高性能混凝土课件

高性能混凝土

高性能混凝土

主要内容混凝土技术的发展过程耐久性与病害水泥的功与过混凝土高性能化的思考主要内容1、混凝土技术的发展过程⑴古罗马的石灰——火山灰混凝土：凝结硬化缓慢，强度较低。但典型建筑经历2000

多年的流水、雨雪、海水等自然因素作用至今仍然完整保存。其性能特点在于：

低强度——低内能——高耐久。1、混凝土技术的发展过程高性能混凝土课件高性能混凝土课件⑵波特兰水泥混凝土（塑性、干硬性）以及钢筋混凝土

1860-1960年间大量的工业与民用建筑：中低等级居多，耐久性行为不好。溯本求源：高水灰比、高水泥用量是关键。⑵波特兰水泥混凝土（塑性、干硬性）高性能混凝土课件高性能混凝土课件高性能混凝土课件⑶预应力混凝土的出现

用张拉钢筋对混凝土施加预应力，可以保证混凝土构件在荷载作用下，既能抗拉又不产生裂纹，特别是应用高强材料时，预应力方法最为有效，使混凝土在大跨、高层等建筑中广泛使用。⑶预应力混凝土的出现

用张拉钢筋对混凝土施加预⑷外加剂带给混凝土的变化

1)大流动性

2)补偿收缩

3)防冻

4)早强高强

5)阻锈、缓凝

但与此同时也带来了频繁的开裂，解决了强度和泵送施工的要求，但是工程病害和耐久性问题十分严重。⑷外加剂带给混凝土的变化高性能混凝土课件

⑸矿物细粉的掺加与混凝土的高性能化

1)矿物细粉的功能

①密实结构②胶凝材料低内能

2)低水胶比、低水泥用量、低单位体积用水量等技术理念得以成功实践

“外加剂使混凝土进入大流态时代,实现泵送，而粉体掺合料使泵送混凝土走向成熟”

混凝土材料满足强度、工作性和耐久性的要求，完成了一次重要的螺旋式上升。⑸矿物细粉的掺加与混凝土的高性能化高性能混凝土课件高性能混凝土课件2、混凝土耐久性与常见病害

2、混凝土耐久性与常见病害

⑴耐久性问题常用的普通混凝土的基本缺点之—就是耐久性不足！现状：1)一般建筑工程的使用年限为50～100年。2)不少工程在使用10～20年后即需维修或重建。⑴耐久性问题常用的普通混凝土的基本缺点之—就是耐久性不足！举例例1：英吉利海峡海底隧道巨型工程使用年限也仅为120年！例2：北京西直门立交桥盐冻破坏一→过早拆除！例3：深圳商报报道：北京奥运展览馆工程曾获得鲁班奖，现已成豆腐渣工程。例4：南京长江大桥投入使用30年，现已下令外部汽车禁止通行。例5:武汉汉江某桥原设计使用寿命50年，实际使用10年拆除。举例例1：英吉利海峡海底隧道巨型工程使用年限也仅为120年例6:北京美术馆、人民大学图书馆使用10余年出现钢筋锈蚀引起的开裂。例7:2004年沈阳某公路桥行车过程中桥板折裂破坏。例8：美国50万座州际公路桥中，20万座已出现损坏。例9：美国基建设施工程总价6万亿美元，但由于混凝土的耐久性不足，每年所需的维修和重建费用约为3000亿美元。举例例6:北京美术馆、人民大学图书馆使用10余年出现钢筋锈蚀引试设想：如果筹划论证就花了几十年，正式施工期限又长达17年之久的三峡工程使用50～100年就损坏，届时又要重建，这对未来的社会经济将带来何等重大的影响？！高性能混凝土课件

当前的大型建设工程――青藏铁路、高速铁路网、南水北调工程等，耐久性问题关系重大。蒲心诚教授提出的“大中型永久性工程的使用年限应提高到500年，重要的工程应在1000年以上，特别重要的巨型工程应在2000年以上”的设想既有技术可行性，又有社会、经济迫切性。超耐久性是我们的期望，但绝非空想！经过努力是可以实现的！当前的大型建设工程――青藏铁路、高速铁路网、南水北⑵混凝土的常见病害物理病害化学病害⑵混凝土的常见病害物理病害

①混凝土普遍存在的裂缝问题②混凝土的冻融破坏问题③高速含砂水流对水工混凝土的冲蚀破坏问题物理病害

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化学病害①水泥石所受的各种腐蚀②碱骨料病害③碳化及钢筋锈蚀化学病害青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土墩青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土墩美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况3、水泥的功与过

3、水泥的功与过

⑴水泥之功，功不可没

应该说水泥与现代建筑紧密相连，“没有水泥，就没有今天的世界”。水泥－→混凝土－→建筑设计砂浆－→建筑施工

可以说水泥是一剂灵丹妙药，它使建筑这个行业完成了一次本质性的跨跃。今天的大跨度桥梁、海底隧道、高层建筑、水库大坝都离不开水泥。⑴水泥之功，功不可没

应该说水泥与现代建筑紧密相连

水泥之所以如此重要是因为它有优良的胶凝性能。四大类型矿物，可以在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在大气、水中稳定存在。应该是一种高能量的人造材料。经过近两百年的研究、生产与实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改造自然，从事建设的有力武器。高性能混凝土课件⑵水泥之过

1）长期以来，重水泥研究，轻混凝土研究，错误的认为水泥的问题解决了，混凝土的问题就解决了，不认为混凝土本身是一门科学和复杂的技术。2）认为将水泥作为胶凝材料的唯一组分是混凝土的最佳选择。⑵水泥之过

1）长期以来，重水泥研究，轻混凝土研究，错误的3）认为水泥掺加的越多，混凝土的质量越好。4）水泥带来混凝土高的早期强度，使人们产生错觉，忽略了耐久性问题。高性能混凝土课件在混凝土中肆无忌惮地大量使用水泥造成很严重的后果：1）没有解决混凝土的质量问题，相反混凝土的“富贵病”导致大量的混凝土的工程病害。2）优质的天然资源被过快地消耗，生态遭到破坏。在混凝土中肆无忌惮地大量使用水泥造成很严重的后果：例：①优质天然河砂已很少；②据天津某单位的勘测表明我国能生产水泥的石灰石贮量仅为500亿吨，以其作为生产水泥的原料，按目前水泥产量，仅够生产水泥40年；③CO2是主要的温室效应气体，生产1吨水泥熟料约产生近1吨CO2。例：①优质天然河砂已很少；②据天津某单位的勘测表明我国能生产高性能混凝土课件

2002年6月,暴雨过后，灞河河水暴涨，陇海线灞桥铁路桥第４号桥墩、第３号桥墩、第５号、２号和１号桥墩相继发生塌陷，造成约１３０多米的铁路桥完全垮塌断裂。桥梁使用时间长、河道挖砂加剧河床下切及洪水水势浩大，是陇海铁路灞河桥被洪水冲垮的重要原因。

据了解，在垮桥下方有30多个砂站，每个砂站日存砂可达600多立方米，往往一天下来，有超过1万方砂石被挖砂人从距离陇海线不远的灞河铁路大桥屹立的灞河水中掏走。

2002年6月,暴雨过后，灞河河水暴涨，陇海线灞

给水泥在混凝土中重新定位，发挥其作用，克服其缺点，这就是混凝土高性化过程中必须解决的认识上的误区。给水泥在混凝土中重新定位，发挥其作用，克服其缺点，

同时应积极开发和利用高贝利特水泥、EMC水泥等新型高性能水泥，做到低热、低碱、抗侵蚀、低天然资源消耗、低能耗、低生态破坏，推动HPC的研究和广泛应用。同时应积极开发和利用高贝利特水泥、EMC水泥等新型4、混凝土高性能化的思考

4、混凝土高性能化的思考

高性能混凝土的定义高性能混凝土与传统混凝土的区别高性能混凝土的组成与结构

高性能混凝土课件国内对高性能混凝土的早期定义

是高性能混凝土应该是高强度、高工作性、高耐久的，或者说高强混凝土才可能是高性能混凝土；高性能混凝土必须是流动性好的、可泵性好的混凝土，以保证施工的密实性；高性能混凝土一般要控制坍落度损失，以保证施工要求的工作度；耐久性是高性能混凝土的重要指标，但混凝土达到高强后，自然会有较高的耐久性。国内对高性能混凝土的早期定义

是高性能混凝ACI关于HPC的定义1)定义中所要求的性能包括：①易浇筑、压实而不离析；②高长期力学性能；③高早期强度；④高韧性；⑤高体积稳定性；⑥在严酷环境下使用寿命长。当然不同的工程不同场合，所要求的性能是不同的。ACI关于HPC的定义1)定义中所要求的性能包括：2)定义强调了对HPC均匀性的要求，越重要、质量要求越高的工程，对HPC匀质性的要求也就应该越高。3)定义明确表示HPC的获得不仅靠更新组分材料，还靠贯穿混凝土生产和施工全过程的体现。高性能混凝土课件吴中伟、廉慧珍提出：①高性能混凝土是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；②它以耐久性作为设计的主要指标；吴中伟、廉慧珍提出：③针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性；为此高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，必须掺加足够数量的矿物细粉和高效减水剂；④强调高性能混凝土不一定是高强混凝土。③针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能重点地予以保证：耐高性能混凝土与传统混凝土的区别

由于HPC的低水胶比和掺加大量活性矿物细掺料与使用高效外加剂，尤其是前两者的复合作用，与传统的常规混凝土有着本质区别。高性能混凝土与传统混凝土的区别由于HPC的低水胶比

由于水胶比低、用水量少及水化作用不同于常规混凝土，HPC由水化引起的早期自收缩率大大超过常规混凝土，但总收缩率较低，必须十分重视初凝后即开始的早期养护。由于水胶比低、用水量少及水化作用不同于常规混凝土，HPC中由于存在大量活性矿物掺合料，使水泥石的组分结构发生很大改变：①Ca(OH)2晶体：传统水泥混凝土的水泥石中占20-25％,HPC的水化结构中可以大大减少以至消除；②当HPC水化程度只及常规混凝土60％时，两者结构强度相近。从长期角度来说,HPC水化程度提高后，凝胶数量增多，强度、密实性继续提高。HPC中由于存在大量活性矿物掺合料，使水泥石的组分结构发生很③孔数量与结构的不同：常规混凝土、水泥石孔分布集中在100～200Å，凝胶孔隙率26.7％；高性能混凝土、水泥石孔分布集中在20Å，凝胶孔隙率18.8％，HPC具有很高的密实性。④骨料与水泥基材料界面有明显不同，薄弱的界面得到强化。③孔数量与结构的不同：常规混凝土、水泥石孔分布集中在100～

性能与功能上的差别是极为悬殊的，尤其体现在耐久性上的巨大差别。高性能混凝土课件高性能混凝土的组成与结构(1)高性能混凝土的水泥石微结构(2)高性能混凝土的界面结构和性能

(3)高性能混凝土结构的模型

高性能混凝土的组成与结构(1)高性能混凝土的水泥石微结构

按照中心质假说属次中心质的未水化水泥颗粒（H粒子）、属于次介质的水泥凝胶（L粒子）和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。①从强度的角度看孔隙率一定时，H/L粒子比值越大，水泥石强度越高；但有个最佳值，超过后随其提高而下降。(1)高性能混凝土的水泥石微结构按照中心质假说属②在一定范围内，H/L最佳值随孔隙率下降而提高。也就是说在次中心质的尺度上，一定量的孔隙率需要一定量的次中心质以形成足够的效应圈，起到效应叠加的作用，改善次介质。②在一定范围内，H/L最佳值随孔隙率下降而提高。也③在水胶比很低的高性能混凝土中水泥石的孔隙率很低，在一定的H/L粒子比值下，强度随孔隙率的减少而提高。因此，尽管水泥的水化程度比较低，水泥石中保留了很大的H/L粒子比值，但与很低的孔隙率和良好的孔结构相配合形成微结构，可获得高强度。③在水胶比很低的高性能混凝土中水泥石的孔隙率很低，在(2)高性能混凝土的界面结构和性能

高性能混凝土的界面特点主要也是由低水胶比和掺入外加剂与矿物细粉带来的：低水胶比提高了水泥石强度和弹性模量，使水泥石和集料弹性模量的差距变小，使界面处水膜层厚度减少，晶体生长的自由空间减少；(2)高性能混凝土的界面结构和性能

掺入的活性矿物细粉与Ca(OH)2反应后，会增加C-S-H和AFt，减少Ca(OH)2含量，并且干扰水化物的结晶，因此水化物结晶颗粒尺寸变小，富集程度和取向程度下降，硬化后的界面孔隙率也下降。高性能混凝土课件(3)高性能混凝土结构的模型1)孔隙率很低，基本上不存在大于100nm的大孔。2)水化物中Ca(OH)2减少，C-S-H和AFt增多。3)未水化颗粒多，未水化颗粒和矿物细粉等各级中心质增多（H/L增大），各中心质间的距离缩短，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架得到强化。(3)高性能混凝土结构的模型4)界面过渡层厚度小，并且孔隙率低、Ca(OH)2数量减少，取向程度下降，水化物结晶颗粒尺寸减少，更接近于水泥石本体水化物的分布，因而得到加强。高性能混凝土课件

高性能混凝土的原材料高性能混凝土的原材料1、我们需要怎样的骨料2、粉煤灰在混凝土中“做”了什么？1、我们需要怎样的骨料1、我们需要怎样的骨料

集料对混凝土的性能有重要的影响：除了作为经济的填充料之外，通常还为混凝土带来了良好的和易性、体积稳定性、耐磨性和耐久性，可以影响混凝土的力学性能和物理性能。1、我们需要怎样的骨料

集料对混凝土的性能有重从HPC角度考虑骨料的选择应注意以下几方面：⑴具有足够高的强度和硬度。⑵应避免含有淤泥、黏土和有机杂质。淤泥和黏土会增加混凝土的需水量，有机物可能影响水泥的水化过程。从HPC角度考虑骨料的选择应注意以下几方面：⑴具有足够高的⑶要重视骨料的粒形:我们希望使用较规则外形的骨料。英国BS812标准将骨料形状分为：立方体（球形）、不规则、非常不规则、扁平、细长几类。相对而言，扁平或片状骨料以及非常不规则的骨料粒形对HPC是不利的

⑶要重视骨料的粒形:我们希望使用较规则外形的骨料。英国BS

⑷由于胶凝材料浆体的需求量是由集料间需要填充的空隙和集料需要包裹的面积决定的。所以希望选择空隙率低、比表面积相对较小的集料。细度模数：2.8～3.0为宜。⑸应避免含硫酸盐、氯盐等侵蚀性盐类超标的骨料。⑷由于胶凝材料浆体的需求量是由集料间需要填充的空隙和集料需⑹最大粒径Dm

满足施工模具尺寸、钢筋等方面的规范要求。Dm增大，（水泥＋粉煤灰）浆体需求量越小，可以节约水泥，提高混凝土的耐久性。但应注意的是，Dm过大会产生内部应力，削弱强度，尤其是富浆混凝土中，Dm过大会引起强度降低。而对于高强混凝土，建议使用粗骨料的粒径（Dm要小）至少应在20mm以下。⑹最大粒径Dm

满足施工模具尺寸、钢筋等方面的规范要求。⑺断级配骨料

所谓断级配就是缺少一个或数个粒径的集料颗粒，这样的集料空隙率低，用于配制成本低的混凝土适用于干硬性的低工作性并需要振动的混凝土。但不适用于流动性混凝土，会导致严重的离析问题。⑺断级配骨料⑻有害物质

1）有机物2）硫化物与硫酸盐（产生过多的硫酸钙晶体，体积膨胀）3）氯盐离子含量<0.3kg/m3，日本氯化物含量的容许极限是按NaCl的绝干质量的0.04％。⑻有害物质

1）有机物⑼骨料的种类骨料组成成分不同，对混凝土体积稳定性的影响不同⑼骨料的种类骨料组成成分不同，对混凝土体积稳定性的影响不同

矿物细掺料

矿物掺合料是指在混凝土拌合物中，为了节约水泥，改善混凝土性能加入的具有一定细度的天然或者人造的矿物粉体材料，也称为矿物外加剂，是混凝土的第六组分。常用的矿物掺合料有：粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉、燃烧煤矸石等。粉煤灰应用最普遍。⑴粉煤灰又称飞灰，是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑，大部分由直径以µｍ计的实心和(或)中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成。

矿物细掺料粉煤灰在混凝土中的作用①活性行为和胶凝作用。粉煤灰的活性来源于它所含的玻璃体，他与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙，强化了混凝土界面过渡区，同时提高混凝土的后期强度。②充填行为和致密作用。粉煤灰是高温煅烧的产物，其颗粒本身很小，且强度很高。粉煤灰颗粒分布于水泥浆体中水泥颗粒之间时，提高混凝土胶凝体系的密实性。粉煤灰在混凝土中的作用③需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性,减少混凝土单位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小，提高混凝土的抗裂性。③需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的颗粒大多是球形的玻璃珠④降低混凝土早期温升，抑制开裂。大掺量粉煤灰混凝土特别适合大体积混凝土。⑤二次水化和较低的水泥熟料量使最终混凝土中的Ca(OH)2大为减少，可以有效提高混凝土抵抗化学侵蚀的能力。⑥当掺加量足够大时，可以明显抑制混凝土碱骨料病害。⑦降低氯离子渗透能力，提高混凝土的护筋性。以上作用在水胶比低于0.42时，较突出。④降低混凝土早期温升，抑制开裂。大掺量粉煤灰混凝土特别适合大

(2)硅灰

硅灰又称硅粉或硅烟灰，是从生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘，色呈浅灰到深灰。硅灰的颗粒是微细的玻璃球体，部分粒子凝聚成片或球状的粒子。其平均粒径为0.1µｍ～0.2µｍ，是水泥颗粒粒径的1/50～1/100,比表面积高达2.0×104m2/kg。其主要成分是SiO2（占90％以上），它的活性要比水泥高1～3倍。以10％硅灰等量取代水泥，混凝土强度可提高25％以上。(2)硅灰

由于硅灰具有高比表面积，因而其需水量很大，将其作为混凝土掺合料，须配以减水剂，方可保证混凝土的和易性。硅粉混凝土的特点是特别早强和耐磨，很容易获得早强，而且耐磨性优良。硅粉使用时掺量较少，一般为胶凝材料总重的5％～10％，且不高于15％，通常与其它矿物掺合料复合使用。在我国，因其产量低，目前价格很高，处于价格考虑，一般混凝土强度低于80MPa时，都不考虑掺加硅粉。由于硅灰具有高比表面积，因而其需水量很

(3)粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣粉是指将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料，细度大于350m2/kg，一般为400-600m2/kg。其活性比粉煤灰高。(3)粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱的自身水硬性。用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以较充分地发挥其活性，减少泌水性。研究表明矿渣磨得越细，其活性越高，掺入混凝土中后，早期产生的水化热越多，越不利于控制混凝土的温升，而且成本较高；当矿渣的比表面积超过400m2/kg后，用于很低水胶比的混凝土中时，混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大；矿渣粉磨得越细，掺量越大，则低水胶比的高性能混凝土拌和物越黏稠。因此，磨细矿渣的比表面积不宜过细。用于大体积混凝土时，矿渣的比表面积宜不超过420m2/kg粒化高炉矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱掺合料在混凝土中的作用1)掺合料可代替部分水泥，成本低廉，经济效益显著。2)增大混凝土的后期强度。矿物细掺料中含有活性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca(OH)2反应，生成生成C－S－H和C－A－H、水化硫铝酸钙。提高了混凝土的后期强度。但是值得提出的是除硅灰外的矿物