高性能混凝土论文

试论高性能混凝土试论高性能混凝土 姓名 学院 学号 摘要 高性能混凝土是一种是以耐久性为主要指标同时具备高强 高早强 高施工性等优异 性能的新型混凝土 应该通过制备的科学性以及提高浇筑 捣实等施工方法和工艺来提高 混凝土的高施工性 高强度和体积稳定性从而提高道路桥梁的使用寿命和整体经济效益 The high performance concrete is based on durability as the main indicators along with high strength high early strength high workability and excellent performance of new concrete Through the preparation of the scientific and improve the casting to trace the actual construction methods and process to improve concrete construction high strength and volume stability thereby enhancing the life and the overall economic benefits of roads and bridges 关键字 高强 高性能混凝土 1 高性能混凝土的定义高性能混凝土的定义 高性能混凝土 High Performance Concrete 简称 HPC 是在高强度混凝 土 High Strength Concrete 简称 HSC 的基础上发展起来的 在不同国家 甚至是同一国家的不同应用部门 对高性能混凝土的定义都有差别 美国和加 拿大的学者认为高性能混凝土应该是高耐久性的 而不仅仅是高强度 除了强 度之外 高耐久性还应包括高的体积稳定性 低渗透性和高工作性 日本学者 更重视混凝土的工作性 认为高流态 免振自密实混凝土就是高性能混凝土 英国和北美学者则更重视混凝土的强度 综合分析各种观点 我国学者提出 高性能混凝土是在大幅度提高常规混 凝土性能的基础上采用现代 先进的预拌 混凝土技术 选用优质原材料 除 水泥 水 集料外 必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型 高技术混凝土 高性能混凝土应具有几种性能 耐久性 工作性及各种力学性 能 但目前 高性能混凝土的概念又有了新的变化 清华大学冯乃谦教授提出 普通混凝土也可能高性能化 其研究成果在工程实际中也得到了应用 因此 高性能混凝土并不一定强调高强 还包括普通混凝土的高性能化 2 高性能混凝土产生的背景高性能混凝土产生的背景 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 更要耐久性好 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 1 310 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 5 000 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 25 30 年后即需大修 处于有害介质中的建筑物使用寿命仅 15 20 年 民用 建 筑及公共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 9597 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 5 10 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 6 t 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 5t 石 灰石和大量燃煤与电能 并排放 1tCO2 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 如何处置费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 3 高性能混凝土的特性高性能混凝土的特性 3 1 具有一定的强度和高抗渗能力 高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力但不一定具有高强度中 低强 度亦可 高性能混凝土的抗压强度已超过 200MPa 28d 目前 平均强度介 于 100 120MPa 的高性能混凝土 已在工程中应用 高性能混凝土抗拉强度与 抗压强度值比较高强混凝土有明显增加 高性能混凝土的早期强度发展加 快 而后期强度的增长率却低于普通强度混凝土 3 2 具有良好的工作性 高性能混凝土具有良好的工作性在成型过程中不分层 不离析易充满模型 泵送混凝土 自密实混凝土还具有良好的可泵性施工时能达到自流平坍落度时 损失小具有良好的可泵性 这种优良的工作性能可以保证施工时混凝土的质量 均匀提高施工效率 3 3 使用寿命长 高性能混凝土除通常的抗冻性 抗渗性明显高于普通混凝土之外 高性能 混凝土的 Cl 渗透率 明显低于普通混凝土 高性能混凝土由于具有较高的密 实性和抗渗性 因此 其抗化学腐蚀性能显著优于普通强度混凝土 高性能混 凝土的使用寿命长对于一些特护工程的特殊部位控制结构设计的不是混凝土的 强度而是耐久性 能够使混凝土结构安全可靠地工作年以上是高性能混凝土应 用的主要目的 3 4 具有较高的体积稳定性 高性能混凝土的体积稳定性较高 即混凝土在硬化早期应具有较低的水化 热硬化过程中不开裂收缩徐变小 硬化后期具有较小的收缩变形不易产生施工 裂缝 表现为具有高弹性模量 低收缩与徐变 低温度变形 普通混凝土的弹 性模量为 20 25GPa 采用适宜的材料与配合比的高性能混凝土 其弹性模可 达 40 45GPa 采用高弹性模量 高强度的粗集料并降低混凝土中水泥浆体的 含量 选用合理的配合比配制的高性能混凝土 90 天龄期的干缩值低于 0 04 高性能混凝土的总收缩量与其强度成反比 强度越高总收缩量越小 但高 性能混凝土的早期收缩率 随着早期强度的提高而增大 相对湿度和环境温度 任然是影响高性能混凝土收缩性能的两个主要因素 高性能混凝土的徐变变形显著低于普通混凝土 高性能混凝土与普通强度 混凝土相比较 高性能混凝土的徐变总量 基本徐变与干燥徐变之和 有显著 减少 在徐变总量中 干燥徐变值的减少更为显著 基本徐变仅略有一些降低 而干燥徐变与基本徐变的比值 则随着混凝土强度的增加而降低 3 5 具有良好的耐火性 高性能混凝土在高温作用下 会产生爆裂 剥落 由于混凝土的高密实度 使自由水不易很快地从毛细孔中排出 再受高温时其内部形成的蒸汽压力几乎 可达到饱和蒸汽压力 在 300 C 温度下 蒸汽压力可达 8MPa 而在 350 C 温 度下 蒸汽压力可达 17MPa 这样的内部压力可使混凝土中产生 5MPa 拉伸应 力 使混凝土发生爆炸性剥蚀和脱落 因此高性能混凝土的耐高温性能是一个 值得重视的问题 为克服这一性能缺陷 可在高性能和高强度混凝土中掺入有 机纤维 在高温下混凝土中的纤维能熔解 挥发 形成许多连通的孔隙 使高 温作用产生的蒸汽压力得以释放 从而改善高性能混凝土的耐高温性能 4 高性能混凝土的配备高性能混凝土的配备 高性能混凝土的组成材料包括水泥 粗细集料 多种矿物掺合料 水和超 塑化剂 其组成和配比要比普通混凝土复杂 要求也高得多 4 1 水泥及其用量 配制 HPC 可以使用普通硅酸盐水泥 早强硅酸盐水泥 中热水泥等 其 水 标号大于或等于 42 5R 水泥矿物组成中 C3A 含量不应超过 8 比 表面不宜太高 通常比表面在 3200cm2 g 左右 试验结果证明 C3A 含量超过 8 水泥的流动度损失明显 含碱量及硫酸盐含量高的水泥更严重 为了控制水泥水化放热量以及提高体积稳定性 配制 HPC 时胶凝材料 包括水泥和活性掺合料 总用量通常在 300 550kg m3 范围 这样 在合适 的配 合比条件下 可以得到抗压强度 40 120MPa 的混凝土 为了适应 HPC 的 发展 最理想的办法是生产一种低水灰比 高流动性 高标号的水泥 或者生 产一种调节细度和颗粒组成的水泥 与普通水泥配合使用 这样便能保证在水 灰比 0 2 时 砂浆流动度在 200mm 以上 4 2 矿物掺合料 矿物掺合料主要是粉煤灰 矿渣 硅粉等 它们是辅助胶凝材料 近几年 来在普通混凝土应用中越来越普遍 一方面是由于经济效益显著 另一方面是 因为使用这种材料可以得到技术效果 在 HPC 中 应用辅助胶凝材料的作用 就更为突出 HPC 的高强度部分来源于其基材的密实 即使有一部分水泥被一种或多种 辅助代替 也对混凝土的早期强度不会有副作用 此外 化学活性较低的辅助 胶凝材料代替部分水泥 从控制水化放热和流变性能的角度也是有益的 4 3 用水量 在拌合水大大减少的情况下 获得大的流动性 使硬化混凝土具有高强度 和高密实性 因此 必须使用超塑化剂破坏水泥粒子的絮凝结构 使水泥粒子 分散 拌合水大大减少使水泥粒子间距缩小 因此得到比普通混凝土密实得多 的水泥石结构 凭借这种高密实度的结构 水化物形成较多的水泥石结构 水 化物形成较多的化学键合就能获得非常高的抗压强度 由于游离水含量较少 自干燥失水后使 HPC 的水泥石具有非常低孔隙率 在配制 HPC 时可以两种形式即水灰比 c 和水胶比 c s 两者掺有 掺合料时使用 HPC 的抗压强度不仅取决于水灰比 也取决于水泥 石的密实度 换句话说 两个影响混凝土强度的因素即水灰比和减小水化开始时粒子的 间距 4 4 集料及其用量 在配制 HPC 时 水泥浆与集料的体积比是 0 35 0 65 除此之外 集料的 种类对混凝土的体积稳定性也有显著影响 例如 水泥浆与集料的弹性模量或 热膨胀系数不相匹配 当结构暴露在温度变化频繁的环境中将产生开裂 同样 在一定的水泥浆 集料比时 使用弹性模量低的集料将会使混凝土的徐变增大 就长期尺寸稳定性而言 通常认为混凝土集料用石灰岩和玄岩比砂岩或河 卵石好 在配合比相似时 用花岗岩和砾石集料的混凝土比用辉绿岩或石灰岩 集料的混凝土强度低得多 这是由于水泥石与集料之间的界面区的结构和粘结 强度的差异造成的 除集料的材质外 使用级配良好 洁净集料 没有泥土及脆弱颗粒 是必 要的 作为细集料 小于 5mm 通常采用中高细度模数 即 2 5 3 0 的天然砂 为好 在颗粒尺寸相同时 作为粗集料用破碎的致密石灰石或深层的岩浆岩 如 花岗岩 正长岩 闪长岩和辉绿岩 通常以得到满意的结果 粗集料的最 大粒径对 HPC 来说以 10 15mm 为最佳 超过 25mm 时 对混凝土强度和抗 渗性不利 由于 HPC 的集料与水泥石界面较强 集料确实是混凝土强度的制 约因素 而在普通混凝土中几乎不考虑这个问题 若采用水泥熟料球作为人造 集料配制 HPC 可能得到高强度和高弹性模量 其原因是产生致密和牢固的集 料 水泥界面区 4 5 外加剂 配制 HPC 不可缺少的是超塑化剂 而普通减水剂达不到 HPC 减水率和提 高工作度的要求 超塑化剂或高效减水剂是阴离子型高分子表面活性剂 通常是萘磺酸盐甲醛聚合物和三聚氰胺磺酸盐甲醛聚合物 这两个系列的超塑 化剂很难说哪个好一些 三聚氰胺系超塑化剂减水率略差一些 但坍落度损失 快 缓凝比萘系小得多 更适合与引气剂复合使用 超塑化剂的掺量为水泥重量的 1 2 对于不同等级的混凝土 随着强度 的增高其掺量增大 市售的超塑化剂产品很多 产品选择通过试验来确定 因 为超塑化剂与水泥和掺合料之间存在相容性问题 超塑化剂对水泥浆有强烈的分 散作用 但是这种作用持续时间不长 因此用超塑化剂配制大流动性混凝土存 在坍 落度随时间损失的问题 解决坍落度损失可采用后掺法 即一部分超塑化 剂在混凝土拌合物运达施工现场后再加入 然后经搅拌进行混凝土泵送 后掺 法虽然有效地解决了坍落度损失问题 但增加了二次搅拌工艺 因此 后掺法 并不是最好的方法 解决坍落度损失的另一种方法是将超塑化剂与缓凝剂 或 缓凝减水剂 组成复合外加剂 这样配制的可满足新拌搅运输 泵送 浇注工 艺过程的要求 5 高强混凝土应用的施工工艺高强混凝土应用的施工工艺 5 1 采用拌合性能好的搅拌设备搅拌 由于高性能混凝土用水量少 水胶比低 拌合时较稠 因此需要采用拌合 性能好的搅拌设备 卧轴式搅拌机或逆流式搅拌机能在较短时间内将其搅拌均 匀 采用其他设备时须经过试验验证拌合物的均匀性 5 2 原材料的计量应尽量准确 制备高性能混凝土时 各种原材料的计量应尽量准确 使出机口拌合物的 工作度稳定 波动小 除对堆料和称量装置有较高要求外 一个重要的控制因 素是 砂石含水量 即使搅拌设备上装有先进的含水量测定及控制设备 操作人 员仍应密切注意正在搅拌的混凝土 在其稠度发生波动时 及时加以调整 5 3 运送应用罐车和泵 高性能混凝土运输与浇筑宜采用罐车和泵送 用手推车运输及浇筑时不仅 操作困难 而且也无法进行外加剂的后添加 5 4 浇筑后湿养护 由于高性能混凝土的水灰比小 通常泌水少或不泌水 因此 须在浇筑后 立即进行湿养护 以防止塑性收缩裂缝的产生 由于其胶凝材料用量较大 为 防止内外温度过大出现温度裂缝 必须