高性能混凝土技术发展与应用初探

目录摘要……………………1一、引言…………………2二、论文主体……………………3（一）二级标题…………4…………五、结论……………21参考文献……………………23附录……………24致谢…………28

高性能混凝土技术发展与应用初探摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的各项社会建设取得了巨大的成就，建筑规模正日益增大。混凝土作为施工建设最主要的基础材料之—，贯穿着建筑的方方面面。随着混凝土研究和实践的不断地深入发展，一种全新概念的混凝土应运而生，这就是高性能混凝土，高性能混凝土是基于混凝土结构耐久性设计提出的，以耐久性为首要设计指标，具有很多优良特性，至今已在不少重要工程中被采用。

本文主要介绍高性能混凝土的性能特点和工程应用，性能特点部分主要通过研究高性能混凝土的材料结构和材料配合比设计，阐明高性能混凝土的工作性，耐久性和强度的特点。工程应用部分先是概况了目前高性能混凝土的应用领域，然后通过具体的实例来阐释高性能混凝土的运用效果。关键词：高性能混凝土；性能特点；工程应用；配合比设计

一、绪论早在上世纪70年代，混凝土制造技术就有了较大的提升。在原材料方面，各种材料的广泛使用，改善和提高了混凝土的技术性能。这些新的混凝土材料不仅强度高，而且性能的设计与控制已达到很高的水平。根据科学家吴中伟教授对高性能混凝土的深入研究，他认为高性能混凝土是一种新型的高技术的混凝土，建立在提高普通混凝土性能的基础上，针对不同用途的要求，为了保证以下特性：耐久性，工作性，强度，稳定性，适用性和经济性。吴教授觉得，高性能混凝土不只是在性能上突破传统混凝土的作用界限，而且在资源节约、能源等领域，尤其对绿色环保有着十分重要的意义。高性能混凝土需要合理地利用工业废渣掺和料，最大程度上节约水泥的用量，增强混凝土的耐久性，强度以及在资源节约、环境保护等方面的效益。随着国内外社会各方面的发展，日益增多的高性能混凝土将应用在建造工程中。可以预料得到，高性能混凝土将不断地扩大其应用的领域，获得更大的经济效益，社会效益，生态效益和技术效益。成为21世纪混凝土新的发展方向已是必然。在未来的高性能混凝土发展中,仍然还有很多材料与工程领域的问题需要研究与解决。这些问题的解决对今后混凝土的发展起到有力的推动作用。高性能混凝土的性能研究与工程应用，很大程度上突破了传统混凝土有限的技术技能，有利于节约能源，资源，提升工程质量，加强环境保护。随着世界各地人们环保意识的增强，社会发展立足于环保和可持续发展，未来的高性能混凝土应当向环保、绿色、节能、和资源的循环使用等方向突破。二、高性能混凝土的性能特点（一）强度性能高性能混凝土的强度是衡量其性能的重要指标之一。根据近年来对高性能混凝土强度的研究，可得出一些实际运用中的规律：1、高性能混凝土的强度随水胶比的降低而提高。从参考文献[3]可得图3-1高性能混凝土的强度与水胶比的关系。可见，要使混凝土获得高强度，应让其满足低的水胶比，在拌制中要控制用水量，并且要减除砂子和高效减水剂的含水量。图2-1高性能混凝土理论强度、实测强度与水胶比的关系折线图2、控制骨料的粒径最大不超过25mm，要认真检查骨料的各种性能。3、为防止开裂，应采用低热水泥和矿物掺合料，降低水化热。活性混凝土额掺入量增加，混凝土的抗压强度会降低。从参考文献[3]可得图3-2矿粉掺量与强度的折线关系图：图2-2高性能混凝土矿粉掺量与强度的关系折线图：通过普通混凝土和高性能混凝土试件的强度研究，可以发现普通混凝土受压破坏时，如果应力超过破坏荷载的30～40%时，这个时候就很容易出现初裂，应力越大，裂缝越多。而高性能混凝土不同，强度高，压缩时的应力达到65~75%的破坏载荷时，才开始破裂。从参考文献[2]可得图2-3两种混凝土受压时强度变化对比曲线图。6565～75%1—普通混凝土2—高性能混凝土30～40%120112200图图2-3受压时～曲线此外，体积大的结构物，因为高性能混凝土水胶比小，低用水量，水泥含量多，混凝土内部水化热大，温升很高，远高于20℃，强度发展迅速，试样的体积小，标准养护温度为20℃，混凝土温升低，强度发展缓慢，所以标准养护强度比结构的实际强度低得多，所以标准养护试件不代表结构实际强度，假设用试件与结构物一样的条件现场养护，他们之间的强度差别也很大。因此高性能混凝土比普通混凝土在强度性能方面的优势在于：1、承受的破坏荷载大，不易产生裂缝和破裂。2、水胶比小，用水量低，水泥含量多，水化热大，强度高。（二）工作性能高性能混凝土的工作性能主要是保证混凝土结构成型时没有原始缺陷。良好的工作性能是使混凝土质量均匀，获得高性能，从而安全可靠的前提条件。高性能混凝土的工作性能主要包括三部分内容，即为：流动性：表征拌合物流动的难易程度。粘聚性：拌合物在搅拌、运输、泵送、浇筑过程中不易出现泌水的性能可泵性：拌合物在泵压下在管道中移动摩擦阻力和弯头阻力之和的倒数。下面为测定高性能混凝土工作性能的试验：1、坍落度试验根据正规的试验方法，测定坍落度和扩展度的两个指数；再用倒置的坍落度筒，测定筒内拌合物自由下落的排空时间ts。这就是粘性指标。泵送混凝土坍落度设定为120至200毫米，ts是粘度指标，当ts=5～25s时，表示拌合物粘度合格，扩展度D值最好要大于500毫米。当ts<5s时说明粘度太小，当ts>25s时，粘度太大，这些表示粘度不好，工作性能差，应该重新调整。

2、可泵性指标的测定：高性能混凝土的施工目前多数是泵送施工。应该进行压力泌水率的测定，主要是为了防止在泵送过程中，避免因管道压力梯度过大，管道过弯曲，管径过大而出现脱水现象，压力泌水率用压力泌水率仪测定，测定的时候，把混凝土混合物装入缸内，然后启动千斤顶，让混合物在一个压力为3.5MPa下泌水，分别用10秒和140秒时测定泌水体积V10与V140，然后通过公式（3-1）、（3-2）计算出两者的差值或比值。即： DV=V140－V10（2-1）（2-2）差值越大，具有更好的保水性。可泵性好，比值越小，具有更好的稳定性，可泵性更好，比值越大，可泵性更好。从参考文献[2]可得图3-4压力泌水率差值与坍落度的关系图101015V坍落度(cm)55020100150不可泵区可泵区P0图图2-4压力泌水率差值与坍落度的关系DV与坍落度的关系如图2-4所示。根据图中显示，OP曲线为可泵区与不可泵区的分界线，它的差值和坍落度的关系很清晰，因此要让坍落度和差值的交会点处在可泵区域内。因此高性能混凝土比普通混凝土在工作性能方面的优势在于：1、不易出现泌水，粘聚性好。2、质量均匀，表征拌合物流动性能好。3、可泵性好，具有很好的稳定性。（三）耐久性能根据调查显示，不少使用普通混凝土的建筑在10年后需要维修，因为在施工的时候用水量大，水灰比高，提高了混凝土的孔隙率。另外，水化物的稳定性不足也导致了耐久性的不足。结构在正常使用过程中的失效、破坏、以及突发事故，基本上是由耐久性不足引起的，并不是强度不够。高性能混凝土的核心是耐久性，在很多方面都要比普通混凝土优秀，比如抗渗、抗冻、抗蚀、抗碳化、抗碱骨料反应等。1、混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性是反映混凝土耐久性的一个重要指标。混凝土内部存在孔隙通道是其渗水的根本原因。混凝土的配合比影响抗渗性，即水灰比和胶凝材料(水泥＋矿物外加剂)用量。采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出28d抗压强度为35～40MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性和良好的耐久性能。从参考文献[10]可得图3-5渗透性—水灰比的关系图图3-5渗透性—水灰比的关系图2、混凝土的抗冻性在吸水饱和状态下，混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏，也不显著降低其强度的性能，称为混凝土的抗冻性。提高混凝土抗冻性的方法有可以保证低水灰比，保证混凝土良好的养护。混凝土抗冻性试验方法：用28d龄期、吸水饱和状态下的试件，进行低温冰冻，水中融化循环试验，经过一定循环后测定试件的强度或弹性模量和质量。评价指标：以强度降低不超过25%、质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数N为抗冻指标—抗冻标号D或耐久性系数PN/300式中：N—混凝土试件冻融循环试验至相对弹性模量下降到60%以下时的冻融循环次数；P—经N次冻融循环后试件的相对弹性模量。从参考文献[10]可得图3-6水灰比与冻融循环次数关系图图3-6水灰比与冻融循环次数关系图3、混凝土的硫酸盐侵蚀硫酸根离子与混凝土中水泥水化物之间的化学反应，形成有害化合物，而导致混凝土组成和结构的破坏、强度下降、表面剥离等。硫酸根离子的来源有：海水、有机物环境(垃圾、生活污水)、工业废料、土壤和地下水和水泥熟料。限制水泥中C3A矿物含量＜5％可以阻止混凝土的硫酸盐侵蚀混凝土原材料选用的原则是：尽可能选用水化热低的水泥；应选择耐用，级配合格，粒形好的干净的骨料，颗粒的形状和尺寸配置，这是更重要的；应使用优质，高效减水剂、引气剂：应选用优质的矿物掺合料。在混凝土配比方面，要遵循结构使用寿命等级和环境作用等级，限制最大水胶比和最小胶结材用量。与此同时，必须限制胶结材的最大量和用水量。由于使用较少的水，水胶比低，在低水胶比条件下，粉煤灰能够充分发挥其作用，有利于耐久性，水耗少，水泥浆体体积小，骨料体积大，对抗渗、抗氯离子扩散是非常有利的，所以关键是要减少水的消耗。控制混凝土的各种温度目的是防止温差太大而引起混凝土产生裂缝。要注意对混凝土的养护。混凝土养护要注意湿度和温度两个方面。养护不不仅是浇水保湿，还要注意控制混凝土的温度变化。在湿养护的同时，要保证混凝土表面的温度，内部的温度与接触的大气温度不允许出现较大的差别。采取保温和散热相结合的综合措施，可以防止温度降低和温度差距过大。

因此高性能混凝土比普通混凝土在工作性能方面的优势在于：1、混凝土内部孔隙少，在大多数环境下具有足够低的渗透性。2、抗冻性能好，混凝土能够得到很好的养护。3、抗侵蚀性能好，有效抵抗硫酸盐的侵蚀，耐久性更好。三、高性能混凝土在工程中的应用（一）高性能混凝土在高层建筑中的应用高性能混凝土一般采用的是高层建筑的钢筋混凝土结构，高层建筑的下面1／3都是柱子，如果使用普通混凝土，将有大的断面出现。一方面高性能混凝土能够节省建筑材料的费用，另一方面能够加快施工的速度，缩短工期，提高施工的效率。根据各种建造的经验，很多高层建筑的柱子使用了高性能混凝土。比如芝加哥有一个79层的建筑的柱子采用高性能混凝土。同样，在我国也得到了广泛的应用，比如高性能混凝土应用C80在很多项高层建筑钢管混凝土的柱子中应用。金茂大厦的C40一次泵送到382.5m；；明天广场矿渣微粉C80泵送混凝土；上海教育电视台大楼大体积混凝土，水泥消耗量仅占胶凝材料总数的46%，水泥浆制备饱满，高性能混凝土的和易性，凝聚性和抗离析性能是很出色的，高性能混凝土强度达到C40。（二）高性能混凝土在路面中的应用路面受到的破坏远远比建筑受到的要大得多，使用高性能混凝土可以明显提升路面的承载力，延长使用年限或缩减道面的厚度，从而降低工程造价，节约成本。高性能混凝土的主要特征是耐久性能优秀，可以抵御气候和环境的长期影响，确保在道路的设计使用期限内，混凝土能够发挥正常的性能。根据统计，在美国大概有80%的路面采用高性能混凝土，用20000m3混凝土铺筑，厚为200毫米，其中水胶比是0.43，水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3；德克萨斯州的路面示范工程也全部采用了高性能混凝土。当然，并不是只有国外才全面推广高性能混凝土，我国现今也在努力的研究和大力推广，青藏铁路建设工程就是一个很好的范例。（三）高性能混凝土在隧道、桥梁的应用普通混凝土抗拉强度不足，收缩过程容易发生变形，耐久性差。隧道、桥梁属于大型的、高标准的建筑项目，需要高强度的，耐久性好的材料。高性能混凝土很好地适用于这些项目。相比普通的混凝土，高性能混凝土能最大程度地缩短工期，节省建筑材料，发挥普通混凝土所不具备的高强度性，高耐久性的功能。比如明石海峡大桥就是一个很好的例子，还有地铁隧道所使用的混凝土材料都以高性能混凝土为主。根据参考文献[6],明石海峡大桥的2个锚碇是用自密实混凝土施工的。自密实混凝土粗骨料的最大粒径是40ｍｍ，下料高度3ｍ也未见离析，两个锚碇分别用了24万ｍ3和15万ｍ3强度为25ＭＰａ的自密实混凝土，其混凝土配比见下表。该桥通过采用自密实混凝土施工新技术，使两个锚碇的施工从两年半缩短到两年，缩短工期20%。表4-1明石海峡大桥锚碇用自密实混凝土配合比（四）高性能混凝土在其他方面的应用高性能混凝土是发展高层结构、高耸结构、大跨度结构的重要措施。采用高强高性能混凝土可以减小截面尺寸,减轻自重,获得较大的经济效益。高性能混凝土近年来的主要应用领域集中在高层建筑、大跨桥梁、公路等建设中。但是，随着研究的进一步深入，也会逐渐地应用到其他领域，可能是为了满足建筑物结构的某一部分需要而采用高性能混凝土，例如海港工程，采用高性能混凝土可以抵制海水的侵蚀作用。因此，在一些容易受到化学侵蚀的地区，建设中应用高性能混凝土尤为重要。四、高性能混凝土的应用实例（一）项目概况深圳彭年广场项目，包括一个52层高186.32米（钢塔214.32米）的酒店和3栋34层高107.6米的高层公寓式写字楼。地下室4层21米深。总建筑面积17.93万。10层以下的柱子采用C60高性能混凝土。C60混凝土，用量：地下2850m，地上8808m。粉煤灰和减水剂均符合相关标准。泵送效果尚好，在使用前做与水泥的适应性试验。（二）实例分析—配合比高性能混凝土配合比设计原则，配合比的设计规范见附录（1）低渗透性的原则（2）胶凝材料总量应大于设计相同强度等级传统混凝土时的水泥用量，以保证良好的施工性并提高混凝土的耐久性；（3）砂率按混凝土施工性调整。为不严重影响混凝土弹性模量，砂率不宜大于45%；（4）由于胶凝材料中各组分密度相差较大，宜采用绝对体积法进行配合比的计算。彭年广场工程，根据设计，混凝土强度等级C60，泵送施工，坍落度18～20cm。选用的原材料：525号的普通硅酸盐水泥，密度rc=3.10，砂子为中砂，细度模数2.48到2.80之间，石子为石灰石，Dmax=15cm，高效减水剂为NF，粉煤灰为I级，密度rf=2.0，施工单位的标准差s=6.0MPa。1、计算初步配合比（1）配制强度fh：fh=fou+1.645s=60+1.645×6=60+9.87=69.87»70（2）水胶比（W/B）解得：（3）用水量（W0）查表得W0=175kg/m3（4）水泥量（C0）（5）砂率（SP）查表得SP=34%（6）砂、石用量（S0、G0）解得：S0=532kg，G0=1210kg通过上述计算得：1M3混凝土材料用量为：2500kg水泥 C0=583kg水 W0=175kg砂 S0=532kg石 G0=1210kg2、确定基准配合比高效减水剂用量J=1%×C0=1%×583=5.83kg。取代水泥的粉煤灰用量F=C0·bc=583×0.25=145.75kg水泥用量C为C=C0－F=583－145.75=437.25kg粉煤灰的总用量Ft=dc×F=1.2×145.75=174.9kg。超量部分Fe=Ft－F=169－145.75=23.25kg。用砂量最后得1M3混凝土材料用量为：2516.34kg根据比例对混凝土的材料用量进行试拌。测试结果如下表：表5-1混凝土材料流动性和可泵性指标测试结果材料（材料（kg）流动性指标可泵性指标C坍落度22.8cm压力泌水率S10=28.6%Ft扩展度530mm压力泌水率差值S140-10=71.4%W1h坍落度损失0.5cm压力泌水率比值S10/S140=28.6%SQ无离析泌水，均匀性良好粘性指标t=25SJ结论满足施工要求满足可泵性要求该配合比可确定为基准配合比。（三）应用效果从彭年广场工程项目上看：该项目配制高性能混凝土能够使高层建筑安全可靠地使用50到100年以上，在配置技术上合理地掺入矿物掺和料和各种化学外加剂，水胶比低。掺合料充分利用了工业废料和废渣，节能，环保。基本上遵循了以下的技术路线：1、水泥密度均匀，孔结构和界面结构合理，体积稳定性可靠，强度性能高，耐久性好，适用性强和经济性合理。2、精心挑选的材料：优质水泥，高活性矿物掺合料，高质量的化学外加剂，优质砂，石。使建筑强度高，耐久性好。3、最优的配合比：低水胶比小于0.4，低用水量小于180kg/m3，低砂满足34~39%，复合多种外加剂，匹配多种细掺料。4、高效的施工方案：有效控制坍落度损失，有效控制泵送程序，搅拌工艺合理，，养护充分，有效控制温度升高和收缩，使建筑物质量更好，耐久年限延长，满足高强度的要求。五、结论本文重点介绍了高性能混凝土的性能特点和应用中的配合比设计。大量试验数据证明，高性能混凝土的高强度，高耐久性和高工作性都满足了现代建筑工程的需求。随着社会的发展，高层建筑，跨海桥梁，高架桥建设，路线隧道建设，大型港口建设都需要高性能混凝土作为原料。现在很多普通建筑也使用高性能混凝土，比如市政工程，民用建筑和工业建筑等。本文在研究高性能混凝土时得出以下结论：（一）研究多品种工业废渣掺合料及其他代替料，减少工程造价和资源消耗，体现环保，经济的原则。（二）要挖掘高性能混凝土的潜在性能，在不同的环境下设置不同的水胶比，外加剂的掺量。（三）高性能混凝土的生产必须符合相关的规定