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客运专线高性能混凝土 孙树江苏博特新材料有限公司 7 培训课件 客运专线高性能混凝土知识培训 第一部分 客运专线高性能混凝土基本理论知识与配制技术第二部分 客运专线高性能混凝土施工技术第三部分 客运专线相关技术标准解读 客运专线高性能混凝土基本理论知识与配制技术 第一部分 主要内容1 引言2 高性能混凝土的发展与应用现状3 高性能混凝土的组成与结构4 客运专线高性能混凝土的配制技术 20世纪80年代 美国国家材料委员会提出 要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料 包括钢材 混凝土 塑料等 1990年5月 在美国马里兰州Gaithers burg城由NIST和ACI主办了第一次关于HPC的国际研讨会 会议首次提出关于高性能混凝土的定义 1 引言 高性能混凝土定义 高性能混凝土 具有所要求的性能和匀质性的混凝土 例如易于浇注和压实而不离析 高长期力学性能 高早强 高韧性 体积稳定 严酷环境中使用寿命长 采用传统的组分 普通的搅拌 浇注与养护操作 是不可能日常生产这种混凝土的 高性能混凝土国际研讨会 1990 高性能混凝土的特性 是针对一定的应用和环境所要求的 例如 易于浇注早期强度渗透性水化热体积稳定性可捣实 不离析长期力学性质密实度韧性在服务环境中运行寿命长久 高性能混凝土的许多特性是相互关联的 改变其中一个常牵扯到一或多个其他特性发生变化 因此 如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足 则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚 美国混凝土学会1998 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 是以耐久性作为设计的主要指标 针对不同用途的要求 对下列性能有重点的加以保证 耐久性 施工性 适用性 强度 体积稳定性和经济性 吴中伟 国内高性能混凝土的定义 高性能混凝土以耐久性为基本要求并用常规材料和常规工艺制造的水泥基混凝土 这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂 取用较低的水胶比和较少的水泥用量 并在制作上通过严格的质量控制 使其达到良好的工作性 均匀性 密实性和体积稳定性 混凝土结构耐久性设计与施工指南 CECS2004 01 客运专线高性能混凝土 1 较严格的原材料品质要求2 混凝土强度等级无具体要求3 流动度根据施工要求确定4 均有含气量要求5 电通量 抗裂性 抗碱骨料反应作为基本耐久性指标6 根据环境作用等级和结构部位要求抗腐蚀 抗冻 抗渗性能等耐久性指标尚有一些未体现的指标如绝热温升 徐变 收缩等 1987年美国材料顾问委员会提交的一篇报告引起了轰动 约25 3万座桥梁的混凝土桥面板 其中部分使用不到20年 就已不同程度地破坏 且每年还将新增3 5万座 由于混凝土桥面板开裂普遍 因此转向使用高强混凝土 但是看来这无济于事 根据国家公路合作研究计划1995年检查的结果表明 10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔1 3米的贯穿性裂缝 2 高性能混凝土的发展与应用现状 不是强度 而是混凝土的坚固性 没有裂缝 对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用 P K Mehta耐久性 影响未来的关键问题 混凝土结构劣化破坏分类 1 磨蚀 机械磨耗 冲刷磨损 气蚀2 物理作用 干湿交替 水的渗透 冻融 盐的结晶3 化学作用 化学介质侵蚀 水解 软水 置换 硫酸盐 AAR CaO和MgO水化4 钢筋锈蚀 碳化引起 Cl 引起 近代混凝土技术 铁路工程混凝土结构耐久性设计暂规 将混凝土结构所处环境类别分为5种环境类别 17种环境作用等级 1 碳化环境 2 氯盐环境 3 化学侵蚀环境 4 冻融破坏环境 5 磨蚀环境 混凝土结构劣化破坏原因分类 一个不透水 但存在非连续微裂缝 且多孔的钢筋混凝土结构 环境作用 第一阶段 无可见损伤 1 侵蚀作用 冷热循环 干湿循环 2 荷载作用 循环荷载 冲击荷载 由于微裂缝和孔隙连通起来 不透水性逐渐丧失 环境作用 第二阶段 损伤的开始与扩展 水的渗入O2 CO2渗入酸性离子 Cl SO4 渗入 A 以下原因使孔隙内静水压增大 混凝土膨胀 钢筋锈蚀 碱 骨料反应 水结冰 硫酸盐侵蚀B 混凝土强度与刚度降低 开裂 剥落与整体性丧失 混凝土受环境作用产生劣化的 整体性 模型 以耐久性为基本要求的高性能混凝土并不能避免环境对混凝土结构的破坏作用 但是 高性能混凝土可以延长混凝土结构的使用寿命 有关混凝土结构使用寿命的设计理论也越来越被人们关注 1香港青马大桥设计使用寿命120年 要求所用混凝土满足如下要求 Cl 扩散系数小于9 10 13m2 s 1300库仑 混凝土28天立方体试件配比强度 50MPa普通水泥 25 35 粉煤灰 65 75 矿渣水泥用量350 550kg m3水胶比 0 4胶结料中最大氯离子含量0 06 碱含量 折合Na2O 3kg m3 现代高性能混凝土的应用实例 2英吉利海峡隧道设计使用寿命120年 要求混凝土满足如下要求 Cl 扩散系数小于K 1 4 10 13m s 1300库仑 水泥采用两种当地海工用的水泥 C3A含量为0 69 0 77 400kg m3水灰比0 35 0 32 坍落度100mm砂 由石灰石碎石与石英石组成 0 1mm硅质河砂 0 4mm和3 8mm两级石灰石碎石粗骨料 粒径5 12 5mm的石灰石碎石 现代高性能混凝土的应用实例 3日本明石大桥设计使用寿命120年 桥墩混凝土采用免振自密实混凝土 桥面及梁采用泵送高性能混凝土 要求混凝土满足如下要求 Cl 扩散系数小于1000库仑W B 0 35 胶凝材料用量500kg m3 其中水泥60 其余为矿渣及粉煤灰 现代高性能混凝土的应用实例 4 长江三峡大坝 现代高性能混凝土的应用实例 长江三峡大坝 2002 11 17 现代高性能混凝土的应用实例 杭州湾跨海大桥设计使用寿命100年 要求混凝土满足如下要求 杭州湾跨海大桥 东海大桥深港大桥 西部通道 珠港大桥 3 高性能混凝土的组成与结构 3 1混凝土如何高性能化3 2影响混凝土性能的因素3 3矿物掺合料3 4减水剂3 5小结 3 1混凝土如何高性能化 1 高性能混凝土的结构特点高性能混凝土是在与普通混凝土相对比的基础上提出的概念 相比而言 A 孔隙率很低 B 水化物中CH减少 CSH和AFt增多 C 未水化颗粒多 未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多 各中心质间距离缩短 有利的中心质效应增多 中心质网络骨架得到强化 D 界面过渡层厚度小 并且孔隙率低 CH数量减少 取向程度下降 2 混凝土高性能化的途径和方法A降低水胶比可大量减少水泥石的孔隙 在无外加剂掺入的情况下 水灰比大于0 5时混凝土才具有可施工的流动性 方法 掺入高效减水剂 水灰比与水泥石结构 水 水 方法 掺入矿物质掺合料 B改善砼中水泥石与粗骨料之间的界面结构普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的CH CH在界面上的结晶与定向排列 是混凝土强度与耐久性低下的主要原因 改善砼中骨料与水泥石之间的界面结构 是高性能砼必须解决的关键技术 C改善混凝土中水泥石的孔结构引入封闭孔 在相同的孔隙率下 封闭孔的渗透系数最低 方法 掺入优质引气剂 优质原材料 3 2影响混凝土性能的因素 1 水泥特性对混凝土影响高含碱量 高比表面积 高C3S 高C3A 高SO3使水泥水化热大 水化快 早期强度高 徐变小 使混凝土延伸性低 易使混凝土温度收缩 自收缩和干燥收缩使混凝土开裂 2 骨料特性对混凝土影响 3 拌和物特性对混凝土耐久性的影响 4 矿物掺和料对混凝土性能的影响 5 外加剂对混凝土性能的影响 6 浇筑特性对混凝土耐久性影响 7 环境对混凝土耐久性的影响 粉煤灰 FA 发电厂煤粉燃烧后的未燃尽无机残渣 磨细矿渣粉 BFS 主要成份为CaO Al2O3和SiO2等 来自于铁矿石炼铁高炉 硅粉 SF 硅和含硅合金时所产生的副产品 偏高岭土粉 MK 高岭土经煅烧生成的无定形铝硅酸盐 天然沸石粉 NZ 矿物掺合料的功能不同 起着不同的作用 重点讨论磨细矿渣粉和粉煤灰 3 3矿物掺合料 水泥 粉煤灰 矿渣的化学成分 矿物掺合料一般具有如下作用 1 填充骨料的间隙及形成润滑膜 2 消纳氢氧化钙 改善过渡区 火山灰反应 生成胶凝性产物 3 对水泥的分散作用 降低水胶比 改善水泥在低水胶比下的水化环境 4 延缓初期水化速率 形成较低水胶比 较大水灰比的有利环境 5 降低温升 改善徐变能力 减小早期形成热裂缝的危险 矿物掺合料产生的效应 1 填充效应2 流化效应3 耐久效应4 强度效应 粉煤灰 粉煤灰的密度通常只有水泥的2 3左右 因此采用大掺量粉煤灰的混凝土 同时添加高效减水剂时 可以在大幅度降低单位用水量 水胶比 时仍然获得良好的和易性 获得普通混凝土条件下无法达到的使用效果 扫描电镜下粉煤灰的形貌 粉煤灰对混凝土性能的影响 1 新拌混凝土1 增加浆体含量 增大粘聚性 不易离析 改善可泵性 容易振实 2 延缓拌合物凝结时间 减小坍落度损失 3 减小泌水速率 但凝结时间延长 尤其低温季节 需要及早覆盖养护 4 降低水化热 2 硬化混凝土1 早期强度发展速率延缓 程度取决所用水泥 但也随温度升高加快 2 早期应力松弛作用强 抗裂性能好 3 后期微结构密实 强度增长幅度大 耐久性良好 4 预防混凝土的耐久性病害发生 如碱 骨料反应 5 提高混凝土抵抗环境因素劣化破坏的能力 如 抗硫酸盐侵蚀 抗氯离子渗透等 粉煤灰对混凝土性能的影响 大掺量粉煤灰混凝土强度发展规律 水泥150kg m3 粉煤灰200kg m3 水胶比0 29混凝土抗压强度 3天22MPa 试件 7天34MPa28天52MPa90天70MPa365天100MPa 目前 国内外绝大多数有关粉煤灰混凝土的研究 都是在相同胶凝材料用量前提下 变化水泥与粉煤灰掺量 而不调整混凝土水胶比 以等坍落度评价拌合物的工作度 以检测普通水泥混凝土的20 养护试件进行比较研究 其结果必然是随着粉煤灰掺量增大 水泥用量减少 混凝土的强度发展速率和抗碳化等耐久性能指标下降 实际上 在骨料 粉煤灰品质改善的前提下 变化拌合物的水胶比 适当调整混凝土拌合物的坍落度 完全可以配制出粉煤灰掺量大 强度发展满足工程要求 且其他性能优异的高性能混凝土 磨细高炉矿渣 需要干燥后粉磨 使用成本较高 2 密度 需水量与水泥接近 需水量随粉磨细度变化小 3 随细度增大 混凝土早期强度发展加快 适用于蒸养制品 4 开始水化后呈加速 比水泥快 掺量在70 以上 才能起明显降低温升效果 水泥颗粒 微矿粉颗粒 微矿粉颗粒 水化硅酸钙凝胶 氢氧化钙晶体 无微矿粉混凝土的水化产物 掺加微矿粉混凝土的水化产物 致密的水化硅酸钙凝胶 3 4减水剂 聚羧酸系减水剂的特点 1 高减水率水泥的分散能力强 减水率高 可大幅度降低砼单方用水量 不同外加剂的用量与减水率关系 2 坍落度损失小混凝土拌合物的流动性大 且保持混凝土坍落度损失功能好 高强混凝土坍落度的经时变化 萘磺酸盐系高效减水剂是一种刚性链横卧吸附 减水率相对低 控制坍落度损失功能差 聚羧酸系减水剂是齿轮型 引线型吸附 在水泥颗粒表面 形成立体排斥力 减水率高 控制坍落度损失功能好 水泥粒子对减水剂吸附形态 因减水剂的类型及结构而不同 对减水性能及控制坍落度损失均有很大影响 萘系减水剂 特种木质素磺酸盐 聚羧酸盐 化学外加剂吸附模型 减水剂控制坍落度损失机理 3 不含Na SO 碱含量低 对混凝土耐久性有利 4 收缩小 对防止混凝土开裂有利 5 分子结构易于设计 容易接枝合成不同性能要求的产品 3 5小结 选用品质良好的原材料 较低的水胶比和较少的水泥用量 合理的应用矿物掺合料和高性能引气减水剂是实现混凝土高性能化的主要技术途径 高效减水剂能降低砼的水灰比 增大坍落度和控制坍落度损失 赋予混凝土高的密实度和优异的施工性能 矿物掺合料填充胶凝材料的空隙 参与胶凝材料的水化反应 除了降低水化热 提高混凝土的密实度外 还改善混凝土的界面结构 提高混凝土的耐久性与强度 4 客运专线高性能混凝土的配制技术 4 1各技术标准的适用范围4 2客运专线混凝土相关技术标准区别与联系4 3关于水下混凝土的配制4 4强度和耐久性评定龄期4 5混凝土配合比的选定 4 客运专线高性能混凝土的配制技术 4 1各技术标准的适用范围验收标准 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准 适用于客运专线铁路混凝土工程施工质量验收 喷射混凝土和特种混凝土除外 客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准 适用于旅客列车设计行车速度200 350km h的标准轨距客运专线铁路隧道工程施工的质量验收 客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准 适用于旅客列车设计行车速度200 350km h的标准轨距客运专线铁路桥涵工程施工的质量验收 技术条件 客运专线高性能混凝土技术条件 适用于客运专线新建桥梁 隧道 涵洞 轨道 路基支挡等结构用混凝土 客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件 适用于新建客运专线单线 双线及多线道碴桥面的先张法 后张法预应力混凝土预制简支梁及先简支后连续的预制简支结构 以下统称预制梁 无碴桥面预制梁可参考应用 350km h客运专线有碴轨道预应力混凝土轨枕本技术条件 适用于时速350km的高速铁路有碴轨道用轨枕 4 2客运专线混凝土各相关标准区别与联系混凝土的性能要求发生了变化 除了以往意义上的坍落度 强度和弹性模量测试外 新增加了含气量 抗裂性 电通量 抗冻性 耐磨性 抗渗性等指标要求 1 混凝土配合比选定试验的检验项目 2 各技术标准中施工过程检验控制 4 3关于水下混凝土的配制注意问题水下混凝土配合制强度应提高10 20 进行设计 水下混凝土的质量应符合下列要求 标准养护试件强度应符合设计强度等级1 15倍 钻芯取样试件的平均强度不应低于设计强度标准值 4 4强度和耐久性评定龄期 4 5混凝土配合比的选定 1 主要技术参数的确定首先根据 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 和混凝土结构物所处的环境条件将混凝土的主要类别及性能要求确定要达到的技术指标 例 郑西客专某项目高性能混凝土性能要求表1 2 配合比选定混凝土的配合比应根据原材料品质 设计强度等级 耐久性以及施工工艺对工作性的要求 通过计算 试配 调整等步骤选定 配制的混凝土应满足施工要求 力学要求和耐久性等质量要求 选定混凝土配合比基本规定 1 C30及以下混凝土的胶凝材料总量不宜高于