浅谈高性能混凝土-职业学院毕业论文

山西交通职业技术学院毕业设计 1 浅浅 谈谈 高高 性性 能能 混混 凝凝 土土 摘摘要要：高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工 工艺，采用优质材料配制，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。本文结合工程实例，介绍了高性能混凝土的抗腐蚀性、耐久性、外加剂 的选用及质量的控制和存在的问题。 关键词关键词： 高性能混凝土高性能混凝土定义定义抗腐蚀性抗腐蚀性耐久性耐久性质量控制质量控制存在问题存在问题 1.1.高性能混凝土产生的背景、定义与性能特点及其开发研究高性能混凝土产生的背景、定义与性能特点及其开发研究 高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是 20 世纪 80 年代末 90 年代初， 一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土， 它以耐久性为 首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供 100 年以上的使用寿命。区别于 传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许 多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被 采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安 全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者 所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。 传统的混凝土虽然已有近 200 年的历史，也经历了几次大的飞跃，但今天却面临着 前所未有的严峻挑战： 1)随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物， 以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采 油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。这些混凝土工程 施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇 筑时不产生缺陷，更要内久性好，使用寿命长。 2) 进入 20 世纪 70 年代以来，不少工业发达国家正面临一些钢筋混凝土结构，特 别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题， 需要投入巨资进行维修或更新。 1987 年美国 国家材料咨询局的一份政府报告指出：在美国当时的 57.5 万座桥梁中，大约有 25.3 万 山西交通职业技术学院毕业设计 2 座处于不同程度的破坏状态，有的使用期不到 20 年，而且受损的桥梁每年还增加 3.5 万座。1991 年在提交美国国会的报告“国家公路和桥梁现状”中指出，为修复或更换现 存有缺陷桥梁的费用需投资 910 亿美元；如拖延修复进程，费用将增至 1310 亿美元。 美国现存的全部混凝土工程的价值约6万亿美元， 每年用于维修的费用高达300亿美元。 在加拿大，为修复劣化损坏的全部基础设施工程估计要耗费 5000 亿美元。在英 国， 调查统计了 271 个工程劣化破坏实例， 其中碳化锈蚀占 17， 环境氯盐锈蚀占 33， 内部氯盐锈蚀占 5， 混凝土冻蚀10， 混凝土磨蚀10， 混凝土碱骨料反应破坏9， 硫酸盐化学腐蚀 4，其他各种不常发生的腐蚀破坏 7。 我国结构工程中混凝土耐久性问题也非常严重。建设部于 20 世纪 90 年代组织 了对国内混凝土结构的调查，发现大多数工业建筑及露天构筑物在使用 2530 年后即 需大修，处于有害介质中的建筑物使用寿命仅 1520 年，民用建筑及公用建筑使用及 维护条件较好，一般可维持 50 年。相对于房屋建筑来说，处于露天环境下的桥梁耐久 性与病害状况更为严重。据 2000 年全国公路普查，到 2000 年底我国已有各式公路桥梁 278 809 座，公路危桥 9 597 座，每年实际需要维修费用 38 亿元，而实际到位仅 8 亿元。 港口、码头、闸门等工程因处于海洋环境，氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀，导致构件开裂、 腐蚀情况最为严重。1980 年交通部四航局等单位对华南地区 18 座码头调查的结果，有 80以上均发生严重或较严重的钢筋锈蚀破坏， 出现破坏的时间有的距建成仅510年。 3) 混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传 统混凝土的原材料都来自天然资源。每用 1t 水泥，大概需要 0.6t 以上的洁净水，2t 砂、3t 以上的石子；每生产 1 t 硅酸盐水泥约需 1.5 t 石灰石和大量燃煤与电能，并排 放 1t CO2，而大气中 CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、 塑料等其它建筑材料相比， 生产?昆凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多， 混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在 不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。 有些大城市现已难以获得质量合格 的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置废旧工程拆除后的混凝土垃圾也给 环境带来威胁。 因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废 渣作为其原材料； 必须充分考虑废弃混凝土的再生利用， 未来的混凝土必须是高性能的， 尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产 生的。 山西交通职业技术学院毕业设计 3 1.11.1 高性能混凝土的定义与性能高性能混凝土的定义与性能 对高性能混凝土的定义或含义，国际上迄今为止尚没有一个统一的理解，各个国家 不同人群有不同的理解。一般说来，高性能混凝土是指高强、高耐久性、高工作性。一 些美国学者更强调高强度和尺寸稳定性(北美型)，欧洲学者更注重耐久性(欧，洲型)， 而日本学者偏重于高工作性(日本型)， 这可能由于日本更重视混凝土振捣工艺对工人听 力的不利作用，而推广不需振捣的自密实混凝土。在我国，对高性能混凝土的含义也有 争论，冯乃谦在其 1996 年出版的高性能混凝土著作中开宗明义地指出了：高性能 混凝土必须是高强的，因为一般情况下高强对耐久性有利，同时他认为高性能混凝土发 展的物质基础是现在有了好的掺合料和减水剂，因此高性能混凝土必须掺掺合料。冯乃 谦的这些观点代表了当时我国大多数混凝土学者对高性能混凝土的认识。 吴中伟针对当 时科研界过度追求高强度的趋向，及时提出“有人认为高强度必须高耐久性，这是不全 面的，因为高强混凝土会带来不利于耐久性的因素”。高性能混凝土还应包括中等 强度混凝土，如 C30 混凝土。吴中伟高度重视耐久性，并早在 1986 年就提出高强未必 一定高耐久，低强也不一定就不耐久的观点是非常有前瞻性的，而且今天他的这个观点 也是正确的。 1990 年 5 月由美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国混凝土协会(ACl)主办了第 一届高性能混凝土的讨论会，定义高性能混凝土为具有所需，陛能要求的匀质混凝土， 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。大多数承认单纯高强不一 定耐久，而提出高性能则希望既高强又耐久。可能是由于发现强调高强后的弊端，1998 年美国 ACI 又发表了一个定义为： “高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的 混凝土，如果采用传统的原材料组分和一般的拌和、浇筑与养护方法，未必总能大量地 生产出这种混凝土。”ACI 对该定义所作的解释是：“当混凝土的某些特性是为某一特 定的用途和环境而制定时，这就是高性能混凝土。例如下面所举的这些特性对某一用途 来说可能是非常关键的：易于浇筑，振捣时不离析，早强，长期的力学性能，抗渗性， 密实性，水化热，韧性，体积稳定性，恶劣环境下的较长寿命。因为高性能混凝土的许 多特性是相互联系的，改变其中之一常会使其它的特性发生变化，当混凝土为某一用途 生产而必须考虑若干特性时，则每一个特性都必须清楚地规定在合同文件中。1998 年 ACI 定义与 1990 年 ACI、NIST 定义的区别是：前者把早强列入“特殊性能组合”可选性 能之一，而不作为必要的规定而强调。而欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会则将 山西交通职业技术学院毕业设计 4 高性能混凝土定义为水胶比低于 0.40 的混凝土小在日本， 将高流态的自密实混凝土(即 免振混凝土)称为高性能混凝土，强度一般为 4045 MPa，混凝土中除水泥外，还有 矿渣粉、粉煤灰及膨胀剂。也有一些部门根据其专业的特点对高性能混凝土提出具体的 要求，如 1995 年美国联邦将高性能混凝土分成 4 级，每级在与强度和耐久性有关的 8 个参数上都规定了定量的指标。 美国战略公路研究计划(SHRP)提出高性能混凝土用于公 路工程应满足：(1)水胶比035；(2)300 次冻融循环，相对动弹模60；(3)抗压 强度 4 h17.2MPa，或 2434.5 MPa，或 28d68.9MPa。该定义偏重于早强，定义了 一个特定的高性能混凝土，缺乏普遍适用性。用于桥梁尤其是大跨度桥梁的高性能混凝 土应满足：(1)水胶比0.40；(2)强度41.4 MPa；(3)徐变率低。 我国著名的混凝土科学家吴中伟教授定义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， 它以耐久 性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点的予以保证；耐久性、 工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。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、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺 料和高效外加剂。 1997 年 3 月吴中伟教授在高强高性能混凝土会议上又指出， 高性能混 凝土应更多地掺加以工业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料，提出了绿色高性能 混凝土(GHPC)的概念。 中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将高性能混凝土定义为以耐久性和 可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。与传统的混凝土相比，这种 高性能混凝土在配比上的特点是低用水量(水与胶凝材料总量之比低于 0.4， 或至多不超 过 0.45)，较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料作为水泥、水、砂、石之外 的必需组分。这也是现代高强混凝土的配制途径。实际上，正是现代高强混凝土技术的 出现，为解决高性能混凝土的耐久性问题指明了出路。结合我国的推广应用高性能混凝 土十几年的情况， 2003 年廉慧珍教授专门撰文反思了对高性能混凝土的理解存在的若干 误区，造成对高性能混凝土使用的盲目和混乱，她对高性能混凝土的理解为，“高性能 混凝土不是混凝土的一个品种，而是达到工程结构耐久性的质量要求和目标，是满足不 同工程要求的性能和具有匀质性的混凝土。高强不一定耐久，高流动性也不是任何工程 都需要的，也不是只要有掺合料就能高性能；混凝土的质量不是实验室配出来的，而是 优选配合比的混凝土由生产、设计、施工和管理人员在结构中实现的，开裂的就不是高 性能混凝土，除了特殊结构(如临时性结构)外，没有什么混凝土结构不需要耐久。针对 山西交通职业技术学院毕业设计 5 不同工程的特点和需要，对混凝土结构进行满足具体要求的性能和耐久性设计，比笼统 强调高性能混凝土的名词更要科学”。在这里，高性能混凝土强调的是混凝土的性能 或者质量、状态、水平，或者说是一种质量目标，对不同的工程，高性能混凝土有不同 的强调重点（即“特殊性组合”）。 1.21.2 高性能混凝土的特点高性能混凝土的特点 高性能政是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成 的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的政。具体是： 1）拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析，便于浇筑密实； 2）在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小； 3）有很高的抗渗性。其中高工作性是高性能政必须具备的首要条件，即高流动性、 高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性；并同时具备低成本的技 术经济合理性。目前，高性能政在发达国家的工程实践中已较广泛采用，我国尚处于试 验研究、推广试用的起步阶段。 高性能混凝土具有丰富的技术内容，尽管同业对高性能混凝土有不同的定义和解 释，但彼此均认为高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计，保证拌和物易于浇筑 和密实成型，不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内 部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。 从我国目前的及优选并经过现场试拌后, 检验砼坍落度的经时损失满足规范设计施工水平出发,强度等级达到或超过 C50 的混土 被定义为要求,满足工程应用的高施工性要求,才能正式确定所选用的高强混凝土。 而且 随着工程建设的需要,高性能混凝土的使频率越来越高,对其进行严格质量控制的重要 性也越来越强。 1.31.3 高性能混凝土的研究高性能混凝土的研究 针对混凝土的过早劣化，发达国家在 20 世纪 80 年代中期掀起了一个以改善混凝 土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重 视。1990 年，加拿大政府提出了一个协作网研究计划，专门用来资助对国家今后长远发 展有影响的科研项目，最终从 158 个提议的项目中评选出 15 项，属于土木工程学科的 仅占 1 项，这就是“高性能混凝土协作网”研究计划，获得了 640 万加元资助进行为期 4 年的研究。到 1994 年在原有的 15 个协作网中有 l0 个继续取得资助以进行下一个 4 年的研究，其中高性能混凝土的资助份额为 550 万加元，可见其被重视的程度。法国在 1986 年由政府组织包括政府研究机构、大学、公司等 23 个单位开展了“混凝土的新途 山西交通职业技术学院毕业设计 6 径”研究项目，进行高性能混凝土的研究并造示范工程。这一项目已于 1993 年完成， 建成的示范工程有 Joigny 城的 1 座 3 跨后张法预应力钢筋混凝土桥，其混凝土强度等 级相当于我国的 C70，比原设计的 C40 减少混凝土量 30，减少自重 24；Civaux 核 电站 2 号反应堆预应力钢筋混凝土安全壳等，高 85 m，直径 44 m，混凝土强度等级 C70， 其水泥用量只有 240kgm 3，有很高的气密性；1996 年法国政府公共部和教育与研究部 又组织了为期 4 年的 “高性能混凝土 2000的国家研究计划， 投入研究经费 550 万美元。 1994 年， 美国联邦政府 16 个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性 能混凝土的建议，计划在 10 年内投资 2 亿美元进行研究和开发。美国国家自然科学基 金(NSF)、美国国家标准与技术研究所(NIST)、美国联邦公路管理局(FHWA)以及一些州 政府的运输部和美国工程兵等机构，都一直投入大量经费，资助高强、高性能混凝土的 研究，NSF 以每年 200 万美元的经费，定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合 研究中心对高性能混凝土的研究。德国、瑞典、挪威等国家在发展高性能混凝土上也有 很大投入，挪威是较早对高强高性能混凝土开展研究的国家之一，至今已建造了 20 多 个混凝土海洋采油平台， 挪威皇家科技学院的科学与工业研究基金(SINTEF)持续资助高 性能混凝土的研究。瑞典 19911997 年由政府和企业联合出资 5 200 万克朗，实施高 性能混凝土研究的国家计划。日本则在发展自密实混凝土方面取得很大的成就，其初衷 也是为了消除混凝土振捣中的缺陷和增加混凝土的密实性， 以改善混凝土的耐久性为目 标。 1999 年美国 NIST 的建筑与防火研究实验室(BFRI。 )在国际互联网上公布了一个 “高 性能混凝土技术的伙伴关系(Partnership for High Performance Concrete Technology，缩写为 PHPCT)”，由工业界 4 个大企业和国家预拌混凝土协会、波特兰水 泥协会协作，承担“商品高性能混凝土结构项目中计算机集成知识系统(CIKS)的开发” 的国家重点研究计划，包括 6 个专题：专题 1 为 HPC 的制备工艺过程；专题 2 为混凝土 和混凝土材料的特征化；专题 3 为性能预测；专题 4 为高强度高性能混凝土在火中的结 构性能；专题 5 为结构性能；专题 6 为 HPC 的经济性。重点是性能检验和预测工具的开 发和应用，这是优化可*的 HPC 产品和给出可由最有效的途径得到的知识所必需的。从 20 世纪 80 年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久性设计的考虑，从只 重视强度设计向强度于耐久性并重。进入 20 世纪 90 年代以后，混凝土结构耐久性设计 方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣 化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的 山西交通职业技术学院毕业设计 7 主流。日本于 1986 年提出“考虑耐久性的建筑物设计、施工维护大纲”，在 1989 年制 定了混凝土结构耐久性设计准则(试行)，把耐久性设计定义为：全面地考虑材料质 量、 施工工序和结构构造使结构在一定的环境中正常工作， 在要求的期限内不需要维修。 它采用了与结构设计相同的思路，要求构造各部位的耐久性指数大于或等于环境指数。 欧洲混凝土委员会(CEB)1989 年通报了“耐久性混凝土结构设计指南”，国际材料与结 构试验研究室联合会(RILEM)的 130CSI。 技术委员会 1996 年提出了 混凝土结构的耐 久性设计的报告，对基于材料劣化模型分析的混凝土结构耐久性设计方法作出了全面 系统的论述。1995 年欧共体资助了一项名为 DuraCrete 的研究项目，2000 年出版了一 份名为混凝土结构耐久性设计指南的技术文件。1998 年欧共体又资助成立了为期 3 年的 DuraNet 工作网，全名为“支持、发展与应用以性能为基础的混凝土结构耐久性设 计与评估的工作网”，有欧洲的 19 个单位参与，旨在改善欧洲混凝土的耐久性设计、 评估与维修水平。美国 ACl201 委员会 1992 年提出了“耐久性混凝土指南”，自从 20 世纪 90 年代初清华大学向国内介绍高性能混凝土以来，高性能混凝土的研究与应用在 我国得到了空前的重视。1993 年国家自然科学基金会、建设部、铁道部和国家建材局联 合资助了重点科研项目 高强与高性能混凝土材料的结构力学性态研究 ， 随后许多省、 市科委和建委也资助了高强、 高性能混凝土方面的研究课题。 1999 年中国土木工程学会 高强与高性能混凝土委员会(HSCC)编写了高强混凝土结构设计与施工技术规程(中 国工程建设协会标准 CECS 104：99)。我国“九五”重点科技攻关项目重点工程混凝 土安全性研究，由中国建筑材料科学研究院牵头，跨部门、跨行业地协作攻关，取得 了许多重大成果。四航局主持制定的海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTJ275 2000)中，规定用于海港工程的高性能混凝土，磨细矿渣的掺量可达到 5080， 同时要求水胶比0.35，坍落度120 mm，强度等级C45，这也是我国首个对高性能 混凝土技术要求进行具体规定的规范。中国工程院土木水利与建筑学部于 2000 年提出 了一个名为“工程结构安全性与耐久性研究”的咨询项目，并编写了混凝土结构耐久 性设计与施工指南（中国土木工程学会标准 CCES 012004）。 2.2.高性能混凝土在现代工程中的应用高性能混凝土在现代工程中的应用 高性能混凝土技术正在世界各地成功地用于很多离岸结构物和长大跨桥梁的建造， Langley 等人叙述了几种加拿大一长大跨桥梁所用的拌合物。它们用于主梁、墩部和墩 基，硅粉混合水泥用量为 450 Kg/m 3，水 153L/ m3，引气剂 160mL/ m3和高效减水剂 3L/ m 3。 其坍落度大约在 200mm； 含气量 6.1； 1d、 3d、 28d 抗压强度分别为 35、 52 和 82 MPa； 山西交通职业技术学院毕业设计 8 基础和其他大块混凝土的混合水泥用量为 307 Kg/m 3，粉煤灰 133 Kg/m3，用水量接近， 但引气剂和高效减水剂掺量大幅度减小，坍落度约在 185mm；含气量 7；1d、3d、28d 和 90d 抗压强度分别为 10 MPa、20 MPa、50 MPa 和 76 MPa。根据加拿大和美国的透水 性与氯离子快速渗透标准方法实验结果表明：两部分混凝土都呈现非常低的渗透性。对 高性能混凝土结构的施工，需要非常强调加强现场实验室试验和质量验收。 高性能混凝土发展的另一领域是高性能轻混凝土， 相对于钢材， 普通混凝土的强度/ 自重比很低，掺有高效减水剂的高强混凝土则大大提高了该比例；用有大量微孔的轻骨 料代替部分普通骨料，就能进一步提高这个比例。由于骨料的质量不同，密度为 2000 Kg/m 3、抗压强度在 7080 MPa 的高性能轻混凝土在一些国家已经商品化并用于构件生 产。在澳大利亚、加拿大、日本、挪威和美国，高性能轻混凝土已用于固定式和漂浮式 钻井平台；因为水泥浆和骨料之间的界面粘结强度高，它可以不透水，所以在侵蚀环境 中能够很耐久。 采用掺 1015硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土， 具有 优良的粘附力，因此适用于湿喷的喷射混凝土进行结构修补，这也是高性能混凝土的应 用领域之一。 2.12.1 高性能混凝土在高层建筑中的应用高性能混凝土在高层建筑中的应用 高性能混凝土（40MPa）首先用于 30 层以上高层建筑物的钢筋混凝土结构，因为 这种建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土时断面很大。除节省材料费用外，与 钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点，自美国芝加哥在 1965 年 以 50 MPa 混凝土浇注 Lake Point Tower 的一些柱子以来，北美和其他国家到处都在用 高性能混凝土建造高层建筑。芝加哥 79 层的 Water Tower Place 大楼柱子采用了 60MPa 混凝土；多伦多的 Scotia Plaza Building 和西雅图的 Two union Square Building 两 座建筑物则分别有 90MPa 和 120MPa 强度的高性能混凝土柱子。 应用实例： a、高性能混凝土应用 C80 高强与高性能混凝土在沈阳方园大厦、 大西电业园等多 项高层建筑钢管混凝土柱中应用。 b、上海高性能混凝土研究领域中取得一大批可喜的成果，其中具有代表性的成果 有：中华第一高楼 88 层金茂大厦的 C40 一次泵送到 382.5m；明天广场矿渣微粉 C80 泵 送混凝土；在上海教育电视台综合楼大体积基础混凝土，水泥用量只占胶凝材料总量的 46，配制的混凝土浆量饱满，混凝土工作性、粘聚性和抗离析性能都十分优异，强度 达到 C40 的高性能混凝土。 山西交通职业技术学院毕业设计 9 2.22.2 高性能道面混凝土高性能道面混凝土 a. .高性能道面混凝土研究的意义 随着对交通运输要求的日益提高，发展“长寿命低维护路面”，采用高性能道面混 凝土，提高混凝土的抗折强度与耐久性是当前道面混凝土的发展趋势。 b. .国外发展情况 1997 年召开的第十六届国际混凝土路面会议， 提出路面设计不仅要提出平均强度要 求，还应提出耐久性要求。在未来发展方向中提出抗拉强度达 17MPa 的超高强混凝土， 用于铺筑连续的混凝土路面。提高混凝土道面表面的致密性、抗渗性都是很重要的，而 这是需要通过高性能混凝土来实现的。 c. .高性能道面混凝土的强度高性能道面混凝土的重要特征是具有高抗折强度。 使 用高性能道面混凝土可以显著提高道面的承载能力， 延长使用寿命或减薄道面的厚度以 降低工程造价。 d. .高性能道面混凝土的耐久性 高性能道面混凝土的主要特征是具有足够的耐久 性，能够抵抗气候和环境的长期破坏作用，保证在道面的设计使用期限内，混凝土能够 正常工作。 e. .高性能道面混凝土的变形性质 (1) 干缩 道面板表面积很大， 蒸发量大， 干缩有可能引起道面板表面产生收缩裂缝， 需加强养护。 (2) 抗折弹性模量 高性能道面混凝土的抗折弹性模量 E，经实测，1 级为 4.305104Mpa，2 级为 4.845104Mpa，3 级为 4.605104Mpa。强度 3 级的高性能道面混凝 土的配合比中，骨料用量较少，粗骨料最大粒径较小 f.应用情况 应用高性能道面混凝土产生显著的效益： (1) 提高道面承载力； (2) 延长道面使用寿命； (3) 降低工程造价； g. .应用实例： (1)在美国大约有 70的公路采用高性能道面混凝土： 其中北达科他州， 1988 和 1989 年夏天， 用20000m 3混凝土铺筑厚为200 mm的路面， 其水胶比为0.43， 水泥用量100 Kg/m3、 粉煤灰 220 Kg/m 3；德克萨斯州的路面示范工程也成功地采用了这一新材料 (2) 青藏铁路建设工程中全面推广使用 山西交通职业技术学院毕业设计 10 h.结论 三个强度级别的高性能道面混凝土具有极其优良的品质， 材料费用基本不增加或增 加不多，可供不同要求的工程选择使用，建造长寿命低维护的道面、路面，其社会、经 济效益是巨大的，值得大力推广和不断研究，促进我国机场水泥混凝土道面工程和公路 路面工程步入新的发展阶段，以适应日益增长的对航空和交通运输的需要。 2.32.3 免振自密实混凝土免振自密实混凝土 由于免振自密实混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密实性、均匀 性得到显著的提高，成为混凝土技术的一项新的进展而被列为高性能混凝土一族。 免振自密实混凝土是近十多年来由日本首先研究开发并付诸工程应用的一项近代 混凝土技术。由于免振自密实混凝土在工程上应用可以取得提高混凝土质量、改善混凝 土施工操作、养活施工噪音以及提高劳动生产率、加快施工进度降低工程费用等技 术经济效果，近年来世界各国对此给予很大的重视与关注。日本预期到 2003 年将 有 1/2 的混凝土工程将用免振自密实混凝土浇注。 顾名思义， 免振自密实混凝土是在浇筑时仅靠混凝土自身的重力而不需要任何捣实 外力而达到自密实、自流平的一种混凝土。 免振自密实混凝土应具有三个特性： （1）流动性 （2）良好的稳定性不离析； （3）钢筋和模板中的任何间隙，具有良好的通过能力，不产生阻塞。 根据上述三个特性的要求，免振自密实混凝土配制的原理与方法科述如下： 新拌混凝土的物相属粒子悬浮体，其连续介质是水泥浆体，也就是液相而混凝土中 的集料则为固相。在所有粒子悬浮体中，流动性与粒子离析间的平衡是必需的。新拌免 振自密实混凝土要在没有外力作用下充分填实混凝土模板中的一切空隙并达到密实， 更 是要兼具良好的流动性与稳定性。 为获得高流动性，首先要减小颗粒间的磨擦阻力。掺入超塑化剂以减小颗粒的表面 张力固然十分必要，但从免振自密实的性能要求看，仅靠掺超塑化剂还难以达到，还需 掺入一定数量的超细物料。 为得到良好的稳定性，使物料不离析，其液相必需具有适当的流变性，才能既不产 生泌水又防止颗粒的离析。 为达到此要求， 同样也需掺入适量的颗粒尺寸0.25mm 的细 填料，有时还需掺入粘度改性剂（增粘剂）。 山西交通职业技术学院毕业设计 11 为使混凝土能流畅地通过钢筋和模板中的任何间隙而不产生阻塞， 除需根据工程结 构的设计选定合适的集料粒径和形貌外，液相的体积量及其流变性质也是重要的参数。 其流变性质是按流变学的宾汉姆型用粘度计来评定的， 应具有低的屈服应力和适当的塑 性粘度。按流变学的观点，免振自密实混凝土的基体是自由流动的超细浆体，该浆体是 由水泥与超细物料共同组成的，其流动性随环绕固体粒子的浆膜层厚度的增大而提高， 而浆膜层的厚度只有在浆体已充满固体颗粒间的空隙后才能形成，因此，浆体的厚度受 到固体颗粒的形貌影响。对于浆体而言，除了要求具有高流动性外，还需具有足够的高 粘度，必须成为高粘性的牛顿液体，才能防止离析。 免振自密实混凝土的配制工艺流程如图所示（表 1-1） 水泥 超细掺和料水超塑化剂 自由流动的浆体细集料 自由流动的砂浆粗集料 自密实混凝土 免振自密实混凝土的配合比设计， 首先要确定根据集料的空隙含量所需要的液相体 积。该液体的组成包括水泥、水、外加剂和0.25mm 的超细物料。超大型细物料与总集 料体积之比（S/A）是免振自密实混凝土配合比设计中的一项重要参数。铭振自密实混 凝土的流动性将随 S/A 的增大而增大，而对弹性模量无明显的影响。水灰比基本上按所 需的混凝土抗压强度来确定。 由于免振自密实混凝土的流变行为与组分材料的体积有十 分密切的关系，因此，免振自密实混凝土的配合比设计建议采用体积比而不用重量比。 2.42.4 高性能混凝土在性能上尚存在的问题及其改善的途径高性能混凝土在性能上尚存在的问题及其改善的途径 配制高性能混凝土的特点是低水胶比并掺有足够数量的矿物细掺合料和高效减水 剂，从而使混凝土具有综合的优异的技术特性，但由此也产生了两个值得重视的性能缺 陷： （1）自干燥引起的自收缩； （2）脆性。 山西交通职业技术学院毕业设计 12 高性能混凝土的研究与开发应用，对传统混凝土的技术性能有了重大的突破，对节 能、工程质量、工程经济、环境与劳动保护等方面都具有重大的意义。可以预期，高性 能混凝土在工程上的应用领域将迅速扩大，并取得更大、更多的技术经济效益。 3.3.高性能混凝土的抗腐蚀性及其耐久性高性能混凝土的抗腐蚀性及其耐久性 众所周知，高强混凝土具有强度高，自重轻，抗渗抗冻性能好等优点，广泛地用 于高层和大跨度工程，还大量用于海洋和港口工程。但是高强混凝土的抗腐蚀性能到底 怎么样，针对特定的自然环境，配制了普通、高强和高性能混凝土，同时进行了不同混 凝土的卤水腐蚀单因素试验。结果表明，普通混凝土的耐久性很差，高强混凝土的抗腐 蚀性不尽人意，高性能混凝土具有优良的抗腐蚀性能，钢纤维和高强高弹模聚乙烯纤维 增强高性能混凝土在双因素作用下抗腐蚀性更好。 高强混凝土 必须具有满足高耐久性的要求。为了提高高强混凝土的抗碳化、抗渗 性、抗冻性、耐磨性和抗化学腐蚀性等，要求高强混凝土必须具有高耐久性。所以高强 混凝土的抗腐蚀性能的研究非常有必要。 3.13.1 抗腐蚀性试验抗腐蚀性试验 按一定的配比， 制作 100mm 100mm 100mm 立方体试件若干。移入标准养护室 进行养护 28 天 ， 然后再分别进行力学性能测试和抗腐蚀试验。 将标养 28d 的混凝土试 件分别浸泡在盐卤水和水中，分别在不同时间测定一定量混凝土试件的抗压强度。混凝 土的抗腐蚀系数根据试件在盐湖卤水中浸泡一定时间后的抗压强度与在水中相同龄期 抗压强度之比值求出。 由实验可知：普通混凝土的抵抗盐卤水腐蚀性能力很差，随着浸泡时间的延长，其 抗压强度逐渐降低，当浸泡时间达到 80 天后，抗腐蚀系数只有 0.35。 原因分析： 普通混凝土在盐卤水中抗腐蚀性差的主要原因是由其易受腐蚀的水化产 物特征、疏松多孔的结构特征和界面特征所决定，其水化产物中的氢氧钙石和水化铝酸 钙是混凝土内易受腐蚀的水泥水化产物，混凝土的孔隙和界面是外界侵蚀性离子扩散、 渗透进入内部的通道和发生腐蚀反应的场所， 盐卤水中的侵蚀性离子进入混凝土的孔隙 中发生一系列的物理化学反应，导致混凝土结构发生膨胀性破坏，其破坏机理如下：混 凝土的水泥水化产物氢氧钙石和水化铝酸钙发生了高浓度的南极石 CaCl26H2O 氢氧化 镁 Mg(OH)2氯氧化镁 Mg2(OH)3Cl4H2O 氯铝酸钙 C3ACaCl210H2O 石膏 CaSO42H2O 复 合型腐蚀， 水化硅酸钙 CSH 凝胶发生了镁离子和碱金属离子取代钙离子的含水硅酸钙镁 CMSH 凝胶碱硅 NCSH 凝胶腐蚀。 在腐蚀过程中， 当氢氧化钙转变为石膏以及水化铝酸钙 山西交通职业技术学院毕业设计 13 转变为水化氯铝酸钙 C3ACaCl210H2O 时，体积要发生显著的变化。CMSH 凝胶的形成， 使 CSH 凝胶丧失了胶凝能力， NCSH 凝胶的生成将导致混凝土的膨胀性破坏。 水泥水化 产物在盐卤水中腐蚀的结果，必然要造成普通混凝土强度的大幅度降低。 在盐卤水的浸泡条件下，高强混凝土由于其密实度较高，在盐卤水中则表现出良好 的抗腐蚀性能， 浸泡 80 天的抗腐蚀系数均在 0.800.90 以上。 高强混凝土与普通混凝 土的最大差别在于孔结构和界面特征不同， 前者不仅孔结构细化， 而且其界面得到强化， 因而侵蚀性离子进入的几率大大降低。与高强混凝土相比，高性能混凝土由于掺有大量 不同粒级范围的工业废渣，一方面，这些工业废渣微颗粒填充于混凝土的各级孔隙中， 进一步提高了混凝土的密实度，另一方面，工业废渣的火山灰活性在水泥水化产物氢氧 钙石等的激发下， 形成了大量的 CSH 凝胶， 极大地减少了混凝土结构中易受腐蚀的水化 产物数量，从而使高性能混凝土的抗腐蚀性能进一步提高， 其 80d 的抗腐蚀系数高达 1.10 。 在浸泡时间 80d 范围内， 两种纤维增强高性能混凝土 SFRHPC 和 PFRHPC 的优越 性还没有体现出来，这可能与盐卤水中的侵蚀性离子进入混凝土内部的数量较少，不足 以在混凝土内形成较大的结晶膨胀拉应力有关，因为纤维在混凝土中主要起阻裂的作 用，只有当纤承受拉应力时，才能发挥应有的效应。 3.23.2 混凝土工程耐久性不足的后果及在施工中需要解决的问题混凝土工程耐久性不足的后果及在施工中需要解决的问题 混凝土科学属于工程材料研究范畴,是以取得最大经济效益为目标的应用科学,混 凝土以其原材料丰富,适应性强,耐久性好,能源消耗与成本较低,同时又能消化大量的 工业废渣等特点,成为一种用途最广,用量最多的建筑材料。据不完全统计,世界水泥年 产量超过15 亿t ,折合成混凝土应不少于45 亿m 3 ,其中我国的混凝土用量约15 亿m 3 , 伴随着高层建筑,海底隧道,大跨度桥梁等的飞速发展,一般的普通混凝土已远远不能满 足工程要求,发展具有高强度、高耐久性、高工作性、高性能混凝土就势在必行。所谓 高强度混凝土是指标号不低于 C60 (混凝土轴心抗压设计强度f c= 27. 5 MPa) 的混 凝土,且用优质骨料和强度不低于 42.5 级的水泥与较低水灰比在强烈振捣密实作用下 制取的混凝土。高强混凝土具有高强度、高耐久性、高工作性、高流动性等多方面的优 越性能。 1) 由于高强混凝土的耐久性(包括混凝土稳定性、抗渗透性、抗冻性、抗化学侵蚀 性、抗炭化性) 优于普通混凝土,在各种严酷环境下使用的大体积混凝土结构如跨海大 桥、海底隧道、高层建筑等,用高性能混凝土来代替普通混凝土,不仅可以提高工程使用 寿命,而且具有显著的经济效益。 山西交通职业技术学院毕业设计 14 2) 高强混凝土强度大且变形较小,从而使构件的刚度得以提高,大大改善了建筑物 的变形性能。 3) 虽然高强混凝土在成本上比普通混凝土要高一些,但由于减小了截面尺寸,减轻 了结构自重,降低了钢筋用量,减轻了地基负荷,这对自重占荷载主要部分的建筑具有特 别重要的意义。在一般情况下,混凝土强度等级从 C30 提高到 C60 ,对受压构件可节省 混凝土3040,受弯构件可节省混凝土1020,如此大幅度地节约建筑材料,从 而降低工程施工成本,以年产 15 亿 m 3 混凝土中有 20采用高性能混凝土,商品混凝土 350 元/ m 3 均价计算,从中可节约资金为 210 亿元,获得巨大的直接经济效益;同时由于 梁柱截面减小,不但改变了建筑上肥梁胖柱的不美观问题,而且可增加使用面积和有效 空间,因而可获得较大的间接经济效益。在建设阶段通过节约混凝土用量,可以节约土 地、煤、水、矿石、砂等能源和资源的消耗量,从而减少有害气体和废渣的排放,使用阶 段可减少养护维修费用,实现节能,带来可观的社会效益.以混凝土结构物的耐久性为首 要技术指标的高性能混凝土由于其具有的优越性,目前在不少的重要工程中被采用,并 在高层建筑、大跨度桥梁、海上平台等工程中显示出其独特的优越性,在工程安全使用 期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益,受到越来越多的重视。 混凝土工程因其工程量浩大，将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。 据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为 6 万亿美元，每年所需维 修费或重建费约为 3 千亿美元。美国 50 万座公路桥梁中 20 万座已有损坏，平均每年有 150200 座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足 20 年；美国共建有混凝土水坝 3,000 座， 平均寿命 30 年，其中 32的水坝年久失修。 美国对二战前后兴建的混凝土工程， 在使用 3050 年后进行加固维修所投入的费 用，约占建设总投资的 4050以上。中国 5060 年代所建设的混凝土工程已使用 40 余年，如果我国混凝土工程的平均寿命按 3050 年计，在今后的 1030 年内，为了 维修建国以来所建基础设施的费用，将是极其巨大的。 目前，我国的基础设施建设工程规模宏大，每年高达 2 万亿元人民币以上，约 30 50 年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费或重建费将更为巨大。作为 21 世纪 的高性能混凝土，更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。 以混凝土结构物的耐久性为首要技术指标的高性能混凝土由于其具有的优越性,目 前在不少的重要工程中被采用,并在高层建筑、大跨度桥梁、海上平台等工程中显示出 其独特的优越性,在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明 山西交通职业技术学院毕业设计 15 显的效益,受到越来越多的重视。 在高性能混凝土的发展过程中,有许多材料与工程方 面的难题需要解决,同时施工中还要解决一系列的技术问题。 1）低水灰比低水灰比, ,大坍落度大坍落度。 高性能混凝土一般要求低水灰比,水灰比一般都不大于 0.4 (水灰比很低约为 0.4 时,水灰比变化很小就能使混凝土强度不成比例地提高) ,但由于 混凝土在低水灰比的情况下,坍落度很小,甚至没有坍落度,其成型和捣实都很困难,无 法在现浇混凝土施工中应用。因此高性能混凝土拌合物的工作性比强度还要重要,是 保证混凝土现浇质量的关键,如果用坍落度来表示,则其坍落度大于 180 mm ,要求免振时, 坍落度大于 250 mm ,同时该拌合物应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性。 2） 坍落度损失问题坍落度损失问题。高性能混凝土的坍落度在掺加超塑化剂后的流动度可大大提 高,可以由初始坍落度 5 cm 增加到 20 cm ,但这种大坍落度只能保持十几分钟,此后坍 落度逐渐减少,至 1 h 左右便可能减少到初始坍落度,这种超塑化剂只能在工地添加拌 制成流动混凝土,否则会因坍落度减少给工程施工带来困难并影响工程质量。而现代城 市混凝土施工一般采用商品混凝土,混凝土从搅拌站运送至工地需要较长的时间,混凝 土在运输的过程中坍落度随时间的增加而减少,从而增加了高强混凝土施工难度。 3） 混凝土足够的流动性问题混凝土足够的流动性问题。高性能混凝土的特点是流动性大、水灰比小,为保 证混凝土具有足够的流动性,就要求有较大的胶凝材料总用量,但随着浆集比的增大,混 凝土的弹性模量会有所下降,混凝土的收缩也会有所增加。 从耐久性的角度来看,必须有 足够的浆体浓度和数量,得到良好的工作,才能保证混凝土的耐久性。 当胶凝材料用料太 小时,不可能保证良好的工作性,使混凝土离析、分层,硬化后混凝土的薄弱界面数量将 急剧增多,最终大大削弱混凝土抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。 因此,没有足够的胶凝材料 总用量,就不可能使混凝土耐久。 很好地解决混凝土的流动性问题,就能保证混凝土的流 动性问题,就能保证混凝土的可泵性 3.33.3 影响混凝土耐久性的主要因素影响混凝土耐久性的主要因素 一般混凝土工程的使用年限约为 50100 年，不少工程在使用 1020 年后，有的 甚至使用 9 年以后，即需要维修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性(超 耐久)要求的根本原因，在于混凝土本身的内部结构。 首先，为满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的 孔隙率很高，约占水泥石总体积的 2540，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细 孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道，引 起混凝土耐久性的不足。 山西交通职业技术学院毕业设计 16 其次，水泥石中的水化物稳定性不足。水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱 性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在水化物中还有数量很大的游离石 灰，它的强度极低，稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提 高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。 3.43.4 提高混凝土耐久性的技术途径提高混凝土耐久性的技术途径 如前分析，要提高混凝土的耐久性，必须降低混凝土的孔隙率，特别是毛细管孔隙 率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但是如果纯粹的降低用水量，混凝土的 工作性将随之降低，又会导致捣实成型工作困难，同样造成混凝土结构不致密，甚至出 现蜂窝等宏观缺陷，不但混凝土强度降低，而且混凝土的耐久性也同时降低。目前减少 孔隙率的途径往往是掺入高效减水剂。 3.4.13.4.1 掺入高效减水剂掺入高效减水剂 在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混 凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。 水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌 和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性， 就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加 入减水剂后，减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用 下， 不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态， 还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜， 同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。 3.4.23.4.2 掺入高效活性矿物掺料掺入高效活性矿物掺料 普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足， 是混凝土不能超耐久的另一主要 因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组 成。活性矿物掺料(硅灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性 SiO2及活性 Al2O3，它们能 和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应，生成强度更高， 稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的 目的。有些超细矿物掺料，其平均粒径小于水泥粒子的平均粒径，能填充于水泥粒子之 间的空隙中，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。 3.4.33.4.3 消除混凝土自身的结构破坏因素消除混凝土自身的结构破坏因素 除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也