高性能砼应用实例课件.ppt

一 概念 一 出现背景 当代大跨 高层 海洋 军事工程结构的发展对混凝土提出的更高要求 处在恶劣环境下既有建筑不断劣化 退化导致过早失效 退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重恶果 原材料生产 开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭 资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实 这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能 多使用天然材料及工业废渣保护环境 走可持续发展的道路 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的 二 定义 高性能混凝土 HighPerformanceConcrete简写为HPC 一词是20世纪90年代前后提出的 目前尚未统一认识 各国学者各有不同的看法 主要的有 美 加学派认为 高性能混凝土是一种符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土 所谓特殊性能组合是指易于浇筑而不离析的工作性 好的长期力学性能 早强 韧性 体积稳定性以及严酷环境下的高耐久性等性能的组合 欧洲学派认为 高性能混凝土是一种水胶比小于0 4的新型混凝土 日本学派认为 高性能混凝土是一种高流态 自密实 免振的混凝土 我国学者认为 高性能混凝土是一种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 是一种环保型 集约型的绿色混凝土 从上可知 欧洲学派强调的是低水胶比条件下高强 高耐久性的特点 而日本学派强调的是良好的工作性能 我国学者则从发展的角度强调可持续发展与工业化生产 各有所侧重而美 加学派阐述的比较全面 总之 高性能混凝土是具有砼结构所需的力学性能 且有高耐久性 高工作性高体积稳定性和等多方面优越性能的新型混凝土 随着高性能混凝土的不断发展和完善 各国学派的观点也会逐步统一起来 三 特点 从目前实际应用的高性能混凝土的情况来分析 归纳起来和传统的普通混凝土 简称OPC 相比有以下几个特点 1 原材料上 除了常规的水泥 水 砂 石四种材料外 必需使用化学外加剂和矿物细掺料 一共是六种必不可少的材料 而且后两种可以是一种也可以是多种复合 这在选材上就要求与水泥具有良好的相容性 多种的外加剂之间 或细掺料之间 要求合理匹配 使具有黄金搭配 叠加效应的效果 增加了选材的复杂性 2 配比上 为了适应高而久 高强的要求 使用的是低用水量 180kg m3 低水胶比 一般为0 28 0 40 控制胶结材总量 550kg m3 3 性能上 具有高耐久性 抗渗 抗冻 抗蚀 抗碳化 抗碱骨料反应 耐磨等 良好的施工性 大流动 可灌性 可泵性 均匀性等 良好的力学性能 早强后强均高 良好的尺寸稳定性 合理的适用性与经济性等 总之 具有良好的综合技术性能 能满足各种工程结构的使用要求 四 应用 高性能混凝土适用于大跨度桥梁 高层建筑 海洋平台 宇宙航天 核能工程 军事防护 抗害防灾以及载重大处于恶劣环境下的特殊结构 世界各国都相继用于不同的工程结构中 最有代表性的见表1 表4 表1世界超高层混凝土建筑 表2计划建造的摩天大楼 表3国内高层建筑 表4国内铁路工程 以上说明我国应用高性能混凝土的数量日益增多 技术水平日益提高 可以设想今后我国高性能混凝土的研究与应用会有一个更大的发展 二 配制 一 技术要求 配制普通混凝土的技术指标是和易性 强度 耐久性与经济四项基本要求 大家已熟悉 但对配制高性能混凝土除了上述四项基本要求外还要加上坍落度的经时损失 可泵性指标等 二 技术路线 1 尽量降低用水量 水胶比 为此采用高效减水剂 2 掺加较多的掺合料以替代水泥 3 适当引气 用用优质的引气剂 提高抗冻性和流动性 4 选用优质原材料 控制有害物质 5 限制胶凝材料总量 重视水泥品质和对减水剂的相容性 上述配制要求主要是通过优选原材料 优选配合比与精心施工三条途径来达到 具体见以下框图 图1 三 水泥砂石料 根据中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会主编的 高强混凝土结构设计与施工指南 以下简称高强指南 HSCC 99 第二版中的有关规定 简介如下 一 水泥 宜用525 以上硅酸盐水泥或普硅水泥 选用时水泥的流变性比强度更重要 与减水剂相容性要好 因此C3A与含碱量要低 不宜用立窑水泥 早强水泥或其他掺混合材水泥 二 砂子 宜用地质坚硬 级配良好的河砂或人工砂 细度模数Mx 2 6 含泥量 1 5 强度 C70级的混凝土 1 0 且不容许有泥块存在 三 石子 宜用质地坚硬 级配良好的石灰岩 花岗岩 辉绿岩等碎石或碎卵石 母岩的立方抗压强度fg 1 2fou以上 针 片状 5 不得混入软弱颗粒 一般最大粒径Dmax 25mm 配制C80 C100级时 Dmax 20mm 对超过C100级以上时 Dmax 12mm 因为粒径小时 界面周长小 厚度也小 难以形成大缺陷 不仅 有利于界面强度 也有利于抗渗性 含泥量 1 配制C80级以上时 0 5 吸水率 1 石子的粒型 表面性质 石粉含量也很重要 应严格控制 四 外加剂 常用的有高效减水剂 缓凝剂 引气剂 膨胀剂等 1 高效减水剂 宜选用减水率高 20 与水泥相容性好 含碱低 坍落度经时损失小的品种 如接枝共聚物 聚羟基羧酸系 胺基磺酸盐类等 两种复合的效果比单一的好 掺量一般为胶结材总量的1 5 2 0 掺量太多 超过饱和点后 不再提高减水率 并延缓凝结时间 2 缓凝剂 主要用于控制混凝土的凝结时间和硬化速度 以减少坍落度损失 降低放热量 防止早期开裂 对于C3A与含碱量低的水泥 缓凝效果较好 但掺量不宜过多 要严加控制 3 引气剂 掺入引气剂可提高混凝土的流动性 减少离析 泌水 对保证混凝土拌合物的均匀性和硬化后的耐久性很有利 但引气剂要降低强度 故不宜多加 一般以含气量 3 4 来控制其掺量 4 膨胀剂 主要是为了补偿水泥的干缩和自收缩 增加抗裂性并在约束条件下增长强度 我国膨胀剂产品主要是钙矾石类的如UEA EA 明矾石膨胀剂等 有些复配的产品 其中掺有高效减水剂 缓凝剂甚至矿物细掺料等组合 选用时要注意 这类复配的膨胀剂对水泥也有相容性问题 使用前必须严格检验 另外还要检验掺膨胀剂混凝土 膨胀结束后的收缩量 如果和不掺膨胀剂时的相同 开裂仍然会产生 起不到减缩 防裂作用 因此应选用膨胀结束后收缩量比不掺的小的膨胀剂 掺膨胀剂的混凝土搅拌要均匀 养护要充分 约束条件要保证 否则 也起不到减缩防裂作用 有时反而开裂更甚 高性能混凝土因水胶比低 早强度 一般不宜掺早强剂 由于防冻剂掺入后 会降低强度 故通常也不宜用 四 掺合料 五 矿物细掺料 掺合料 作用机理 填充作用 增强作用 润滑作用 降低碱含量 降低水化热 1 粉煤灰 F A 主要活性成分是Sio2 Al2O3 含量越多 活性越高 按CaO含量的多少分为两类 Cao 10 的为高钙灰 C级 具有轻微的自硬性 但因游离Cao高 易造成体积不安定使用时要慎重 故应用不广 Cao 10 的为低钙灰 F级 依其品质又分I II III三个级别 见表5 表5GB1596 91 说明 据初步调查 国内普遍存在的问题是细度不合格 烧失量太大 质量不稳定 正在采取措施加以解决 用于高性能混凝土的粉煤灰通常是I级灰 质量较好的II级灰也可用 有两项指标要引起注意 一是需水量比应 100 因它影响流动性和早期收缩 二是烧失量最好 3 因烧失量大意味着含碳量高 含碳量高吸水率就大 强度低且易风化 对高性能混凝土更加敏感 因此要严加控制 只要含碳量低 细度不必苛求 达不到要求时 可通过粉磨提高 研究表明 掺入粉煤灰后 它对混凝土有以下四种功效 1 火山灰反应 强度效应 活性效应 粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的Ca OH 2及含有的硫酸盐产生碱性激发与硫酸盐激发两种反应 即 碱性 xSiO2 yCa OH 2 zHzO yCao xSiO2 zH2O CSH mAl2O3 nCa OH 2 iH2O nCao mAl2O3 iH2O CAH 硫酸盐性 Al2O3 3Ca OH 2 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O AFt 并能改变CSH相的形貌 降低Ca Si比 有利于后强的发挥与耐久性的改善 2 形态效应 减水作用 粉煤灰多是园珠型颗粒 表面光滑 微珠润滑 且有吸附分散作用对水泥浆起解絮增塑作用 若保持流动性不变即可起到减水作用 3 微集料效应 增密作用 研究表明粉煤灰粒度分布合理 总体粒度为0 5 300 m 其中玻璃微珠为0 5 100 m 大部分45 m 及少量粗粒的海绵颗粒10 300 m 大部分 45 m 可见自身颗粒级配良好 其中比水泥颗粒细的粒子则可填充水泥空隙 增加密实度 细化孔径 改善均匀性 4 稳定效应 益化作用 通过上述的火山灰反应 大量消耗掉自由态的Ca OH 2 使变成结合态 大大降低液相的碱度 从而提高混凝土的耐蚀性 另外还可减少放热 收缩和徐变 提高体积稳定性和抗裂性 有利于耐久性 但却降低了抗碳化的能力 通过上述分析 充分说明 粉煤灰在混凝土中能发挥四大功效 起着不亚于水泥的胶凝作用 是混凝土必不可少的第六组分 问题是要选好 用好 控制好粉煤灰 充分发挥它在混凝土中的有利作用 其掺量通常采用超量取代水泥法 超量系数 1 2 进行配制 2 粒化高炉矿渣 P S 粒化高炉矿渣是炼铁高炉排渣时通过水淬 急冷 成粒后 再经磨细而得 主要化学成分有SiO2 Al2O3 CaO与MgO等 通过水淬可以形成大量的玻璃体 另外还含有少量的硅酸 钙或硅酸二钙结晶组分 因此具有轻微的自硬性 矿渣的活性与碱度 玻璃体含量及细度等因素有关 碱度 碱度b越大 活性越高 我国的大多数矿渣b 1 8以上 玻璃体含量可以用玻璃化率来表达 玻璃化率a可通过x射线衍射法测定结晶化率 再按下式计算 玻璃化率a 1 结晶化率 100 玻璃化率a越大 活性越高 我国的矿渣多数都在98 以上 美国对掺入混凝土中矿渣的活性指标是 通过28天胶砂强度比来表示的 活性指标 fp 在硅酸盐水泥 矿渣 标准砂 1 1 2 75配比下标养28天的抗压强度 fc 在硅酸盐水泥 标准砂 1 2 75配比下标养28天的抗压强度 用水量均按胶砂流动度为110 5 来决定 根据活性指标的大小把矿渣分为80级 100级与120级三个等级 指标越大 等级越高 表示活性越高 研究表明 矿渣粒径 45 m的颗粒很难参与水化反应 所以要磨细 用于高性能混凝土的矿渣要磨细到比表面积超过4000cm2 g 才能充分发挥其活性 减小泌水性 细度越大 活性越高 但磨得太细 早期水化热大不利于降低混凝土的温升 而且混凝土早期的自身收缩也会随着磨细矿渣掺量的增加而增大 况且粉磨矿渣要提高成本 所以不宜磨得太细 但磨细矿渣比普通矿渣优越 掺入混凝土中可以取代部分水泥 可提高流动度 降低泌水性 早强相当 但后强高耐久性好 掺30 时 可提高强度22 左右 试验表明 磨细矿渣的最佳掺量是30 50 最大掺量可到70 此时水化热可降低 自身收缩也可减小 高强指南 规定 用于高强高性能混凝土的磨细矿渣 应符合下列质量要求 比表面积 4000cm2 g 需水量比 105 烧失量 5 3 沸石粉 F矿粉 一种天然的碱金属和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物 常用的是斜发沸石与丝光沸石 经磨细而成 主要成分有SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO等 是一种结晶矿物 其中含部分可溶性SiO2与Al2O3 参予火山灰反应 构造上具有含水微晶质架状构造 开放性较大 有很多大小均匀的孔道和空腔的特点 因此具有良好的选择吸附 离子交换和催化的特性 其化学活性很大 其掺量 最佳15 20 适宜25 30 极限35 45 超过45 强度开始下降 对混凝土的作用有 1 沸石粉空腔中的沸石水 通过 自真空 作用 放出促进水泥水化 且残存沸石以其针状 柱状 薄片状微细晶体与形成的CSH互相交织联锁 粒子间连结更紧密 结构密实化 不仅抗压增长显著而抗拉强度也较高 2 改善浆一集界面结构 减弱CH在过渡区的定向结晶 缩小过渡带 提高了结构均匀性 界面得到强化 3 改善孔结构 增加密实度 减小孔径 100nm的孔分布显著增加 4 降低泌水 离析和分层 提高均匀性 改善和易性 5 提高抗冻 抗渗 抗碱骨料反应的性能 但收缩和徐变略大 高强指南 规定 用于高强高性能混凝土的沸石粉 应符合下列质量要求 细度 0 08mm筛余 10 吸铵值 110meg 100g 斜发沸石 120meg 100g 丝光沸石 抗压强度比 90 如磨细至S 4000cm2 g d平 10 6 m 效果会更好 4 硅粉 S F 是生产硅铁 电收尘所得废料 主要成分是SiO2 86 95 无定形物质 活性极高 表观密度250 300kg m3 密度2 2 空隙率高达90 以上 为细小球状颗粒d平 0 1 0 2 m 比表面积S 18 22m2 g 是水泥的20 30倍 需水量比高达134 SF取代水泥每增加1 约5kg 需水量增加7kg SF取代水泥每增加1 减水剂增加0 05 品质标准可参照我国水工混凝土暂行标准执行 SiO2 85 W 3 烧失量 6 火山灰活性指数 90 细度45 m筛余 10 比表面积S 15m2 g 均匀性指标 密度与均值偏差 5 细度与均值偏差 5 掺量 以7 9 最佳 适宜量5 15 极限量10 20 超过20 不经济 作用不大 归纳起来对混凝土的作用有 1 增强 增密 改善和易性 增加粘稠性 降低泌水 2 改善微结构与界面结构 改变相组成 缩小过渡带 3 改善孔结构 增实 减轻 减热 减缩 减徐变 4 提高耐久性 抗渗 抗冻 抗蚀 抗碱骨料反应 耐磨等 研究表明 上述几种矿物细掺料的使用宜采取以下几种措施效果更好 即 超细粉磨 多种复合 开发势能作用 大掺量的应用 建立可持续发展战略 1 超细粉磨 磨细至8000 10000cm2 g d平 10 8 m 特点 充分发挥潜在势能 比表面积大 促进火山灰反应 发挥其潜在活性 显著提高 三大效应 即提高 活性 粒形 微集料 三大效应 改善微级配密实化 充分发挥粉体效应 降低泌水 增加粘稠性 减少坍落度损失改善界面结构 2 多种复合 将粗细不同的不同种类的掺合料复合 利用各自的特点 取长补短 各发挥各自的优势 优势互补 特点 改善微结构和微级配 调整相组成和微级配 结构更加密实和强化改善界面结构和孔结构 缩小过渡带 提高均匀性 减小孔径 充分发挥 三大效应 强度效应 W C 0 4 不能全部水化 若加入超细粉体 可吸收CH 捉进水泥水化 提高水化率 粒形效应 硅灰多为球状 掺量 5 时 是高稀度悬浮体 能阻止水泥沉淀更易于流动 产生 滚珠效应 可增大流动性 改善可泵性 减少坍落度损失 但掺量太多 5 将因比表面积太大而增加需水量 使流动性降低 阻力增大 可泵性变差 微集料效应 从粒径分析 硅灰最细 磨细粉料次之 水泥最粗 三种材料组合 互相填充 可达到最密实 三者之间存在一个最佳配合可通过试验确定 高强指南 规定为了防止产生碱骨料反应所有原材料中的含碱量1M3混凝土中不得超过3kg为了防止钢筋锈蚀 所有原材料中的Cl离子含量 对一般条件下的钢筋混凝土结构 0 2 C 处于朝湿条件下的钢筋混凝土结构 0 2 C 对预应力钢筋混凝土结构 0 06 C 对上述所用的六项材料 包括水 初步选定后 需按国家标准或规范严格进行检验 品质合格后方能使用 五 配合比设计 一 配合比设计的基本原理 根据前述配制高性能混凝土的技术路线 混凝土配合比设计的目标 是要确定能满足工程技术要求的各种材料用量 配合比设计原理与普通混凝土基本相同 仍然依据三大法则 但也有不同之处 1 水灰比 或灰水比 法则 根据这一法则确定水灰比 以保证混凝土的强度和耐久性 对高性能混凝土 由于将矿物细掺料当作胶结材的一部分因此计算的应该是水胶比 或胶水比 2 最大密实度法则 该法则的基本思路是各项材料互相填充空隙 以达到混凝土密实度最大 换言之就是各项材料的密实体积总和等于1M3绝对密实的混凝土 即 V水泥 V掺合料 V砂 V石 V水 V气 1M3的混凝土 根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率 以确保混凝土的强度 耐久性与经济性 3 最小单位用水量法则 根据这一法则 可在水胶比一定及原材料一定的情况下 确定能满足混凝土工作性的最小用水量 这和普通混凝土中的恒用水量法则相似 对高性能混凝土 由于骨料最大粒径和坍落度的波动范围很小 分别是10 25mm与18 22cm 而且坍落度还可通过调整高效减水剂来控制 因此普通混凝土的恒用水量法则对高性能混凝土就不太适用 而改用最小单位用水量法则 但出发点两者是相同的 根据上述三大法则 可以初步确定混凝土配合比中的水胶比 浆集比 砂率与最小单位用水量这四个最基本的参数 再通过一定的方法 根据经验和试配确定外加剂和掺合料的用量 二 配合比设计方法 由于高性能混凝土使用的原材料较多 技术要求较高 目前尚无统一的计算方法 各国都是根据本国的实际情况提出的设计方法 而且都是经验试验法 虽然各国的设计方法各种各样 但都遵循上述三大法则 所以方法并不重要 重要的是上述三大法则 这是基础 方法很多 下面只介绍一种常用的方法供参考 该法也是一个经验 试验法 具体思路是将混凝土按密实体积分为两大部分 该法也是一个经验 试验法 具体思路是将混凝土按密实体积分为两大部分 胶结材料浆体 水泥 水 外加剂 掺合料 骨料基体 砂 石子 需要确定的参数为 水胶比 用水量 浆集比 砂率 外加剂掺量 掺合料掺量 具体步骤是先计算空白混凝土的初步配合比 根据经验初步确定外加剂与细掺料的掺量 通过流动性的试验调整 确定基准配合比 再经过强度与耐久性试验调整 确定试验室理论配合比 最后通过含水率的换算确定施工配合比 1 计算初步配合比 1 配制强度 fh 标准差 按本单位历年的统计资料确定 若无统计资料 一般可按 6Mpa取用 高强指南 一书中规定 C50与C60级的配制强度应不低于强度等级的1 15倍 C70和C80级的配制强度应不低于强度等级的1 12倍 施工配制强度仍按fh fou 1 645 计算 2 水胶比 W B 可按新的强度公式计算 际强度 1 13f标 fc 水泥实 或按下表 选用 表6强度与水胶比关系 六 配合比计算 3 用水量 W 可根据强度等级按下表估计 表7用水量与强度的关系 4 胶结材用量B 高强指南 中规定 C50与C60级混凝土中胶结材总量 550kg m3 C70与C80级混凝土中胶结材总量 600kg m3 5 砂率 SP 可根据胶结材总量按下表选用 表8砂率与胶结材的关系 大量统计资料显示 C60 C120级的高性能混凝土 砂率多在34 44 之间 C80 C100级的混凝土砂率集中在38 42 之间 随着混凝土强度的增高 砂率有减少趋势 对有弹性模量要求的混凝土 砂率不宜过大 指南 中规定 砂率宜选用28 34 6 砂 石用量 S G 对高性能混凝土推荐按水泥浆实体积与骨料实体积之比为35 65的关系 以及选定的砂率 建立下列方程来计算 即 解方程即可求出砂 石用量 也可按假定表观密度法 假定混凝土表观密度为2480kg m3 或绝对体积法计算 2 确定基准配合比 在初步配合比的基础上 假定外加剂和掺合料的掺量 通过混凝土施工性能 流动性 坍落度损失 可泵性等 的试验加以确定 高效减水剂的掺量随品种不同而不同 一般为胶结材总量的0 5 1 8 可先采用1 试拌 逐步调整 最后确定最佳掺量 经验表明 粉煤灰可超量取代水泥 超量系数为1 2 1 4 适宜的取代水泥量为25 磨细矿渣 沸石粉 硅灰 单掺时 均可等量取代水泥 其适宜取代量分别各为15 30 7 10 5 7 高强指南 规定 粉煤灰掺量不宜大于胶结材总量的30 磨细矿渣不宜大于50 沸石粉和硅粉都不宜大于10 使用复合掺合料时 其掺量总和不宜大于胶结材总量的50 具体操作时 高效减水剂一般可选定三个掺量 比如 1 0 1 1或1 2 试配 掺合料可选定粉煤灰二个超量系数 即1 1 1 3试配 列出方案表 逐一进行试验比较 优选出最佳配合 要注意的是 粉煤灰超量取代水泥后 可能要减少部分砂子用量 对坍落度损失太大 或可泵性指标达不到要求时 还需掺入缓凝剂或引气剂等其他外加剂或调换减水剂品种 所以试配调整是个很重要的阶段 要给予足够的重视 3 确定试验室理论配合比 利用确定的基准配合比 制作试件进行强度和耐久性 抗渗 抗冻或其他项目 的试验 一般的作法 是选定三个水胶比 在已定的水胶比上下 0 02选定 制作强度试件和耐久性试件 试验后再确定合适的水胶比 若新确定的水胶比和原先的水胶比相差很大 尚需对配合比略加调整 4 施工配合比的换算 这和普通混凝土相同 不必重复 七 配合比举例 工程某高层建筑 要求混凝土强度等级C60 泵送施工 坍落度18 20cm 钢筋间距密集 粗骨料Dmax 20cm 选用的原材料 525号的普通硅酸盐水泥 密度 c 3 10 砂子为中砂 Mx 2 90 视密度 s 2 60 石子为石灰石 Dmax 20cm 视密度 g 2 70 高效减水剂为NF 粉煤灰为I级 密度 f 2 20 施工单位的标准差 6 0MPa 配合比设计 1 计算初步配合比 1 配制强度fh fh fou 1 645 60 1 645 6 60 9 87 69 87 70 2 水胶比 W B 按公式 3 用水量 W0 根据C60查表7得 W0 175kg m3 4 水泥量 C0 5 砂率 SP 根据C 565kg m3查表8得 SP 34 6 砂 石用量 S0 G0 根据水泥浆实体积与骨料实体积之比为35 65的关系和已选定的砂率 可建立下列方程 SP 34 解之得 S0 588kg G0 1143kg 若按假定表观密度2480kg m3计算得S0 592 G0 1148 若按绝对体积计算 得S0 582 G0 1131 可见 三者相差不多 通过上述计算得 1M3混凝土材料用量为 水泥C0 565kg 水W0 175kg 砂S0 588kg 石G0 1143kg 共计 2471kg 2 确定基准配合比 先初步确定高效减水剂掺量为胶结材的1 I级粉煤灰超量取代系数 c为1 2 水泥取代率 c为25 则高效减水剂用量J 1 C0 565 1 5 65kg 则取代水泥的粉煤灰用量F C0 c 565 0 25 141kg 此时的水泥用量C为C C0 F 565 141 424kg 粉煤灰的总用量Ft c F 1 2 141 169kg 取代砂的粉煤灰用量 即超量部分 Fe Ft F 169 141 28kg 粉煤灰取代水泥虽然重量相同 但由于粉煤灰的密度比水泥密度小 取代的体积比水泥的大 就必需减去一部分砂子来调平 这一部分体积差 因此计算超量取代砂的体积VS时 应加上这部分体积差 即 换算成砂的重量 再从总用砂量中减去这部分取代的砂 S后即为调整后的用砂量 或 准确式 即 近似式 代入得 准确值 或 近似值 最后得1M3混凝土材料用量为 水泥C 424kg 粉煤灰总量Ft 169kg F 113 水W0 175kg 砂S 507kg 石G0 1143kg 高效减水剂J0 5 65kg 共计 2423 65kg 注意 超量取代计算水胶比时 是W C F 而不是W C Ft 只有保持用水量不变 才能保证强度不变 根据此比例称取15l混凝土的材料用量进行试拌 测试结果如下表 表915l混凝土拌合物试拌性能测试结果 因此该配合比不需调整 可确定为基准配合比 3 确定试验室理论配合比 根据基准配合比按水胶比为0 29 0 31与0 33三个值分别计算三种配料 制作强度和耐久性试件 标养28天后 进行测试 其试验结果如下表 表10强度检验结果 现以W B 0 29为例 说明序号1各栏数字的计算式如下 保持用水量不变 则 水泥用量C B F B B c B 1 c 9 07 1 0 25 9 07 0 75 6 80 粉煤灰总用量Ft c F c c B 9 07 0 25 1 2 9 07 0 3 2 72 减水剂用量J 1 B 1 9 07 0 091 砂 石用量保持不变 测试结果 坍落度相差不大 现将B W与f28的关系绘于下图2中 图2强度与水胶比关系 2020 1 30 42 可编辑 将三点连一直线 从纵座标上找到fh 70MPa处 作水平线交于直线P点处 再作垂直线交于横座标3 33处 此即为所求的胶水比B1 W1或W1 B1 0 30 根据新确定的水胶比 重新计算配合比 用水量仍保持不变 则胶结材总量 水泥 粉煤灰总量 c c C 1 2 0 25 466 140kg 砂S 522kg 石子G0 1143kg 用水量W0 175kg 高效减水剂J 1 C cC 1 1 0 25 466 0 058kg 总计 1M3混凝土的重量为2446 58kg 上述就是试验室理论配合比 施工配合比的换算从略 八 工作性 普通混凝土的工作性是用坍落度来评价的 从流变学的观点看 坍落度表征的是拌合物的屈服值 只反映其流动能力的大小 而反映不出流动的快慢 这需要用塑性粘度的大小来反映 若坍落度相同 粘度大的流动慢 施工时填充模型的速度就慢 粘度过大就会增大施工难度 粘度小 流动快 施工方便 但粘度过小易产生离析与泌水使均匀性变坏 因此要控制好粘度的大小 对普通混凝土 由于用水量大 水胶比大 振捣施工 粘度的影响并不突出 用坍落度一项指标就够了 但对高性能混凝土来说 由于用水量少 水胶比低 掺有高效减水剂和矿物细掺料 使拌合物呈现出 坍落度大 粘度大 均匀性好 不离析 泌水少 的特点 而且多数是泵送施工 有的还是免振自流平施工 粘度的影响就十分突出 因此 单靠坍落度一项指标就不够了 这需要一项表征粘度大小的指标 目前国际上已提出了很多种测试工作性的新方法试图解决这一问题 常用的有L形流动试验 O形 或V形 漏斗试验 充填性试验 钢筋通过性试验 砂浆流变试验等等 据反映 上述方法尚不理想 正在不断改进完善之中 目前国内一般的作法是 1 坍落度试验 先按正规试验方法 测出坍落度S与扩展度D两个指标 再用倒置的坍落度筒 测定筒内拌合物自由下落的排空时间ts 这就是粘性指标 高强指南 要求 泵送混凝土坍落度S定为120 200mm ts是粘度指标 当ts 5 25s时 表示拌合物粘度良好 其扩展度D值宜 500mm 当ts25s时 粘度又太大 都表示粘度不好工作性差 需再作调整 2 坍落度经时损失测定 随着时间的推移 混凝土中的水分因不断水化和蒸发而被消耗 水泥浆由于不断水化而变稠 使拌合物的流动性不断降低 造成坍落度的经时损失 这是一个正常的物理化学过程 对用水量大 水胶比大的普通混凝土 影响并不很大 但对用水量小 水胶比小的高性能混凝土影响就很大 给施工造成很大困难 减水剂的减水率越大 这种损失越大 温度越高 损失越快 水泥和减水剂的相容性越差 损失也越大 此外 还与减水剂的品种 掺量与掺入方式有关 因此 在作坍落度试验的同时 应作坍落度经时损失的测定 一般分30min 60min 90min至120min四个档次的测定 根据工程要求确定档次 要求在选定的档次时间内 损失不应大于1 2cm 3 L形流动试验 详细测试方法参见 高强指南 第12章附录C 试验仪简图如图3 测定时 将拌合物一次装入筒内 捣插15次 将表面抹平 快速抽出隔板 并掐表计时 测定拌合物坍落的高度ls 自筒内流出的长度lf及其所需时间tf ls L坍落度 mm lf L流动度 mm 流动速度Vf lf tf mm s 图3L形流动仪简图 根据不同实际情况 确定合适的指标 对免振自密实混凝土还要进行V形 或O形 漏斗试验 充填性试验及钢筋通过试验等 因这些试验尚未普遍使用 也不稳定 故暂不作介绍 4 可泵性指标的测定 对泵送混凝土的工作性 要求流动性大 粘聚性和保水性好 因此 除了需作上述三项试验外 尚需作压力泌水率的测定 目的是为了防止在泵送过程中 由于管道中压力梯度过大 或管道过于弯曲 管道变径过大而出现的 脱水现象 导致水分通过骨料空隙渗透使骨料聚结引起阻塞堵管的严重后果 压力泌水率是通过压力泌水率仪进行测定的 测定时 将混凝土拌合装入筒内 开动千升顶 使拌合物在3 5MPa的压力下产生泌水 分别径历10秒和140秒时测定泌水体积V10与V140 计算出两者的差值或比值 即 V V140 V10 或 图4压力泌水率差值与坍落度的关系 差值 V越大 保水性越好 可泵性好 比值S1越小 保水性 稳定性越好 可泵性也越好 比值S2则越大 可泵性越好 对坍落度10 16cm的拌合物 压力泌水率总量宜控制在40 70ml 坍落度 16cm的拌合物 压力泌水率总量宜控制在70 130ml 其差值 V宜控制 50ml V与坍落度的关系如图4所示 图中显示 OP曲线是可泵区与不可泵区的分界线 其差值 V与坍落度的关系一目了然 要使坍落度和 V的交会点处在可泵区才行 5 高效减水剂与水泥的相容性 拌合物的流动性 普通混凝土主要靠加水量来调整 而高性能混凝土主要靠高效减水剂来调节 因此在低用水量 低水胶比条件下 高效减水剂与水泥间的相容性就十分重要 所谓相容性 就是以低掺量能获得高减水效果 产生大流动性并能保持较长时间而不损失 在选定水泥和高效减水剂品种时 就要考虑两者的相容性 并通过相容性的检测进行优选 图5 高强指南 第12章附录B提出了相应的检测方法 简单来讲 就是将不同品种的减水剂 用不同掺量掺入水泥净浆中 参照混凝土外加剂匀质性试验方法GB8077 87规定的净浆流动度试验方法试验 即用微形坍落度筒 见图5 测定净浆流出时间tf与流动度D mm 然后 按加水后10min 20min 30min和60min 分别测定净浆流动度 并绘制流动度随时间变化的曲线 根据减水剂与水泥不同的组合 得出一系列相应的流动度 时间曲线 从中对比优选 以掺量最小流动度损失最小为最佳组合 此时相容性最好 如图6 图7表示的是掺量与流出时间tf的关系 P点是饱和点 表示是最合适的掺量 30min与10min两条曲线间的距离表示流动度的损失 距离越大 损失越大 图7中所示组合1的两条曲线间的距离比组合2的小 且P1 P2 说明组合1的相容性好 图6流动度与时间的关系曲线组合1比组合2好 图7掺量与流出时间关系组合1比组合2好组合1比组合2好 影响相容性的因素主要有 1 水泥成分 C3A 碱含量与石膏含量越多 相容性越差 硬石膏比二水石膏相容性差 2 减水剂品种 木钙类 羟基羧酸类的相容性较差 3 掺合料 粉煤灰相容性最好 其次是矿渣 沸石粉 以硅灰最差 九 强度 高性能混凝土的强度不仅一般都很高 而且早强也高 高强混凝土多数是高性能混凝土 但高性能混凝土不一定是高强的 由于用水量少 水胶比低 掺有矿物掺合料 在强度发展与检查性试件的测试上 具有与普通混凝土不同的特点 1 试件强度与结构实际强度的差别 按现行规范 结构物的强度都是以标养的试件强度来表征的 这对普通混凝土结构来讲是合适的 但对高性能混凝土来说就不合适了 因为结构物体积大 由于高性能混凝土的水胶比小 用水量低 水泥用量多 内部水化热很大 混凝土温升就很高 一般都大大超过20 强度发展就很快 而试件体积小 标养温度为20 混凝土温升低 强度发展慢 所以标养强度大大低于结构物实际强度 因此标养的试件强度就不能代表结构物的实际强度 如果采取试件与结构物同条件现场养护 两者强度相差也很大 因此有人提出试件按 温度跟踪养护 同温养护 即在结构物内部布点测温 按测定的温度养护试件 并随时调整养护温度 使试件与结构物内部始终保持相同温度 这样处于同温养护的试件强度才能代表结构物内部的真实强度 因此 高强指南 指出 对于重要工程 应同时抽取多组标准立方体试件 分别进行标准养护 密封下同温养护和密封下的标准温度 20 3 养护 以对实际结构中的混凝土强度作出明确评估 2 试件破坏特征的变化与尺寸效应 研究表明 普通混凝土受压破坏时 当应力达到破坏荷载的30 40 时就出现初裂 随着应力增大 裂缝增多 互相联锁 逐渐破坏 破坏路径绕过粗骨料 破坏面粗糙 无响声 再加上环箍效应的作用 使试件破坏成双锥体形 而高性能混凝土就不同 强度很高 受压时当应力 达到破坏荷载的65 75 时 才开始开裂 初裂出现较迟 当应力达到80 90 时 裂缝主要集中在过渡区彼此并不联锁 当应力达到破坏荷载时 破坏突然发生 有响声 破坏线穿过骨料 破坏面平滑 形成劈裂性破坏 两者受压时的 曲线见图8 图8受压时 曲线 试验表明 高性能混凝土受压破坏时 增大了各项影响因素的敏感性 如试件尺寸误差 形状规整度 表面光洁度 位置偏心度 试验机的刚度 压钣厚度 球座灵敏度 加荷速度 试件含湿量 试件取出时间长短等因素 对测试结果的影响都十分突出 最后导致试验结果离散性很大 因此要求抽查试件应多留几组 而且试验时要严格仔细 每一步都要规范化 提高试验精度 由于离散性的增大 使尺寸效应也变大 试验表明 不同尺寸的折算系数随强度的增高而变小 高强指南 规定由10 10 10cm试件 折算成标准尺寸15 15 15cm的折算系数按表11取用 表11混凝土立方抗压强度折算系数K 混凝土材料的耐久性对结构物的使用寿命 维护和安全具有极重要的作用 历来统计资料表明 结构物在使用过程中的失效 破坏 突发事故的发生 都是由于耐久性不够引起的 而不是强度欠缺所致 就国内来说 据1986年国家统计的和建设部的统计 在46 8亿m2的城镇房屋中 就有半数需要进行修缮和加固 其中有10 12亿m2 需亟待加固改造才能正常使用 另据1995年统计 在60亿m2城镇民用建筑中 有30亿m2需要加固 其中10亿m2急需修理加固 公路方面 据2000年全国公路普查 危桥有9575座 达323 451延米长 每年所需维修费达38亿元 铁路方面 据1994年秋调查统计 铁路桥梁有6137座 存在不同程度的劣化损害 约占桥梁总数的18 8 有3000多孔发生锈蚀 2300预应力梁顺筋开裂 所需修补加固费约4亿元 另据2003年秋的调查 全路有失格桥梁7352座 约占桥梁总数的18 15 其中 十 耐久性 发生顺筋开裂的3345孔 大面积锈蚀的3390孔 T型梁横隔版断裂的3000多孔 其中兖石线的桥梁 交付使用仅7 8年 就因碱骨料反应而开裂 已投入大量资金进行修补 失格隧道3711座 约占隧道总数的65 5 其中严重漏水的1763座 导致了钢轨锈蚀 道床翻浆冒泥 电力牵引设备漏电 造成严重的事故隐患 影响正常运行 另外还有严重腐蚀的隧道1948座 其中成昆线的部分区段 交付使用仅3年 就有22座发生腐蚀 近年来 已投入大量资金用于维修 改造和加固 港工工程腐蚀更为严重 据不完全统计 华东 华南27座海港 引桥有74 已腐蚀破坏 华南地区使用7 25年的18座海港码头 引桥 其中有腐蚀破坏的就占89 61座水闸使用了4 20年 有腐蚀破坏的占875 有的码头 建成5 10年就产生腐蚀破坏 从上可知 结 构物腐蚀破坏数量之大 范围之广 速度之快是惊人的 这都是耐久性不良造成的 充分说明混凝土耐久性的重要 应引起我们重视足够的 正是由于多年来上述工程结构不耐久 改变过去只重视强度 忽视耐久性的传统观点 大胆提出配制以耐久性设计为中心的高性能混凝土新概念 采用低用水量 低水胶比 掺外加剂和矿物细掺料 都是为了提高耐久性 所以高性能混凝土的核心是耐久性 显然它的耐久性是很好的 耐久性差的不能称为高性能混凝土 无能是抗渗 抗冻 抗蚀 抗碳化 抗碱骨料反应等各方面都比普通混凝土高很多 为了保证高性能混凝土的高耐久性 中国工程院土木水利与建筑学部经过几年的试验 研究与验证 提出了 混凝土结构耐久性设计与施工指南 以下简称耐久性指南 耐久性指南 规定 结构耐久性包括设计 施工与使用中的维护三方面 从设计上 把结构物的使用寿命按其重要性分为100年 50年与30 年三个等级 环境因素按作用程度分为 可忽略 A 轻度 B 中度 C 严重 D 非常严重 E 与极端严重 F 六个等级 混凝土原材料选用的原则是 尽可能选用C3A与碱含量低 水化热低的水泥 应选用坚固耐久 级配合格 粒形良好的洁净骨料 其中粒形和级配更重要 应选用优质 高效的减水剂和引气剂 应选用优质的矿物细掺料 在混凝土配比上 要求按结构使用寿命等级和环境作用等级 限制最大水胶比和最小胶结材用量 见表12 但同时也要限制胶结材的最大用量和用水量 因用水量少 水胶比就低 在低水胶比 0 40 的条件下 粉煤灰才能充分发挥作用 对耐久性有利 另外用水量少 整个水泥浆体的体积就小 骨料占的体积就大 对抗渗和抗氯离子扩散很有利 所以关键是要降低用水量 施工方面 也有相应的规定 另外还增加了考虑耐久性的构造措施和裂缝控制 特别是根据使用寿命等级与环境作用等级 提出了保护层的最小厚度和能允许的最大裂缝宽度 见表13 作为施工人员 在施工过程中应设法满足这些要求 以确保混凝土的耐久性 表12最低强度等级 最小水胶比 胶结材最小用量 kg m3 使用年限 表13表面裂缝计算宽度的允许值 mm 关于耐久性质量的检验 耐久指南 规定 从现场拌合物中取样 需测定含气量 抗冻等级与氯离子侵入性三项指标 关于含气量与抗冻等级的测定可按现行标准方法测定 没有变化 但以氯离子侵入性指标表征抗渗性的测定方法有很大变化 由于高性能混凝土密实性的提高 低水胶比 0 35 的高性能混凝土用现行的抗渗仪测试几乎不透水 甚至超过C30以上等级的高性能混凝土几乎都能符合抗渗标号的要求 说明现行抗渗标号的测定 不能全面反映高性能混凝土对外界水 气的渗透性能 更不能反映氯离子 硫酸根离子等的扩散性能 必须寻求新的测试方法来取代现行的水压法 一种新的方法是气压法测混凝土的渗透性能 基本原理是在一定压力下 测定气体在混凝土介质中渗透 扩散的情况 待稳定后测出渗透过的气体体积Q 按下列公式计算出气体的渗透系数K L 试件厚度 cm P1 透气压力 MPa P2 大气压力 MPa A 试件透气面积 cm2 a 空气单位容积质量 1 205 10 5 N cm3 Q 单位时间平均透气量 cm3 Sec 测试精度可达10 12cm sec 能正确的反映低水胶比高密度混凝土的抗渗性能 要求气密性的混凝土 要求渗透系数K达到10 12cm sec数量级的水平 耐久指南 附录B提出了 混凝土氯离子扩散系数快速测定方法 基本原理是利用浓度差 按扩散理论 将试件浸泡在含5 Nacl的KoH溶液中 接上电源 通过电子快速迁移 测出不同时间下的电流电压与温度变化 然后再测出氯离子扩散深度 最后计算出氯离子的扩散系数DRCM m2 s 测出DRCM后 再按表14控制 表14混凝土抗氯离子侵入性指标 作用等级 另外也可按美国ASTMC1202快速电量测定法 测定的是通过试件的电量 用库仑值表示 当电量小于1000库仑时 认为抗氯离子性能优良 具体控制指标见表14 十一问题 高性能混凝土具有足够高的强度 良好的可工作性能及优良的耐物理一化学破坏的耐久性 因此广泛的为各种工程所采用 但高性能混凝土在工程实践中也出现一些突出的问题 这就是易于开裂和脆性较高 给工程的耐久性造成隐患 高性混凝土由于自收缩值高 低徐变与高弹模的复合作用 极易导致它的早期开裂 1 高性能混凝土的收缩及开裂 1 高性能混凝土的收缩其本质与普通混凝土 高性能混凝土 是相同的 但由于在原材料组成 配合比上的特点 使其与普通混凝土在收缩特性上有所区别 对高性能混凝土 由于自收缩作用初期大于普通混凝土 一旦自干燥结束 约60d 收缩发生于水分向环境扩散 则高性能混凝土的收缩较普通混凝土慢 因它较致密 水泥浆体硬化后的体积总减量为7 9 高性能混凝土中水胶比小 水泥水化程度受限制 故实际的体积总减缩量较普通混凝土小 塑性收缩 混凝土凝结前 塑性阶段时产生的收缩包括泌水及沉降引起内 外分层而产生的收缩开裂 对高性能混凝土来说 由于水胶比低 自由水少 高性能混凝土基本无泌水 故表面失水更快 造成内 外的湿度梯度因而较普通混凝土更易产生塑性收缩开裂 国外有研究资料认为 当混凝土表面水分蒸发速度大于0 5kg m2h时 即会产生收缩 而普通混凝土的限制为1 0kg m2h 这种收缩裂缝可于浇筑后15分钟至6 8小时产生 3 自收缩 在与外界无水份交换的条件下由自动干燥产生的收缩 高性能混凝土的水胶比小胶结材用量大 由于水化作用使混凝土中的自由水 毛细水消耗快 因混凝土很密实 内部水份来不及补充 从而造成毛细负压 引起混凝土产生自动干燥收缩 自收缩 这部分收缩对普通混凝土来说 约为0 5 1 0 10 4 而对高性能混凝土来说 当令期为60d W B 0 4时 其值为1 10 4 W B 0 3时为2 10 4 W B 0 17时 可达8 10 4 清华大学研究证实 W B 0 27 7d令期的值收缩为3 2 10 4 28d令期自收缩为3 5 10 4 硅粉使自收缩加大 外掺粉煤灰 20 可减少自收缩 水胶比愈低 自收缩大 这是因毛细孔愈细 毛细压力愈高之故 根据日本宫泽伸君等的实验资料 对高性能混凝土来说 W B 0 4时 自收缩占混凝土总收缩的40 W B 0 3时 占50 W B 0 17时占100 而且高性能混凝土的自收缩过程开始于水化速率处于最高阶段的初期 故常常发生这种情况 高性能混凝土由于塑性收缩引发了初始表面裂缝 继而由于自收缩而产生内部微裂缝 这种裂缝常发生于浆 集界面使裂缝不断增长 自收缩在混凝土体内各向同性地发展 而干燥收缩则主要在混凝土表面 4 干燥收缩 环境干燥使混凝土中的毛细水和凝胶孔中的吸咐水损失时 毛细压力引起混凝土收缩 由于高性能混凝土的孔隙率远较普通混凝土低 且结构致密 故其失水干缩较普通混凝土低 5 温度收缩 产生于水化热降温而造成的温度收缩 在绝热状态下 100g水泥使混凝土升温10 12 高性能混凝土的单方水泥用量大 按C 450kg m3计 混凝土的绝热升可达45 以上 加上初始温度 可达70 80 实际工程由于可散热 其温升可能略低 温升可使混凝土膨胀 一般膨胀产生于混凝土硬化初期 该时混凝土具有一定塑性 且其弹性模量较低 故由于膨胀而产生的压力较低 不致于造成混凝土的损伤 但当温升达到最高值而后降温时 由于高性能混凝土胶结材多硬化快 早期强度高 当降温时温差很大 产生的收缩应力将会很高 一般混凝土的热膨胀系数为10 10 6 当温度下降20 25 计算其冷缩量为2 2 5 10 4 而混凝土的极限拉伸值只有1 1 5 10 4 因而产生内应力易引起混凝土的开裂 高性能混凝土的温度收缩大于普通混凝土 由上述可见 高性能混凝土的开裂损伤主要由于它的 自收缩 温度收缩 及 塑性收缩 故防止高性能混凝土的收缩开裂 应从防止或减少上述收缩着手 2 控制开裂的途径 1 原材料配合比 胶结材 应尽量降低单方水泥量 采用放热量低的水泥 可降低混凝土的收缩 法国CiVaux 号核电站其混凝土中仅有混合水泥 含9 石粉 266kg和硅灰40kg 另加石灰石粉 其圆柱强度可达67Mpa 国内各单位试验证明 高性能混凝土中掺加优质粉煤灰以替换水泥 或者采用复合的矿物细掺料 如硅粉 矿碴粉 沸石粉等