高性能混凝土知识讲座

1、主讲人：王起才 教授兰州交通大学高性能混凝土配合比施工工艺及质量控制措施 高性能混凝土基本知识高性能混凝土基本知识 高性能混凝土原材料选用高性能混凝土原材料选用高性能混凝土配合比设计高性能混凝土配合比设计 影响高性能混凝土质量的因素及控制措施影响高性能混凝土质量的因素及控制措施 干燥、大风、大温差环境对高性能混凝土干燥、大风、大温差环境对高性能混凝土质量影响及控制措施质量影响及控制措施 高性能混凝土基本知识高性能混凝土基本知识 对高性能混凝土比较公认的定义是：以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，有重点保证其工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。因此，高性能混凝土与传统的混凝

2、土相比，其特点特点是： 由传统的水泥、砂、石、水等四组分改变为必由传统的水泥、砂、石、水等四组分改变为必须添加化学外加剂和矿物掺合料后的六组分，水泥须添加化学外加剂和矿物掺合料后的六组分，水泥用量减少，用水量降低。用量减少，用水量降低。 实现高性能混凝土的技术途径低 水 泥 用 量 ，掺 矿 物 掺 合 料体 积 稳 定 性降 低 温 升高 效 减 水 剂施 工 性低 水 胶 比减 少 泌 水 和 离 析 ， 增 加 流 动 性优 化 颗 粒 级 配密 实 成 型 ， 以避 免 施 工 缺 陷增 加 致 密 性 、提 高 抗 腐 蚀 性避 免 温 差 裂 缝发 挥 掺 合 料 作 用耐 久 性

3、减少干缩 高性能混凝土原材料选用高性能混凝土原材料选用1、水泥、水泥2、矿物外加剂、矿物外加剂3、化学外加剂、化学外加剂4、细骨料（砂子）、细骨料（砂子）5、粗骨料（碎石、卵石）、粗骨料（碎石、卵石）1、水泥、水泥 水泥是一种水硬性胶凝材料，不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，并保持和发展其强度。水泥是混凝土的核心成分，它是混凝土结构中起决定性作用的成分。水泥的矿物成分及其与性能的关系水与水泥的关系水泥与高性能混凝土的关系a. 水泥的矿物成分及其与性能的关系水泥的矿物成分及其与性能的关系硅酸三钙3CaOSIO2 (C3S),含3760%，是决定水泥标号的最主要矿物。硅酸二钙2CaOSIO2

4、 (C2S),含1537%，水化热小，耐腐蚀性好，早强低。铝酸三钙3CaO AL2O3 （C3A），水化热最大，抗硫酸盐腐蚀性最差，早强高。铁铝酸四钙4 CaO AL2O3 Fe2O3 （C4AF），各种性能适中。f-CaO，MgO ，过烧氧化钙和氧化镁，会造成水泥体积安定性不良，造成构筑开裂、破坏。Na2O，K2O ，会造成碱骨料反应，使混凝土胀裂，危害很大。各成分与性能的关系矿物成分强度水化热耐腐蚀性收缩变形水化速度C3S高较大中中快C2S早低后高最小最好较大最慢C3A最低最大最差最大最快C4AF中中较好较小快b. b. 水与水泥关系水与水泥关系水的作用水的作用 水泥本身不具有强度，必须在

5、与水发生化学反应后才能具有强度。水泥的水化产物水泥的水化产物 水化硅酸钙70%，氢氧化钙20%，水化硫铝酸钙7%，其他3%。水泥水化所需水量水泥水化所需水量 水泥全部水化需23%用水量，水泥在28天时水化仅为60%左右，而水泥全部水化需30年以上。拌混凝土时加水量，往往是施工要求，而不是水泥水化需要。 a）搅拌 b）凝结 c）硬化 硅酸盐水泥的水化过程示意图 （1） （2） 水泥水化的电子显微照片（1）水化硅酸钙纤维和毛细管孔隙 （2）放大后的水化硅酸钙纤维普通混凝土内部形貌c. c. 水泥与高性能混凝土的关系水泥与高性能混凝土的关系 根据高性能混凝土的特点，从国内实际情况出发，选用的水泥应具

6、有足够的强度，同时具有良好的流变性，并与目前广泛应用的高效减水剂有很好的适应性，比较容易控制坍落度损失。配制较高强度高性能混凝土不一定必须使用高强度水泥，化学外加剂和矿物外加剂的使用，使得用较低强度等级水泥配制较高强度混凝土有了可能，试验证明还具有较多的优势。2 、矿物外加剂、矿物外加剂 用于改善混凝土耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料又被称作矿物外加剂，其主要特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用于改善混凝土的耐久性能和工作性能。 磨细矿渣 粉煤灰 硅灰 磨细矿渣磨细矿渣 粒径大于45m的矿渣颗粒很难参与水化反应，因此要求用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以

7、较充分地发挥其活性，减少泌水性。 粉煤灰粉煤灰 主要成分为空心球形颗粒，直径通常为590m 。 粉煤灰颗粒扫描电子显微照片 粉煤灰颗粒空心微珠的扫描电子显微照片硅灰硅灰 多为微细球体，平均直径小于0.1m，因为能够填充水泥颗粒之间的空隙（150m）。硅灰在混凝土中更多的是用作粉体掺合料，用于提高混凝土的抗渗性和抗压强度。掺用硅灰时通常还同时掺入高效减水剂，以此来弥补硅灰的高比表面积引起需水量增加。 硅灰的扫描电子显微照片Microsilica Grains 微硅灰的扫描电子显微照片 （颗粒粒径小于1m，平均粒径为0.15m ）3、化学外加剂、化学外加剂外加剂定义外加剂定义常用外加剂类型常用外加

8、剂类型高效减水剂高效减水剂引气剂引气剂a.外加剂定义外加剂定义 能显著改善拌合物或硬化混凝土某些性能的物质。b.常用外加剂类型常用外加剂类型提高混凝土拌和物流动性的外加剂，主要是减水剂。调节混凝土凝结时间的外加剂，有速凝剂、缓凝剂、早强剂。调节混凝土含气量的外加剂，有引气剂、消泡剂。改善混凝土某些特殊性能的外加剂，如膨胀剂、阻锈剂、 防水剂、抗冻剂、养护剂。c.高效减水剂高效减水剂 在用水量不变的情况下，可显著增加拌合物流动性的外加剂。减水机理 加入减水剂，就会使水泥颗粒表面带上相同的电荷，在电性斥力作用下，使水泥颗粒分散，把被包裹的水释放出来，从而起到显著地减水作用。 a b 减水剂对水泥颗

9、粒的分散作用 a. 水泥颗粒间减水剂定向排列产生电性斥力 1-水泥颗粒；2-减水剂；3-电性斥力 b. 减水剂的定向排列产生电性斥力与水缔合作用，使絮凝结构中的游离水释放出来 1-水泥颗粒；2-溶剂化水膜；3-游离水释放出来 左图为水泥颗粒在水中成团，右图为加入高效减水剂后水泥颗粒充分分散 加入高效减水剂后将干硬性水泥浆转变为高流态水泥浆 加入高效减水剂后将零坍落度混凝土（右边）转变为高流态混凝土（左边）d.引气剂引气剂 在混凝土中能引入大量均匀分布的稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂能减少泌水，显著改善混凝土孔隙特征。引气剂能显著提高混凝土耐久性引气剂的掺量极微，为0.005%0.01%；

10、 引气量约为3%6%。 引气混凝土的显微照片4 、细骨料（砂子）、细骨料（砂子）什么是砂子砂子的类型砂子的颗粒级配砂子的粗细程度砂子的有害物质a.什么是砂子什么是砂子 粒径在0.165mm之间的颗粒称为砂子.b.砂子的类型砂子的类型 按砂来源分:河砂,山砂,海砂,人工砂河砂：颗粒介于山砂和海砂之间，比较洁净、分布较 广，被广泛使用。山砂：富有棱角,表面粗糙,与水泥浆粘结力较好,但含泥 量和有机杂质较多。海砂：颗粒表面圆滑,洁净,但有贝壳、盐分等杂质。人工砂：用岩石轧碎，富有棱角，但石粉较多。c.砂子的颗粒级配砂子的颗粒级配指大小不同的砂子颗粒互相搭配情况。反映了砂子堆积后空隙率大小。颗粒级配好

11、，空隙小，配置砼时，就能节约水泥用量。d.砂子的粗细程度砂子的粗细程度指不同粒径砂粒混合在一起后的平均粗细。砂子越细，拌和物粘聚性越好，但流动性显著减小，为满足流动性，需加入较多拌和水，因而砼强度降低。砂子越粗，拌和物粘聚性越差，会造成砼泌水，硬化后的砼耐久性变差。e.砂子的有害物质砂子的有害物质如含泥量、硫酸盐、有机物、云母等。5、粗骨料（碎石、卵石）、粗骨料（碎石、卵石）什么是粗骨料什么是粗骨料粗粗骨骨料的类型及混凝土性能关系料的类型及混凝土性能关系最大粒径最大粒径颗粒级配颗粒级配压碎指标（石子强度）压碎指标（石子强度） a.什么是粗骨料什么是粗骨料粒径大于5mm的颗粒称为粗集料，没有上限

12、要求。b.粗骨料的类型及与混凝土性能关系粗骨料的类型及与混凝土性能关系卵石表面光滑，空隙率及比表面积较小，适宜拌制中、低强度 的混凝土。碎石由岩石轧碎而成表面粗糙，颗粒富有棱角，与水泥石粘 结力较强，适宜拌制高强度混凝土。c. 最大粒径最大粒径 所用石子的最大颗粒直径，它的选用，受搅拌机叶片强度，结构断面尺寸（最小尺寸），钢筋净间距（净间距），施工条件（泵送管道）限制。d.石子的颗粒级配石子的颗粒级配连续级配，颗粒有大有小，都占有适当比例。拌制混凝土施工性能 好，泵送时不易堵管，应用较广。间断级配，剔除中间颗粒的级配。可较好发挥石子作用及节约水 泥，但施工性能差，影响混凝土质量。 反映石子颗粒

13、强度的指标石子体积占混凝土体积60%以上。对有抗冻性、耐腐蚀性要求的混凝土，应要求压碎指标，压碎指标越小，表示石子抵抗碎裂能力越强。e.压碎指标压碎指标 砂 砾石 碎石 混凝土的截面图（粗骨料和细骨料嵌于水泥浆中）高性能混凝土配合比设计高性能混凝土配合比设计1、高性能混凝土配合比设计的一般原则、高性能混凝土配合比设计的一般原则2、混凝土配合比的设计思路、混凝土配合比的设计思路1、高性能混凝土配合比设计的一般原则、高性能混凝土配合比设计的一般原则经济性经济性工作性工作性强度和耐久性强度和耐久性2、高性能混凝土配合比的设计思路、高性能混凝土配合比的设计思路混凝土实现高性能的设计思路混凝土实现高性能

14、的设计思路提高水泥石提高水泥石强度和耐久性强度和耐久性提高水泥石与提高水泥石与骨料界面粘结骨料界面粘结强度及耐久性强度及耐久性提高骨料强度提高骨料强度提高工作性提高工作性影响高性能混凝土质量的因素及控制措施影响高性能混凝土质量的因素及控制措施1、高性能混凝土的工作性（和易性）2、高性能混凝土的强度3、高性能混凝土的耐久性1、高性能混凝土的工作性（和易性）、高性能混凝土的工作性（和易性）和易性的含义和易性的含义和易性测定方法和易性测定方法和易性的影响因素及控制措施和易性的影响因素及控制措施a. 和易性的含义和易性的含义流动性流动性将直接影响施工的难易和浇筑后的密实性。粘聚性粘聚性粘聚性不良的混凝

15、土，硬化后会产生蜂窝、麻面等缺陷，将直接影响混凝土的强度和耐久性。保水性保水性 保水性不良的混凝土容易产生泌水形成连通孔隙，会大大降低混凝土抗冻性、抗渗性和耐腐蚀性等耐久性能。b. 和易性测定方法和易性测定方法坍落度法此方法主要反映拌合物在自身重力作用下的流动性。此方法简便、易行、直观，适用最广。维勃法主要反映拌合物在机械振动下的流动性。此方法适宜于干硬性混凝土，施工现场应用不太多。c. 影响和易性的因素影响和易性的因素单位用水量单位用水量 适当增加单位用水量，可改善混凝土的流动性，利于施工；但单位用水量过大时，会导致混凝土的黏聚性变差，并导致严重的分层、离析，严重降低混凝土的强度和耐久性。砂

16、率砂率 砂率过小，不能填满石子形成的空隙，则势必有水泥浆来填充，会造成水泥浆流失、跑浆，形成蜂窝、麻面；砂率过大，细颗粒含量就多，需要包裹的水泥浆就多，会造成流动性差，浪费水泥。施工过程中要选择合理砂率。水胶比水胶比 水胶比增大，拌合物流动性提高。水胶比过小，水泥浆体黏稠，拌合物流动性偏低；水胶比过大，又会造成拌合物黏聚性和保水性不良，导致严重的分层、离析、流浆、泌水。水胶比过大或过小都会使混凝土的强度和耐久性无法保证。 水胶比应根据混凝土的强度和耐久性确定。 水泥浆数量水泥浆数量 水泥浆数量不能太多也不能太少，应以满足流动性要求为度。时间时间 高性能混凝土的性能之一就是要求混凝土拌合后其坍落

17、度经时损失小，以满足施工对拌合物流动性的要求。若坍落度经时损失大，说明水泥与高效减水剂、水泥与矿物外加剂之间的适应性差。环境温度与湿度环境温度与湿度 温度升高或湿度降低，都会增加水分的蒸发，所以，提高温度、降低湿度会使混凝土拌合物的流动性减小，据测定，温度每升高10，坍落度减少2040。 原材料原材料 各种活性矿物外加剂对高性能混凝土的工作性有不同影响，它们的掺量、细度和颗粒级配等都会影响混凝土的工作性。 a. 影响高性能混凝土强度的因素影响高性能混凝土强度的因素水泥强度等级和水胶比水泥强度等级和水胶比 混凝土的强度主要决定于水泥石的强度及其与骨料间的粘结力，而水泥石的强度及其与骨料的粘结力又

18、取决于水泥强度等级及水胶比的大小。骨料的种类、质量及数量骨料的种类、质量及数量 洁净的、粒形好的、表面粗糙并附有棱角的骨料，与水泥石的粘结力较强，对混凝土的强度有利。2 2、影响高性能、影响高性能混凝土强度的因素及控制措施混凝土强度的因素及控制措施温度温度 养护温度对混凝土强度的影响湿度湿度混凝土强度和保持潮湿日期的关系b. 提高高性能混凝土强度的措施提高高性能混凝土强度的措施 （1）选料选料 采用高品质水泥，选用致密坚硬、级配良好的骨料，掺用高效减水剂，如：聚羧酸高效减水剂等；掺加超细活性掺合料，如：矿粉、粉煤灰、硅灰等。 氢氧化钙晶体氢氧化钙晶体 水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶 不掺硅灰混凝

19、土的水化产物不掺硅灰混凝土的水化产物致密的水化硅致密的水化硅酸钙凝胶酸钙凝胶掺加硅灰混凝土的水化产物掺加硅灰混凝土的水化产物普通混凝土水分会在表面和骨料底面聚集硅灰混凝土无泌水 （2）优化配合比优化配合比 普通混凝土配合比设计的强度水灰比关系式在这里不再适用，必须通过适配优化后确定。 （3）养护养护 针对混凝土所处的环境条件选择合适的养护方法，促进水泥的水化，能有效提高混凝土的强度。3 3、高性能混凝土的耐久性、高性能混凝土的耐久性a.a.抗冻性抗冻性 在寒冷地区，冻融环境作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一，抗冻性还可间接反映混凝土抵抗环境水侵入和抵抗冰晶的能力。 冻融循环试验试件改善高性

20、能混凝土抗冻性的措施：改善高性能混凝土抗冻性的措施：（1）提高混凝土密实度）提高混凝土密实度（2）改善孔隙特征）改善孔隙特征（3）加强早期养护，减少混凝土表面裂纹出现）加强早期养护，减少混凝土表面裂纹出现 b.b.抗渗性抗渗性 混凝土在使用期间，会由于环境中的水、气体以及其中所含的侵蚀介质的侵入，产生物理和化学的反应而逐渐破坏。 混凝土剥落钢筋锈蚀混凝土剥落钢筋锈蚀提高高性能混凝土抗渗性的措施提高高性能混凝土抗渗性的措施：（1）设计合理的高性能混凝土配合比）设计合理的高性能混凝土配合比（2）提高密实度或改善孔隙特征。）提高密实度或改善孔隙特征。（3）对砂石材料的级配、清洁度提出严）对砂石材料的

21、级配、清洁度提出严格要求。格要求。（4）加强混凝土的养护。）加强混凝土的养护。c.c.抗碳化性抗碳化性 碳化对混凝土最主要的影响是使混凝土碱度降低，减弱其对钢筋的保护作用，可能导致钢筋锈蚀。碳化还会引起混凝土收缩（称碳化收缩），容易使混凝土表面产生微细裂缝。 钢筋锈蚀钢筋锈蚀钢筋锈蚀钢筋锈蚀提高高性能混凝土抗碳化能力的措施：提高高性能混凝土抗碳化能力的措施： （1）尽可能降低混凝土的水胶比，提高密实）尽可能降低混凝土的水胶比，提高密实度。度。（2）加强施工养护，保证混凝土均匀密实。）加强施工养护，保证混凝土均匀密实。（3）根据环境侵蚀条件合理选择水泥品种。）根据环境侵蚀条件合理选择水泥品种。（

22、4）用高效减水剂降低水胶比或掺加引气剂）用高效减水剂降低水胶比或掺加引气剂引入封闭气孔改善孔结构。引入封闭气孔改善孔结构。（5）必要时还可以采用表面涂刷防护层等加）必要时还可以采用表面涂刷防护层等加以保护。以保护。d.d.抗侵蚀性抗侵蚀性 当环境水具有侵蚀性时，会使混凝土发生腐蚀破坏，从而导致钢筋混凝土结构的破坏。 浸泡在硫酸盐溶液中的混凝土试件侵蚀环境下的混凝土柱改善高性能混凝土抗侵蚀性的措施：改善高性能混凝土抗侵蚀性的措施：（1）应根据混凝土所处的侵蚀环境，合理）应根据混凝土所处的侵蚀环境，合理选择水泥品种。选择水泥品种。（2）提高混凝土的密实度。）提高混凝土的密实度。（3）加做保护层。）加做保护层。e.e.抗碱抗碱- -骨料反应性骨料反应性 碱骨料反应指混凝土中的碱与骨料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土安全性的重要因素之一。 碱-骨料