抵抗化学腐蚀) 等其他重要性能，例如高体积稳定性( 高弹性模量、低 干缩率、低徐变和低的温度应变) 、高抗渗性和高工作性。 3 ) 1 9 9 2 年法国m n i e r y a 认为：高性能混凝土的特点在于有良好的工作性、 高的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反 应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。 4 ) 1 9 9 2 年日本的小泽一雅和冈村甫认为：高性能混凝土应具有高工作性( 高 的流动性、粘聚性与可浇注性) 、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。 5 ) 1 9 9 2 年日本s a r k a r s l 提出：高性能混凝土具有较高的力学性能( 如抗压、 抗折、抗拉强度) 、高耐久性( 如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀) 、高抗渗性， 属于水胶比很低的混凝土家族。 吴中伟院士提出的定义是：高性能混凝土是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，它咀耐久 性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地 予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，高性 能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、集料外， 必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。 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；既可减少煅烧熟料时c o z 的排放，又因大量 利用粉煤灰、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 重庆大学博士学位论文 使用寿命，尽量减少造成或拆除的浪费和建筑垃圾，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。 a 高性能混凝土的强度 高性能混凝土是按耐久性设计的混凝土，但是作为结构材料，混凝土的强度 仍是评定混凝土质量的重要指标。混凝土的强度一直是研究者与生产者不断追求 的目标。更高的强度，对混凝土来讲，意味着建筑物高度的增长，桥梁跨距的加 大，特别在经济迅速发展的今天，由于城市的扩展占据了大量的可耕地，因此迫 切要求建筑物向高空发展，高层、超高层建筑的出现势在必行，这一趋势对解决 中国人多地少与经济发展矛盾的困难更加重要。混凝土在过去的发展过程中，强 度是越来越高，6 0 m p a 、8 0 m p a 、i o o m p a 、1 2 0 m p a 甚至更高强度的混凝土不断出 现，特别是采用特殊工艺的混凝土，强度更高。 例如，采用传统制备工艺，在实际工程中得到应用的混凝土强度已经可轻易 达到i o o m p a 以上，美国西雅图双联广场所用钢管混凝土设计强度为9 6 m p a ，混 凝土浇注后2 8 天抗压强度达到1 1 9 m p a ，5 6 天强度达到1 3 5 m p a t l 6 朋1 8 ：北京财政 大楼也用到了1 2 7 m p a 的混凝土。在混凝土强度规范制定上，挪威标准的最高强度 等级为c 1 0 5 ，德国混凝土协会1 9 9 5 年颁布的高强混凝土指南中最高强度等级 达到c l l 5 ，国内最新颁布的混凝土规范最高也达到c 8 0 ，而在实际工程中，沈阳 福林广场的设计己突破规范局限达到c 1 0 0 ” 。 b 高性能混凝土拌和物的工作性 高性能混凝土拌和物的工作性很重要，是保证混凝土浇筑质量的关键。为了 施工时易于操作而保证质量，混凝土拌和物应具有良好的工作性。混凝土拌和物 的工作性是其稠度( c o n s i s t e n c y ) 、可塑性( p l a s t i e i t y ) 、和易修饰性( f i n i s h a b i l i t y ) 的总称。对于高性能混凝土来说，工作性还应包括填充性( p l a c e a b i l i t y ) 、可泵性 ( p u m p a b i l i t y ) 和稳定性( s t a b i l i t y ，及抗泌水和抗离析性) 等概念 1 ”。与不用减 水剂的传统混凝土相比，高性能混凝土拌和物有很大的坍落度，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，而用水量大的混凝土泌水、离析的倾 向大；对于高性能混凝土，由于水胶比很低，必须使用高效减水剂来实现高流动 性，掺人高效减水剂后，拌和物的流动性增大，但流动速率却慢很多，而且还往 往有很大的坍落度损失。因此，在评价混凝土拌和物的工作性时，就不能只考察 流动性。只用表征普通混凝土拌和物流动性的坍落度是不能准确地反映高性能混 凝土的流变性能的。在评价高性能混凝土的工作性时多用坍落度结合坍落流动度 ( s l u m pf l o w ，用拌和物坍落稳定时所铺展的直径表示1 。 1 文献综述 1 1 3 绿色高性能混凝土 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。 我国资深院士吴中伟首次提出绿色高性能混凝土( g r e e nh i g hp 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，并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 m ( 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【l 、2 、13 1 。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 2 混凝土用矿物掺和料 1 2 1 混凝土用矿物掺和料的分类及其作用 m i e l e n z 将矿物掺和料分为四类 7 6 】： ( 1 ) 有潜在胶凝性( 或称潜在活性) 的。如粒化高炉矿渣、水硬性石灰、电炉磷渣。 ( 2 ) 有火山灰性的。火山灰性是指本身没有或极少有胶凝性，但其粉末状态在 有水存在时，能与c a ( o h ) 2 在常温下发生化学反应，生成具有胶凝性的组分。如 粉煤灰、硅藻土以及硅灰。 ( 3 ) 同时具有胶凝性和火山灰性的。如高钙粉煤灰或液态渣、沸腾炉( 硫化床) 燃煤脱硫排放的废渣( 固硫渣) 等。粒化高炉矿渣也同时具有火山灰性。 ( 4 ) 其他未包括在上述三类中的本身具有一定化学反应性的材料。如磨细的石 灰岩、石英砂、白云石以及各种硅质岩石的产物。这类材料过去一直被看做是惰 性的物质。 矿物掺和料在高性能混凝土中能起到以下作用： ( a ) 改善新拌混凝土的工作性和抹面的质量。普通混凝土提高流动性后很容易 引起离析和泌水，使混合料体积不稳定。掺入矿物掺和料的高性能混凝土则有很 好的粘聚性。需水量小的矿物掺和料( 如粉煤灰) 还呵进一步降低混凝土的水胶比而 保持良好的工作性。硅灰的需水量大，但掺量不超过5 时，对混凝土的流动性基 本无影响，而混凝土的粘聚性则有所改善。优质粉煤灰的需水量比( 掺3 0 粉煤灰 重庆大学博士学位论文 的水泥浆的标准稠度用水量和纯水泥浆的标准稠度用水量之t l ) 4 , 于1 0 ，则在保持 相同坍落度时，混凝土用水量随粉煤灰掺量的增加而降低。 ( b ) 降低混凝土的温升。水泥水化是放热反应，硅酸盐水泥的水化放热约为 5 0 0 j g 。混凝土类似于绝热体，会因水泥水化放热而使混凝土内部温度上升。同时， 当混凝土外部散热较快时，就可能造成内外温差而产生温度应力，引起混凝土开 裂。这是影响混凝土耐久性的重要因素之一。混凝土内部温升的大小取决于水泥 用量、水胶比、构件尺寸、集料种类和用量等。为了使低水胶比的混凝土有足够 的流动性，就要用较多的水泥，混凝土则会产生较大的温升。掺入矿物掺和料后， 由于水泥熟料相应减少，水泥水化的总热量就会减少，从而可降低混凝土的温升。 但是，掺入硅灰并不能降低温升，而且温升的峰值反而稍有提前【7 ”。这是因为超 细的硅灰微粉在混凝土中反应造成的。当磨细矿渣的比表面积过大时也会有这样 的效果。对严需格控制混凝土温升而又有强度要求的工程，可以将硅灰、磨细矿 渣等高活性的矿物掺和料同粉煤灰、磨细石灰石粉、磨细石英砂粉等复合使用。 ( c ) 调整实际构件中混凝土强度的发展。掺入不同的矿物掺和料对混凝土会有 不同的影响。在相同水胶比下，硅灰、矿渣等，在掺量合适时可以提高混凝土的 强度，粉煤灰掺量大时则会使混凝土的早期强度降低，而后期强度却均有较大的 持续增长。在实际构件中，使用纯水泥的普通混凝土由于内部温升使水泥水化加 速，对掺粉煤灰和矿渣的混凝土，混凝土的温升有利于早期强度的发展。 ( d ) 增进混凝土的后期强度。掺入除硅灰外的矿物掺和料时，混凝土的早期强 度随掺量的增加而降低，但后期强度会有较大幅度的增长。 ( e ) 提高混凝土抗化学侵蚀的能力，增强混凝土耐久性。当硅酸盐水泥混凝土 处于有硫酸盐侵蚀性介质的环境中时，侵蚀性介质会于水泥石中水化生成的 c “o h ) 2 和c 3 a 水化产物发生反应，逐渐使混凝土破坏。在混凝土中掺入矿物掺 和料后，一方面，由于减少了水泥用量，也就减少了受腐蚀的内部因素；另一方 面，矿物掺和料的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时，会成为大量水化产物沉积 的核心，随着水化龄期的进展，这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙， 改善了混凝土孔结构( 这称为“微粉效应”) ，逐渐降低混凝土的渗透性，阻止侵蚀性 介质的浸入。因此，掺入矿物掺和料可提高混凝土的耐久性。掺入硅灰或矿渣的 混凝土对硫酸盐、氯盐和海水的腐蚀有较好的抵抗能力。粉煤灰掺量只要超过 2 0 ，它对水泥中过量s 0 3 所引起的膨胀就有抑制作用，龄期越长其作用越明显 7 8 1 。 固硫渣和沸石凝灰岩也有同样的作用。 ( f ) 不同品种矿物