J高性能混凝土(讲件)

1、高性能混凝土一 高性能混凝土的发展背景 目前，我国的混凝土生产量约为12亿立方米，约占全 世界的40%，位居世界首位。 存在问题方面： 安全性、耐久性安全性、耐久性。 近年来，混凝土的耐久性问题受到政府相关部门及业内的高度重视，混凝土结构的安全性及耐久性，陆续被立项研究。 1、“九五”期间，在国家计委、国家科技部的支持下，由原国家建材局组织、中国建筑材料科学研究院牵头，针对影响混凝土耐久性的主要因素，开展了跨部门、跨行业的联合攻关，取得了大量具有国际领先或国际先进水平的科研成果，推动了水泥及混凝土材料学科及相关科学技术的发展。 2、“十五”期间，混凝土耐久性的研究工作再次得到国家科技部的高度重

2、视，设立了“十五”科技攻关项目“新型高性能混凝土及其耐久性的研究”，集中力量开展新型高性能混凝土及其耐久性的研究。同时，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的研究”的咨询项目，也主要是在混凝土耐久性方面进行全面攻关。 至此，我国的高性能混凝有了一个全新的发展，推动了我国建筑业的快速发展。我国最早应用高性能混凝土的是1991年广东国贸大厦工程，进入二十一世纪，才建立起“高性能的概念”。近年来，很多铁路桥、公路桥、机场及超高层建筑中均得到推广应用，如：青藏铁路，杭州湾大桥，三峡大坝混凝土等重点工程。 但武广客运专线及部分其它工程的建设才将高性能混凝土结构设

3、计真正意义上得到推广，标志着我国高性能混凝土的成熟意义。 二 高性能混凝土的定义、组成及机理 何谓高性能混凝土？ 我国（吴中伟院士）：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。 高性能混凝土高性能混凝土 高工作度高工作度 高强度高强度 高耐久性高耐久性 可泵送、有掺合料的高强混凝土可泵送、有掺合料的高强混凝土（一） 高性能混凝土的定义 其共同点是：体积稳定性及耐久性体积稳定性及耐久性。 从材料的“性能”的含

4、义而论，既包括力学性能的概念，也还包括了一些非力学性能的概念，如高填充性、不离析、抗渗性、抗侵蚀性、体积稳定性以及耐久性等等。 所以，综合各位学者及我国研究的结果：高性能混凝土主要是在传统的混凝土配制基础上进行了物理与化学性能的改善，掺进了一定比例的矿物掺合料及高效性能的外加剂，在保证混凝土强度的同时，兼顾考虑了混凝土具有良好的施工性、适用性、体积稳定性、耐久性以及经济性。 （二） 高性能混凝土的组成 其主要组成材料有： 水泥 矿物掺合料 粗骨料 细骨料 高效外加剂（超塑化剂）。 1、水泥： 仍然发挥其最原始的胶凝作用，是强度形成的主要成份。 2、矿物掺合料： 机理： （1）填充间隙及形成润滑

5、膜； （2）消纳氢氧化钙，改善过渡区（火山灰反应）； （3）对水泥的分散作用，降低水胶比； （4）延缓初期水化速率，形成低水胶比的有利环境； （5）降低温升，改善徐变能力，减小早期热裂缝； （6）部分掺合料在水泥作用下，发挥一定的胶凝作用。 应用注意： 不同矿物掺合料的掺量应根据混凝土的性能通过试验确定，一般情况下，矿物掺合料参量不宜小于胶凝材料总量的20%。当混凝土中矿物掺合料为粉煤灰，且掺量大于30%时，混凝土的水胶比不宜大于0.45，这主要是出于既要保证混凝土矿物掺合料的作用，又要减少混凝土早期开裂。 3、粗细骨料： 仍然发挥其最原始的框架作用，是构成混凝土结构骨架结构的主要成份。 大颗

6、粒粗骨料的间隙由小颗粒填大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒填充充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充充浆体填充骨料堆积体的空隙并在浆体填充骨料堆积体的空隙并在其表面形成润滑层，使拌合物具其表面形成润滑层，使拌合物具有满足施工需要的工作度有满足施工需要的工作度 使用廉价的颚式破碎机，使粗骨料的针片状使用廉价的颚式破碎机，使粗骨料的针片状 颗颗粒高，空隙率大，质量波动显著，导致混凝土拌粒高，空隙率大，质量波动显著，导致混凝土拌合物的胶凝材料用量明显偏大。合物的胶凝材料用量明显偏大。 粗骨料中粗骨料中5-10mm5-10mm的颗粒很少，不仅增大胶凝材的颗粒很少，不仅增大胶凝材料用量，影

7、响体积稳定性，而且影响混凝土结构料用量，影响体积稳定性，而且影响混凝土结构承受动载时的传荷能力。承受动载时的传荷能力。 4、外加剂（超塑化剂）： 高性能混凝土用外加剂应具有减水率高、坍落度损失小、适量引气、能细化混凝土孔结构、能明显改善或提高混凝土耐久性等性能。 （1）降低单位用水量； （2）重新调整熟料和石膏之间的匹配关系； （3）调整不同外加剂组分之间的适应性； （4）调整不同外加剂同水泥之间的适应性； （5）控制混凝土水化速度，调整其工作性能。 其最基本的强度形成原理仍然适用于高性能混凝土的强度形成过程，但其矿物掺合料及外加剂在整个混凝土强度形成过程中发挥了改善其高性能的重要作用。 1、

8、大颗粒粗骨料构成混凝土的骨架结构； 2、大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒填充； 3、小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充； 4、浆体填充骨料堆积体的空隙并在其表面形成润滑层，使拌合物具有满足施工需要的工作度；（三）高性能混凝土的性能形成机理 （二）高性能混凝土的强度形成机理 5、早期强度由水泥水化完成，后期主要由矿物掺合料填充微小孔隙使混凝土更加密实； 6、部分矿物掺合料在水泥作用下，发挥一定的胶凝作用，是高性能混凝土后期强度增长的主要来源。 7、高效减水剂的掺入，降低了混凝土单位用水量，大大减少了水泥分子周围的自由水，同时，矿物掺合料又填充之间的微小颗粒，吸收部分自由水，大大提高了混凝土的体积稳定性及密

9、实性，从而提高混凝土的耐久性能。 高性能混凝土强度形成示意图 高性能混凝土早期强度形成后，其水泥水化不够完全，混凝土内部仍然有一部分细小孔隙，在后期，该孔隙由超细矿物掺合料填充，最后形成致密的密实结构，提高混凝土内部的密实性，进而保证混凝土的耐久性。 三 高性能混凝土的性能特点 （一） 高性能混凝土具有良好的体积稳定性 （二） 高性能混凝土具有优良的耐久性 （三） 高性能混凝土具有良好的施工性（一） 高性能混凝土具有良好的体积稳定性 混凝土从成型后就开始发生体积变化，由于早期体积变化、硬化过程的体积变化及硬化后的体积变化都会使混凝土不同程度的开裂，如果不能有效地改善混凝土的体积稳定性，则会对其

10、抗渗性及耐久性产生很大的影响。 高性能混凝土由于掺加了一定比例的矿物掺合料及外加剂，控制了水泥早期水化速度，适当降低了早期水化热，使其硬化过程发生了显著变化，其小的水胶比抑制了多种造成混凝土体积变化的因素，大大改善了其体积稳定性。 （二） 高性能混凝土具有优良的耐久性 由于高性能混凝土掺加了一定比例的矿物掺合料及外加剂，使其内部结构发生了显著变化，超细的矿物掺合料不断填充混凝土内部的微小空隙，并部分发生胶凝作用，提高混凝土的后期强度，混凝土内部结构更加密实，大大改善了其抗渗及抗氯离子的能力。而外加剂中的引气剂使混凝土内部均匀分散的微小气泡，在改善施工性的同时，也大大提高了混凝土的抗冻能力。所以

11、不论是抗渗能力还是抗冻能力，都得到了很大提高。考察高性能混凝土的耐久性，主要从以下几个指标进行控制： 1 抗裂性 用于描述高性能混凝土开裂趋势的各种变量。 2 电通量 用于评价高性能混凝土的内部密实程度，是高性能混凝土耐久性的直接反应指标。 3 抗渗等级 用于评价高性能混凝土的密实性及抵抗渗透的能力。 4 含气量 用于评价高性能混凝土拌合物气体含量的多少，反映内部微孔隙的含量问题，间接评价混凝土抗冻能力。 5 抗冻性能 用于评价混凝土的抗冻能力，是混凝土耐久性的直接反应指标。 6 其它性能 如抗碳化、徐变收缩等 （三） 高性能混凝土具有很好的施工性 高性能混凝土中掺加的一定比例的矿物掺合料形成

12、的润滑膜及超塑化剂引气的均匀微小气泡，都极大的提高了混凝土的和易性，可泵性，大大改善了其工作性能。 大量试验证明，高性能混凝土本身具有很好的坍落度与扩展度，并且，1h后的坍落度损失基本在1020mm，完全能够满足施工运距远的要求。 但值得注意的是，高性能混凝土中的外加剂本身掺加了一定掺量的引气剂，使之具有了一定比例的含气量，所以要求在施工时，必须振捣到位使之密实，否则，外观质量很难予以保证，主要表现在拆模后，表面气孔太多。 四 高性能混凝土的设计理念及原则 1 选用合适原材 2 采用低水泥用量、低水胶比的设计原则 3 严格控制混凝土中的总碱含量、氯离子总含量等 1 选用合适原材 高性能混凝土的

13、配制必须对所用原材料进行严格筛选，所选用的原材料必须是适宜于配置高性能混凝土的合格原材料，高性能混凝土不是单纯的追求高强度和短期目标，更多的考虑的是耐久性指标。 如水泥在追求细度的同时要兼顾早期水化热的要求，外加剂在追求高减水率的同时要兼顾坍落度损失的要求，粉煤灰在追求细度的同时还要兼顾内部结构不被破坏而失去润滑作用的要求，碎石在满足级配要求的同时还要兼顾空隙率的要求，砂子在满足细度模数的同时还要兼顾区间的要求等等，各种原材料都要兼顾考虑耐久性指标的要求。 (1) 水泥 水泥宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，有耐硫酸盐侵蚀要求的混凝土也可选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥或高抗硫酸盐硅酸盐水泥，不宜采用

14、早强水泥。 硅酸盐水泥 = 熟料+适量石膏磨细而成。熟料的主要成分有：C3S；C2S；C3A；C4AF。 C3S的水化速度较快，水化发热量较大；C2S的水化速度很慢，水化发热量最小；C3A的水化速度最快，水化放热量最大，水化物强度最低，干缩最大，过分追求早强必然牺牲耐久性能。 (1) 水泥 在目前生产工艺条件下，提高水泥强度，实际上只是增加C3A与C3S含量，并提高比表面积。实践表明，早期强度很高的混凝土14天以后的强度几乎不再增长，长期强度甚至倒缩。而且，这样会很容易造成混凝土的早期开裂，降低混凝土的耐久性。 所以，配合比选用的水泥，必须严格控制C3A的含量，用于预应力梁的混凝土的水泥中C3

15、A的含量不应大于8%，在强腐蚀环境下不应大于5%。 另外，水泥中的的含碱量也必须得到严格的控制，以预防碱骨料反应，并 控制混凝土的开裂倾向。 防止碱促进混凝土开裂，水泥中的碱含量应不超过0.60%，最大不超过0.80%。C40及以上混凝土用水泥的碱含量不宜超过0.60%。 (2) 矿物掺合料 矿物掺合料应选用品质稳定的产品。矿物掺合料的品种宜为粉煤灰、磨细粉煤灰、矿渣粉或硅灰。 混凝土主要由水泥基相、分散粒子和界面过渡层三个要素组成。界面过渡层是指硬化水泥浆（水泥基相）和骨料（分散粒子）之间的部分。骨料形成的空隙对混凝土的强度、抗渗性、抗氯离子和抗冻性都有不良影响。因此高性能混凝土必须使骨料的

16、空隙越少越好。而矿物掺合料由于本身是超细粉的粒子，所以能够抑制和改善过渡层。 (2) 矿物掺合料 从混凝土的组成看，矿物掺合料主要发挥了其填充效应及流化效应。 由于矿物掺合料（超细粉）的粒子水泥颗粒粒子，所以填充水泥颗粒之间的空隙，能使胶凝材料的密实度提高。胶凝材料加水硬化后的密实度、强度也有提高，对其耐久性具有很大的改善与提高。 在矿物掺合料填充效应基础上，以一部分超细粉取代水泥，水泥空隙中的一部分水分被超细粉挤出来，能使净浆流动度增大。 所以，在矿物掺合料的选用上必须注意矿物掺合料的细度等重要指标的控制。 (3) 细骨料 细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然河砂

17、，也可选用采用专门磨机机组生产的人工砂，不宜使用山砂，在不具备可靠冲洗条件的情况下不得使用海砂。 细骨料必须严格控制其有害物质含量，尤其是含泥量、泥块含量、氯离子含量、硫化物及硫酸盐含量。 (3) 细骨料 在配制高性能混凝土时，相关技术指标都较普通混凝土提高一个标准点（大部分指标都提高一倍），这主要是考虑有害物质对混凝土耐久性有着至关重要的影响，所以在生产时必须予以严格控制。 试验证明，采用洁净的天然区中砂配置高性能混凝土最为适宜，且细度模数应控制在2.63.0之间，用于梁部的C50混凝土其细度模数最好不低于2.7。配置高性能混凝土对细骨料含泥量及泥块含量的要求相对较高，因为泥对外加剂充分发挥

18、其作用及效果会产生不良影响，所以必须严格控制。 (4) 粗骨料 粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线帐系数小的洁净碎石，也可采用碎卵石，不宜采用砂岩碎石。 粗骨料的母材应材质均匀，无风化的坚硬岩石，单轴抗压强度为不小于混凝土强度等级的2倍。破碎方式不得采用鄂式破碎方式，必须采用反击破破碎方式，严格控制粗骨料中针片状颗粒含量及软弱颗粒含量，保证连续级配中具有较小的空隙率。 粗骨料应采用二级或多级级配按一定比例掺配的连续级配，其松散堆积密度应大于1500kg/m，紧密空隙率宜小于40%，吸水率小于2%（用于干湿交替或冻融环境条件下的混凝土应小于1%）。采用二级或多级级配可以克服粗骨料级

19、配不好的情况，更为容易达到高性能混凝土所需的碎石级配要求。 (4) 粗骨料 高性能混凝土用粗骨料必须严格控制粗骨料中有害物质的含量，特别是含泥量、泥块含量、氯离子含量等有害物质的含量不得超标。 选用高性能混凝土用粗骨料之前必须进行母岩强度、压碎指标及粗骨料的碱活性试验，首先采用岩相法检验，若粗骨料含有碱硅酸反应活性矿物，其砂浆棒膨胀率应小于0.10%，否则应采取抑制碱骨料反应的技术措施，不得使用具有碱碳酸盐反应活性的骨料。 (5)外加剂（超塑化剂） 外加剂应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品。并且，外加剂必须与所选水泥具有良好的相容性。 外加剂在整个高

20、性能混凝土配制理念中起着至关重要的作用，是减少用水量、降低水胶比，并减少坍落度损失的主要化学材料。目前，聚羧酸系列高效减水剂是用于高性能混凝土的首选外加剂，它克服了萘系高效减水剂坍落度损失快的缺点。 外加剂注意含碱量的控制，防止混凝土含碱量超标，造成碱集料反映。 (6)拌和用水 拌合用水可采用饮用水，才采用其它水源时，使得品质应符合规范标准。拌合用水不得采用海水。 拌合用水中的氯离子含量也需进行严格控制，当混凝土处于氯盐环境时，拌合水氯离子含量应不大于200mg/L；对于使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，拌合水氯离子含量不得超过350mg/L。 在原材料选定前，必须对各原材生产厂家进行严格

21、考察，尽量选择建厂时间早、生产量大、技术先进且质量稳定的生产厂家，以保证在整个混凝土生产过程中的原材质量稳定性。厂家选定后，必须让厂家做出产品质量保证承诺，并对厂家建立的质量保证措施进行评估，将所有不合格因素消灭在出场之前。 值得注意的是，在高性能混凝土生产时，整个质量控制过程中，当属骨料含泥量的控制最难控制，骨料生产厂必须安装冲洗设备，并保证有足够用水量的水源，以保证冲洗工序的落实。 2 采用低水胶比的设计原则 为提高高性能混凝土的耐久性及工作性，减少混凝土中的水泥用量，用一定比例的矿物掺合料代替水泥，可以有效减少混凝土由于温度收缩和干缩产生的开裂。 由于矿物掺合料及外加剂的原因，高性能混凝

22、土的用水量大大减少，水胶比大大减小，形成有利的小水胶比有利环境，提高混凝土的体积稳定性，根据不同的设计强度等级，同时可以降低水泥用量，到节约成本的目的。 但由于混凝土的使用环境（主要分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境及磨蚀环境，每种环境又根据环境条件特征划分了不同的环境作用等级）及设计使用年限不同，一些技术规范对最大水胶比及最小胶凝材料用量作了相应的规定。 3 严格控制混凝土中的总碱含量跟氯离子总含量 严格控制高性能混凝土中的总碱含量跟氯离子总含量，可以有效地抑制混凝土的碱集料反应，提高混凝土的耐久性。 其计算方法是： （1）总碱含量的计算： 混凝土的总碱含量包括水泥、矿物掺合

23、料、外加剂及水的碱含量之和。其中，矿物掺合料的碱含量以其所含可溶性碱计算。粉煤灰的可溶性碱量取粉煤灰总碱量的1/6，矿渣粉的可溶性碱量取矿渣粉总碱量的1/2，硅灰的可溶性碱量取硅灰总碱量的1/2。 混凝土最大碱含量见表1。 表表1：混凝土最大碱含量：混凝土最大碱含量(kg/m)使用年限级别一（100年）二（60年）三（30年）环境条件干燥环境3.53.53.5潮湿环境3.03.03.0含碱环境/3.03.0 （2）氯离子总含量的计算： 混凝土的氯离子总含量包括水泥、矿物掺合料、粗骨料、细骨料外加剂及水的所含氯离子含量之和。 钢筋混凝土中氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.10%，预应力混凝土

24、的氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.06%。 五 高性能混凝土的施工 1. 施工前检验施工前进行的混凝土原材料品质以及耐久性检验。 2. 施工过程检验施工过程中原材料品质抽检、现场混凝土拌合物性能检验以及施工现场抽取的混凝土耐久性试件检验。 3. 施工后检验施工后对结构物表面强度、渗透性以及裂缝进行检测。 高性能混凝土的施工相对于普通混凝土的施工有了更为严格的要求。一方面由于高性能混凝土自身有着优越的施工性能，容易给施工人员带来松懈警惕的假象；再者，为满足耐久性的设计目的，高性能混凝土施工的一些主控指标得到改进与提升。所以，高性能混凝土从拌制到养护都有相应的新规定。 高性能混凝土施工前，相

25、关技术人员应充分熟悉相关的技术标准规范，以及相关的操作规程，制定相关的实施细则，严格按照相关标准及工艺流程施工，下面为高性能混凝土施工的注意要点： （一）高性能混凝土的生产 为保证高性能混凝土的生产质量，应建立满足施工生产需要的混凝土拌和站，以商品混凝土的标准生产高性能混凝土，场地必须硬化，计量系统必须精确，设备稳定性较好，材料存储满足生产和设计要求。 高性能混凝土中掺加的外加剂，需要在混凝土被强制搅拌中分散其离子，以达到最佳状态，所以为了更有效的发挥外加剂的作用，搅拌机必须采用强制式搅拌机，搅拌时间也不宜过短，一般为1.5min。 拌制高性能混凝土前，必须对称量仪器进行校核，对胶凝材料、水、

26、外加剂的称量误差为1%，粗细骨料的称量误差为2%。（一）高性能混凝土的生产 对于投料顺序一些规范文件也作了相关的规定，但可以根据实际情况作出具体规定。应先投放细骨料、水泥和矿物掺合料，搅拌均匀后加水并将其搅拌成砂浆，再向搅拌机投入粗骨料，充分搅拌后再投入外加剂，并搅拌均匀。但一般情况下，投料顺序为：先投放细骨料、粗骨料水泥和矿物掺合料，搅拌均匀，后把外加剂加入水中，再投入搅拌机，充分搅拌至均匀。 在生产过程中，必须有专人严格监控，以保证正确使用原材，计量准确，搅拌充分，产品合格。 操作人员必须严格执行试验室开出的施工配合比，混凝土经检验合格后方可出场，试验人员必须按检验频率严格检验，并严格监控

27、混凝土的生产及浇注。（二） 高性能混凝土运输 高性能混凝土种的外加剂是在不断的流动状态下完成其分散离子的效应的，所以，在运输过程中能让混凝土始终处于流动状态，则对高性能混凝土的高工作性更为有利。 高性能混凝土本身的保坍性能较好，但一般不宜超过2小时，如有特殊需要，可调整外加剂，以满足混凝土现场停留时间长的需要。（二） 高性能混凝土运输 对于夏季及冬季施工，混凝土运输车辆罐体应用帆布包裹，以避免阳光直射造成混凝土温度太高或保温以免混凝土温度太低。 在运输过程中，严禁向混凝土中加水，如若停留时间过长，坍落度损失较大，应由专业技术人员根据相关规定进行调整处理，若无法调整的，严禁用于施工，应当报废。

28、（三） 高性能混凝土的浇注 高性能混凝土在浇注方面主要的需要注意的问题有以下几个： 1、浇注时，必须严格控制钢筋保护层厚度。因为耐久性结构设计除高性能混凝土外，还有一项重要指标就是钢筋保护层厚度，这直接关系着该结构的使用年限。 2、混凝土入模前，应采用专用设备对混凝土的坍落度、温度、含气量、泌水率等指标进行检验，合格后方可入模浇注。 3、从高处倾卸混凝土时，高度不能超过2m，否则要通过串筒、溜管或振动溜管等辅助设施辅助下落。（三） 高性能混凝土的浇注 4、混凝土最大摊铺厚度应控制在400mm600mm，对于大体积混凝土必须分层浇注，振捣密实后才可进行下步浇注，分层间的浇注时间间隔不得超过90m

29、in，不得随意留有施工缝。 5、入模温度需严格控制，应控制在530。 6、高性能混凝土在浇筑前，应根据不同的施工季节、不同的施工部位及不同的施工工艺进行实施细则的制定，以满足施工需要。（四） 高性能混凝土的振捣 高性能混凝土可采用插入式振动棒、附着式平板振动器、表面平板振捣器等振捣设备振捣密实，但常见的且适宜采用的是插入式振动棒振捣，由于高性能混凝土本身具有一定的含气量，所以，为了保证良好的外观质量，必须严格按要求振捣，排除大气泡，振捣密实。尤其注意边模处的振捣，但注意防止过振。（四） 高性能混凝土的振捣 插入式振捣应注意： 1、应按照“快插慢拔”的原则进行振捣。 2、相邻振捣点位的间距应根据振动棒的规格型号进行确定，一般不超过30cm，距离模板的距离510cm。 3、振捣时间1020s，根据大气泡的排出量进行确定，但注意不过振，不漏振。 4、插入式振捣，宜采用垂直点振方式振捣，换位时拔出换位，不得在拌和物内平拖，也不得用振动棒平拖混凝