高性能混凝土在高速铁路工程中的应用【ppt课件】

覃维祖19601966年 清华大学土木建筑工程系建筑材料专业学习19681977年 四川攀枝花第十九冶金建设公司（工程公司工作5年；建研所工作5年）19771993年 交通部公路科研所工作 （19871988年到法国路桥研究院进修）19932006年 清华大学任教近年研究方向：高性能混凝土及其工程应用；混凝土结构的开裂及防治; 混凝土路面材料与工程；新型胶凝材料及应用,高性能混凝土在高速铁路工程中的应用,清华大学 土木工程系 覃维祖,贵广铁路高性能混凝土施工技术讲座原材料与混凝土配制胶凝材料（水泥、矿粉与粉煤灰）品质控制粗细骨料品质控制碱活性骨料的预防与补救措施胶凝材料与聚羧酸系减水剂的适应性高性能混凝土与耐久性混凝土的区别,混凝土施工生产方面问题,、人工砂（机制砂）在高性能混凝土应用，石粉含量的控制。 、高性能混凝土中的矿物掺和料为什么要双掺不单掺？矿粉与粉煤灰在高性能混凝土中起到的主要作用是什么？为什么又不选择硅灰？ 、喷射混凝土（初支）按高性能混凝土验收是否合适,一、引言 什么样的混凝土是高性能混凝土？,HPCHigh Performance concrete,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。,HPC的由来,术语：高性能混凝土,High Performance concrete,Performance Properties表演、执行 性质、特性 性能,定义,高性能混凝土具备需要的性能和匀质性的混凝土。按常规靠采用传统的组分材料、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能得到这种混凝土的。第一次国际高性能混凝土研讨会（1990）,报道者的举例：,这些性能，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。,Nicholas J. Carino, James R. Clifton. High performance concrete: research needs to enhance its use. CI. Sept 1991.,定义,高性能混凝土满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。按惯常做法，用普通的组分材料和一般的搅拌、浇注与养护操作，不可能获得这种混凝土。 美国混凝土学会技术委员会 （1998）,注释：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度 韧性在服务环境中运行寿命长久,高工作度 高强度 高耐久性 可泵送的高强混凝土 掺有矿物掺和料的混凝土 低水胶比的混凝土,高性能混凝土存在认识误区,整体论与还原论,科学思想分为两大派系，整体（综合）论与还原（分解）论，过去整体论用得最普遍中医辨证施治可为一例。近代科研手段精进，还原论用得更为普遍。即将科研对象还原或分解到可能达到的最小单位，进行具体的量化研究，还原论对当代自然科学与技术科学的发展已产生很大作用，但缺点是分得愈细，愈易脱离整体和实际，因此无法从整体来全面有效地解决问题或认识事物的本质。,吴中伟 绿色高性能混凝土与科技创新 建筑材料学报 第1卷第1期 1998年3月,高性能混凝土与耐久性混凝土的区别？,两个完全不同的概念：耐热混凝土透水混凝土泡沫混凝土,使用泡沫混凝土填充的桥基差异沉降曲线,沉降量,S,桥基间差异沉降,鸟巢旁泡沫混凝土施工实例,工作度 Workability,1）碾压混凝土 拌合物需要足够地干硬以支撑非常沉重的振动压实机械不致下陷而正常地行进和工作。2）滑模摊铺混凝土 拌合物需要具备适当的坍落度（25cm），使摊铺机正常地行进和工作。3）自密实混凝土 拌合物的流动性和粘聚性良好，在没有外加振捣的条件下能够成型密实。,高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。 20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律，即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。,高强混凝土与开裂,洞庭湖桥,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并延伸到表面，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,混凝土劣化的“整体性”模型,混凝土开裂-结构耐久性的整体论,1）结构周围环境，包括冷热循环、干湿循环的作用，是荷载以外导致混凝土开始劣化，因此也是影响混凝土结构耐久性的决定性因素； 2）混凝土体内的微裂缝和孔隙相互连通并延伸至表面，形成使外界侵蚀性介质，首先是水分向内迁移的通道； 3）钢筋锈蚀、冻融循环或者碱-骨料反应、硫酸盐侵蚀，并不直接影响结构物的耐久性；而外界水分进入，上述反应产物吸水膨胀，引起混凝土强度和刚度降低、剥落与整体性丧失、微裂缝继续延伸和扩展，才是使结构逐步破坏的根本原因。,西直门桥,高速铁路建设对混凝土性能的要求,混凝土工程高质量强度： C25 C50耐久性,二、高性能混凝土的配制,1. 粗细骨料 粗骨料级配 （510mm:1025mm) 细骨料：人工砂 （石粉含量；含泥量） 骨料品质评价：混凝土单方用水量 从耐久性观点出发，直接控制拌合物最大允许用水量是很必要的。,2. 水泥 水泥标号与混凝土强度？ 水泥仓温度 水泥存放时间 水泥与减水剂相容性（混凝土单方用水量）,强度方程：,fcu.k = A fce ( C/W B ),fcu.k混凝土配制强度,fce 水泥标号（实际强度）,C/W灰水比,A,B 系数,3. 矿物掺合料掺用目的？双掺作用 种类：粉煤灰、磨细矿渣（磷矿渣） 、硅灰 粉煤灰 改善和易性 降低浇筑温度、水化温升,Sunshine Skyway Bridge美国佛罗里达州,分段拼装预应力斜拉桥,Sunshine Skyway Bridge across Tampa Bay-4.2mile long,在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构，包括预应力构件的混凝土中，必须掺用粉煤灰。其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为18 50%佛罗里达州运输局规范S-346 1983年修订,海港工程混凝土防腐蚀技术规范 交通部行业规范（2001年5月1日起执行）,在受侵蚀作用严酷环境中应采用高性能混凝土粉煤灰 掺量 2550（%）磨细矿渣 5080硅粉 510,加拿大矿产与能源技术中心（CANMET）大掺量粉煤灰混凝土,水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 掺引气剂和高效减水剂，含气量=56% 坍落度200mm 混凝土的抗压强度：28天 3040MPa 90天 4050 1年 5060,掺有辅助胶凝材料的高强混凝土强度发展特性,P.Read, G.G. Carette, and V.M.Malhotra CANMET 第二届“高强混凝土的应用”国际研讨会论文集（1990）,拌合物的配合比（kg/cm3）,组分 水胶比 水 水泥 矿渣 硅粉 粉煤灰 石 砂,1 CSSi 0.29 143 315 135 35 1142 7442 CS 0.28 133 317 167 1145 749 3 C8Si 0.27 130 449 39 1149 7584 C12Si 0.27 132 427 59 1139 7545 CF 0.29 102 150 200 1222 8116 C 0.27 130 485 1143 762,掺/不掺粉煤灰混凝土的强度发展比较,8.321.933.754.769.580.797.5,44.452.558.570.185.094.6100.8,龄期 试件（1530cm） 构件(0.52.51.5m）,1 d 3 d 7 d28d91d182d365d,掺 不掺 掺 不掺,*24.329.952.187.592.198.2,38.750.849.057.276.280.286.5,大掺量粉煤灰混凝土研究,内蒙元宝山1级粉煤灰、北京2级粉煤灰水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 掺高效减水剂，水胶比 0.30 0.38R3= 30MPa; R28= 50MPa; R1y = 80MPa;,粉煤灰混凝土的应用,公路工程建设中，自1994年初以来由广东省筑路机械租赁公司在广-花、深-汕、广-湛、京-珠粤北段等四条高速公路近100km工程施工中掺有粉煤灰2047.5%，取得明显改善滑模摊铺路面的质量（提高路面宏观平整度、消除裂缝）、减小进口设备损耗、降低工程造价、节约水泥的综合效益。,粉煤灰混凝土的应用,在建筑工程中，我们与北京城建集团总公司构件厂合作，在自密实混凝土中掺用30 45% 粉煤灰作为增粘剂，保证了这种混凝土有足够粘聚性，不致发生离析与泌水现象，而且可在数小时里几乎没有坍落度损失，满足长途运输后仍然能够自密实的效果。该成果于1998年12月获得北京市科技进步三等奖。,维持千年整体基础的建造,中央电视台大厦底板混凝土浇注,混凝土总用量12万方，分多次浇注，最大一次底板厚度为7m，混凝土用量为38000m3，世所罕见。,施工技术杂志2006年第9期有4篇文章详细报道,杭州湾大桥承台海工HPC,武汉“中交集团桥梁工程重点试验室”提供,2. HPC的作用机理,混凝土的结构与性能,大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒粗骨料填充；小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充；浆体填充粗细骨料的间隙并包裹形成润滑层，以满足浇注成型时的工作度要求,大石子,小石子,小石子,小石子,小石子,砂子,水泥,重视骨料的品质,骨料占混凝土体积70以上，但其品质常被忽略。对配制HPC 尤为重要。 通常认为骨料越坚硬，配制混凝土越好。事实上，骨料的颗粒形状、级配对空隙率影响影响包裹骨料和形成润滑膜的浆体量，从而影响HPC的各种性能。 国内的破碎设备普遍落后，使粗骨料片针状颗粒多，级配不好（510mm的颗粒很少），是应用HPC必须解决的首要问题，只有大幅度改善骨料品质，才能配制出合格的HPC 。,矿物掺和料在混凝土中的作用,1）填充作用：与水泥一起填充骨料的间隙并形成润滑膜。2）改善过渡区：消纳氢氧化钙，改善过渡区，同时生成具有胶凝性产物（火山灰反应） 。3）分散作用：对水泥起分散作用，在低水胶比下改善水泥的水化环境。4）改善抗裂性能：延缓早期强度发展速率，改善混凝土抗裂性能。,1）填充作用,由于粉煤灰的颗粒形状呈球状，在浇注和泵送时的润滑作用良好，实践表明：坍落度为100mm左右大掺量粉煤灰拌合物就显示良好的泵送性能。 粉煤灰的密度只有水泥的2/3左右，因此以大掺量粉煤灰代替水泥时，可以明显增加粉体的体积在保持浆体体积不变时，可以大幅度减小用水量，降低混凝土水胶比。 而磨细矿渣的密度与水泥接近，虽然颗粒主要为玻璃体，但它无论以多大掺量代替水泥时，都不改变浆体需水量，因此不能降低拌合物水胶比。,fc K1 / K2w/c,1918年Abrams 提出水灰比定则：,众所周知，水灰比越大、混凝土的强度越低，抗渗透性也越差；但多数人却忽略了掺有矿物掺和料的混凝土，水胶比和混凝土强度存在类似的关系。,抗压强度,振捣,手工插捣,充分捣实的混凝土,未充分捣实的混凝土,粉煤灰和水泥对强度的贡献 与水胶比和龄期的关系,骨料的质量一定，空隙率就一定，包裹骨料并形成润滑层的浆体量就确定。 需要的浆体量越大，意味着用水量多，或者水泥用量大。,C 30 掺粉煤灰混凝土配合比设计示例(kg/m3),粗骨料最大粒径40mm的C30混凝土,水泥占体积 350/3.15= 110 水 175 浆体体积 285（升）,大掺量粉煤灰混凝土研究,内蒙元宝山1级粉煤灰、北京2级粉煤灰水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 掺高效减水剂，水胶比 0.30 0.38R3= 30MPa; R28= 50MPa; R1y = 80MPa;,C 30 掺粉煤灰混凝土配合比设计示例(kg/m3),150 200 1220 680 1.6 105 0.30,粗骨料最大粒径40mm的C30普通混凝土,水泥占体积350/3.15= 110 水 175 浆体体积 285（升）,粗骨料最大粒径40mm的大掺量粉煤灰混凝土,水泥占体积 150/3.15 = 48粉煤灰 200/2.18 = 92 水 105 浆体体积 255（升）,粗骨料最大粒径40mm的掺粉煤灰混凝土,水泥占体积 280/3.15 = 88.8粉煤灰 70/2.18 = 32 水 175 浆体体积 295（升）,上例说明：当粉煤灰掺量少时，混凝土的水胶比降不下来，影响粉煤灰作用的发挥。而大掺量粉煤灰混凝土中，单纯粉煤灰的减水率达到40，超过任何高效减水剂的减水效果！,矿物掺和料与氢氧化钙发生火山灰反应，生成与水泥水化反应产物相同的、具有胶凝性的产物（C-S-H凝胶），不断填充过渡区的空隙，使其更加密实，从而可以提高混凝土的强度，降低渗透性，改善耐久性。,2）改善过渡区,裂缝扩展的路径和方向,骨料,水泥石,骨料周围的过渡区,薄弱的过渡区,骨料,水,可见泌水,内泌水,骨料,过渡区,水泥石本体,C-S-H,CH,钙矾石,骨料,氢氧化钙,钢筋,沉降裂缝,水囊,混凝土表面,混凝土沉降形成的缝隙,钢筋,混凝土,钢纤维,双膜,氢氧化钙,水泥浆本体,多孔层,为了满足建设市场的需要，水泥厂商不断提高水泥的活性和粉磨细度，现今的水泥水化并放热迅速，使混凝土构件即使断面尺寸不多大，也会出现明显的温升；同时，水泥的散装运输方式进一步提高了混凝土拌合物的初温，又反过来加剧水泥的水化放热和强度发展速率。,3）温度参数的影响,不同胶凝材料配制出混凝土的温度变化历程曲线,不同胶凝材料配制出混凝土在(a)标准养护条件及(b)与结构温度发展历程相同养护的强度发展,强度发展评价（尤其适用于配合比和张拉、拆模时间预测）,温度检测、发送与采集和匹配养护 Temperature measurement, transmit, collection and TMC,T,t,现场,试件,加热装置,电脑,发送装置,接收装置,测温点,养护箱,转发装置,大掺量粉煤灰混凝土配合比范例(kg/m3),注：寒冷环境下掺用引气剂； 坍落度 100mm或水胶比 0.4时，掺用高效减水剂。,V. M .Malhotra and P. K. Mehta., High Performance HVFC(2nd edition) . Jan,2005.,掺超细石粉混凝土配合比（kg/m3）,聚羧酸减水剂的应用,四、高性能混凝土的施工,高性能混凝土具备需要的性能和匀质性的混凝土。按常规靠采用传统的组分材料、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能得到这种混凝土的。 高性能混凝土国际研讨会（1990）,1. 拌和与工作度检测、评价2. 运输与浇注3. 养护4. 拆模,HPC组分多，比较粘稠，搅拌设施和时间良好，保证拌和充分均匀非常关键1）必须采用卧轴或行星式等搅拌机拌合HPC，并精心维护，以保证其长期拌和均匀的效果；2）拌和时间不应过长，尤其是热天，以免拌合物吸热升温，必要时采用预冷措施尽量降低初温；3）拌和时禁止因感觉粘稠而随意增大用水量（水胶比变化是造成拌合物离析、泌水、粉煤灰上浮重要原因）；4）宜采用坍扩度或倒坍落度检测控制工作度。,1. 拌和与工作度检测、评价,2. 运输、浇注与振捣,1）HPC拌合物运输和浇注过程禁止加水（会破坏拌合物的匀质性，使其易于泌水、离析分层，丧失需要的性能）； 2）热天拌合物运输时罐车应注意隔热降温，注意拌合物初温高低对硬化混凝土性能影响显著； 3）冷天运输时一般无需保温； 4）振捣时应避免平拖振捣棒，造成局部过振。,混凝土浇注温度,允许混凝土浇注温度 (CSA A23.1-04，表14 ),注：1）HPC的浇注温度任何情况下不得超过25； 2）浇注温度应尽可能接近上表中的最小值；温度高使拌和水增多、坍落度损失增大，且温度收缩加剧。,注：1）交货温度20或更低可以通过以冰作为拌和水或用液氮冷却混凝土； 2）当结构断面属于大体积混凝土时，浇注温度应限制更低； 3）这种混凝土的质量和强度、服务寿命主要取决于基体的质量。高温和温度梯度大，引起快速水化和微裂缝，会使质量降级； 4）如最高温度和温度梯度超过一定限度，可能产生宏观裂缝与微裂缝，使强度和耐久性劣化。根据近年加拿大的工程经验，交货时可以容许绝对最高温度为25；最好是20。,CSA A23.1-04,8.5 高强混凝土8.5.5 温度 应限制混凝土水化过程温峰为70。,Liquid nitrogen being used to cool concrete,混凝土浇注温度高的影响,由于水泥以散装方式运输，以及经粉磨的水泥迅速出厂，使国内的水泥进入搅拌机时温度非常高，尤其是夏季，常达到90以上，甚至超过100。 如此高温的水泥，使搅拌出来的混凝土往往高达35以上，即使用碎冰代替部分搅拌用水并向骨料堆喷淋冷却。,方式：外养护,1）喷雾、喷洒延缓蒸发剂： 2）覆盖湿草袋、麻袋保湿； 3）喷洒养护剂（乳化石蜡）保湿； 4）覆盖塑料膜、塑料垫，保温保湿； 5）遮阳棚、遮风棚； 6）覆盖泡沫塑料或矿棉毡保温。,3. 养护与拆模,内养护,1）预湿多孔骨料、人造轻骨料；2）掺预湿高倍吸水剂,养护方式,内养护 Inner Curing,良好的内养护作用,养护方法预防塑性收缩裂缝,构件种类：水平板（上表面暴露面积大） 表面蒸发及早覆盖 薄板（如楼板） 塑料膜布覆盖 厚板（如底板） 升温阶段（覆盖草袋、麻袋并喷雾以降低温峰） 降温阶段（撤掉草袋、麻袋并覆盖塑料膜布保温）壁板、梁、厚板侧面等）沉降、泌水,外养护,在低温季节施工时，出于混凝土体内外温差超过25就可能会出现开裂的担心，长期以来普遍采取的方法是混凝土浇注后立即覆盖保温养护，这也是水工大坝混凝土施工一向使用的方法。这种方法很适宜于水