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高性能混凝土 HPC 概述特点技术途径配比性能对比应用 Back 高性能混凝土HPC HighPerformanceConcrete 高强混凝土缺点 脆性 易开裂和突然破坏由于水灰比小带来流动性 可泵性 均匀性差单位水泥用量大带来稳定性和经济性问题体积稳定性带来耐久性问题 概述 高性能混凝土是指采用优质材料 严格施工工艺 便于浇捣 不离析 体积稳定 力学性能稳定所制备的混凝土 符合特殊综合性能与均匀性要求 不能用常规材料和工艺获得 1990年ACI国际会议首次提出 Back 概述 工作性 耐久性与强度并重根据工程要求 突出一 两种性能它具有早强高 韧性 匀质 耐久等特点 适用于高层建筑 桥梁以及暴露在严酷环境 Back 特点 高性能混凝土是一种新型混凝土 具有优良的和易性 高强和耐久性 其主要特征 混凝土拌合物具有流态性 自密性 不振动或稍加振动即能保证成型混凝土均匀密实混凝土拌合物具有良好的粘聚性 保水性和可塑性 水下不分散 不离析 稳定性好 可泵性强 在混凝土凝结硬化过程中水化热低 利于大体积混凝土浇筑 混凝土硬化后体积稳定 收缩变形小 故混凝土内部微裂纹等缺陷少 结构均匀 混凝土的密实度高 抵抗水 侵蚀性液体及氯离子等渗透的能力强 对混凝土内钢筋有很强的保护能力 混凝土中所含易被硫酸盐 镁盐等物质腐蚀的氢氧化钙 水化硫酸钙的量少 保证混凝土具有极强的耐海水腐蚀能力 混凝土的抗渗性能极高 并且具有一定的空气含量 空气泡分布均匀 密实 以此混凝土具有极高的抗冻融性和抗风化性 故非常适宜浇筑浪溅区混凝土结构 混凝土强度较高 混凝土内部凝胶的含量较普通混凝土为少 故用于预应力混凝土 特性 Back 主要技术途径和措施 大量研究表明 影响混凝土性能 尤其是强度和耐久性 的最主要因素有两个方面 一是混凝土中硬化水泥浆体的孔隙率 孔分布和孔特征 二是混凝土硬化水泥浆体与集料的界面 要想提高混凝土的强度和耐久性 必须降低混凝土中水泥石的孔隙率 改善孔分布 即尽可能降低有害大孔 减少开口孔 法国路桥研究中心曾用BJH法测得 高性能混凝土中水泥石的孔隙率为18 8 并且孔半径多小于2 5nm 而普通混凝土水泥石中大于5nm的孔隙率就达26 7 为改善混凝土中硬化水泥浆体与集料界面的结合情况 应设法减少在集料 浆体界面上主要由Ca OH 2晶体定向排列组成的过渡带的厚度 从而增强界面物理连接或化学连接的强度 Back 到目前为止 主要从以下几方面的技术措施实施上述途径 1 选用优质的 同时符合一定要求的水泥和粗细集料 这是配制高质量混凝土的基本条件 更是配制高性能混凝土的必要条件 2 选用高效减水剂 在满足新拌混凝土大流动度的同时 降低W C 使混凝土中水泥石孔隙率降低 Back 3 选用具有一定潜水硬性的活性超细粉 如硅灰 稻壳灰 超细沸石粉 超细矿渣粉 超细粉煤灰 超细石灰石粉等 通过掺用活性超细粉提高混凝土的性能是目前高性能混凝土研究中最活跃的课题 这些活性超细粉在高性能混凝土中所起的作用可归纳为如下几种 粉体效应 活性效应 表现在两个方面 一是活性超细粉本身都含有大量火山灰活性物质 这些活性物质与水泥水化时产生的Ca OH 2反应形成低碱水化硅酸钙 即所谓二次水化反应 二是活性超细粉的最大特点是 超细 其表面积远大于掺混合材水泥中的混合材 一般在600m2 kg以上 二次水化速度的加快和反应程度的增加 使水泥石中对强度和稳定性有不良影响的Ca OH 2晶体大大减少 对水泥石性能有利的低碱水化硅酸钙凝胶却大大增加 同时还减少了水泥石与集料界面过渡区的厚度及过渡区Ca OH 2富集和排列的程度 Back 微集料效应超细粉的颗粒直径大多在5 m以下 这种尺度的粉粒能够填充到一般细集料和水泥中混合材粉粒所不能填充的孔隙中 因而使水泥石中的孔隙率进一步降低 复合胶凝效应在超细粉中如果掺入一些对超细粉活性有激活作用的物质 可以使超细粉的活性进一步加强 二次水化速度更快 这种作用称之为 复合胶凝效应 还有一些研究指出 某些超细粉的加入 在以合适的比例替代水泥时 不仅不会使水泥浆体流动性降低 反而会使流动性增大 这主要是由于一些玻璃态物质组成的超细粉 如粉煤灰超细粉及磷渣超细粉 其粒体表面不吸水 又可以填充在水泥粒子间隙和絮凝状结构中 占据充水空间 把絮凝结构中的水分释放出来 从而使水泥浆体流动性得以增加 Back 4 改善混凝上的施工工艺改善混凝土施工工艺也是制备高性能混凝土的有效途径之一 目前效果比较显著的有以下几种 水泥裹砂混凝土搅拌工艺 采用超声波振动或高频振动密实 对浇筑成型的新拌混凝土进行真空吸水 Back 对高性能混凝土的配合比设计方法已经进行了很多研究 高性能混凝土配制后要同时满足符合高性能混凝土的3个基本要求 新拌混凝土良好的工作性 硬化混凝土的高强度 硬化混凝土的高耐久性 虽然采用了一些技术途径能够同时满足上述3个要求 但对配合比设计却带来了一定的困难 尤其是配合比设计中的一些参数的选择和确定 在普通混凝土配合比设计中 这些参数都有较成熟的经验公式和相应的参数进行计算和选择 但在利用这些经验公式和参数进行高性能混凝土配比设计时 却往往会出现一些较大的偏差 Back 原料选择和配合比设计 一 原料选择 一 水泥1 水泥的品种和标号原则上说 配制高性能混凝土应尽可能采用C3A含量低 强度等级高的水泥 但考虑生产成本等因素 不同强度和性能要求的高性能混凝土可选用不同标号及不同品种的水泥 另外 水泥强度等级的选择还与所采用的减水剂和活性超细粉的种类 品质及施工工艺有一定关系 Back 2 水泥的用量和配制普通混凝土一样 水泥用量不仅影响新拌混凝土的和易性 而且影响混凝土的强度 耐久性及收缩变形等一系列性能 水泥用量低 混凝土的强度降低 但水泥用量过高 又会出现水化热释放过高并引起混凝土化学收缩 干湿变形和蠕变性增加 大量资料表明 水泥用量一般应控制在500 620kg m3为宜 具体用量视混凝土要求的强度等级及活性超细粉的性能 掺量而定 Back 二 集料高性能混凝土强度和耐久性提高的主要原因之一是集料与硬化水泥浆体界面得到了改善和强化 因此 集料的强度和表面性能及集料的级配对高性能混凝土性能的影响比对普通混凝土的更大 1 粗骨料大多数研究者的研究认为 粗集料的最大粒径应控制在10 20mm之间 冯乃谦的研究还特别指出粗集料最大粒径超过20mm后 混凝土的断裂韧性随粒径的增大而降低 在粗集料的级配上 宜采用连续级配 以利于增加混凝土结构的致密程度 Back 2 细集料 砂 1 砂的品质应达到GB T14684 93建筑用砂标准中规定的优质砂标准 2 砂的细度模数应控制在Mx 2 6 3 7之间 对于要求混凝土标号在C50 C60的高性能混凝土 可以在2 2 2 6之间 有研究指出 配制的高性能混凝土强度要求越高 砂的细度模数应尽量采取上限 但如采用一些特殊的配比和工艺措施 也可以用Mx小于2 2的砂配制强度等级C60 C80的高性能混凝土 Back 配比特征 低用水量低用水泥量以矿物掺合料和化学外加剂作为必须成分 HPC路线 掺用矿物掺合料 降低水泥用量使用高效减水剂和其他外加剂 降低水胶比优选骨料因其组分多 拌合物粘稠 需用强制式搅拌机 并延长搅拌时间 严禁在现场加水 加强养护 除了在施工中采用一些可以使混凝土的强度及有关性能提高的新技术外 如果应用常用的施工方法和技术 还应注意如下几个方面 应更严格地控制原料的质量和配合比 配合比的误差小于普通混凝土的配合比误差 为使搅拌更为充分 混凝土搅拌应采用强制式搅拌机 搅拌时间也应适当延长 特别是掺人硅灰时 搅拌时间应比普通混凝土增加25 30 Back 高性能混凝土的施工 投料时间最好采用以下顺序 首先投入粗骨料 然后加入75 的水 再加入活性超细粉和50 的细骨料 搅拌20s左右 投入水泥和剩余50 的细骨料 外加剂掺入到剩余25 的水中搅匀再投入搅拌机 拌至均匀后出料 如和易性达不到要求 可加适量减水剂进行调整 也可以用SEC 裹砂混凝土 的方法进行搅拌 如无条件采用超声振动振捣 应尽量采用高频机械振动器 振动频率应不小于20000次 min 养护过程要注意更严格的保温和保湿 因为高性能混凝土水泥用量较大 且水泥中C3S含量较高 因此水化热相对较高 Back 高性能混凝土的施工 如果混凝土构件较大且环境温度较低 很容易使混凝土构件内外温差过大 导致内外变形不均匀而引起应力破坏作用 因此 采用适当的保温措施使内外温差降低是十分必要的 另外 如构件体积很大 还应采用中热水泥或加入缓凝剂 由于高性能混凝土水灰比较小 为保证在水化硬化时有充分的水 应尽量保证环境的湿度 RH 90 或采取有效措施防止混凝土水分的蒸发 如薄膜保湿或表面喷洒养护剂等 Back 高性能混凝土的施工 除了在施工中采用一些可以使混凝土的强度及有关性能提高的新技术外 如果应用常用的施工方法和技术 还应注意如下几个方面 应更严格地控制原料的质量和配合比 配合比的误差小于普通混凝土的配合比误差 为使搅拌更为充分 混凝土搅拌应采用强制式搅拌机 搅拌时间也应适当延长 特别是掺人硅灰时 搅拌时间应比普通混凝土增加25 30 Back 高性能混凝土的施工 除了在施工中采用一些可以使混凝土的强度及有关性能提高的新技术外 如果应用常用的施工方法和技术 还应注意如下几个方面 应更严格地控制原料的质量和配合比 配合比的误差小于普通混凝土的配合比误差 为使搅拌更为充分 混凝土搅拌应采用强制式搅拌机 搅拌时间也应适当延长 特别是掺人硅灰时 搅拌时间应比普通混凝土增加25 30 Back 高性能混凝土的施工 高性能混凝土配比 Back 性能 性能对比 Tab4 1 干缩 Tab 4 2 坍落度经时变化 Tab 4 3 表4 1性能对比 表4 2干缩 Tab 4 3坍落度的经时变化 Back 应用 在国外 德国现行的混凝土结构设计规范达C110挪威规范C105级 85 90MPa的HPC广泛用于道路工程丹麦的大贝尔特工程 大型隧道与桥梁连接结构规定的设计使