高性能混凝土讲稿—高性能混凝土的发展与应用(15页).doc

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1、-高性能混凝土讲稿高性能混凝土的发展与应用-第 12 页中铁三局高速铁路施工技术培训班资料高性能混凝土的发展与应用铁道部科学研究院2004.03高性能混凝土的发展与应用 谢永江摘要 高性能混凝土（High Performance Conerete，简称HPC）是一种具有高强度、高耐久性与高工作性的混凝土，HPC的W/C0.38，混凝土中的水泥石只有凝胶孔无毛细孔，具有高的抗渗性和耐久性。HPC组成材料中必须具有矿物质超细粉和高效减水剂，HPC的ASTM C1202 6h总导电量应 1000库仑，相应抗压强度60MPa。关键词 高性能混凝土 矿物质超细粉 高效减水剂 导电量一、引言1990年5月

2、在马里兰州，由美国NIST和ACI主办的讨论会上，HPC定义为具有所要求的性能和匀质性的混凝土。这些性能包括：易于浇注、捣实而不离析；高超的、能长期保持的力学性能；早期强度高、韧性高和体积稳定性好；在恶劣的使用条件下寿命长。也就是说，HPC要求高的强度、高的流动性与优异的耐久性。1993年，P.C.Aitcin和A.Neville发表了“高性能混凝土揭密”（HPC Demy sitied）的文章，定义了高性能混凝土，并说明了高性能混凝土与高强混凝土的区别。混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用新型高效减水剂和矿物质超细粉。前者能降低混凝土的水灰比、增大坍落度和控制坍落度损失，也即赋予混凝土高的

3、密实度和优异的施工性能；后者填充胶凝材料的空隙，参与胶凝材料的水化反应，除了提高混凝土的密实度外，还改善混凝土的界面结构，提高混凝土的耐久性与强度。可以说，20世纪60年代高效减水剂的发明与应用，使混凝土技术进入高强度与高流态的新领域；20世纪90年代的粉体工程，进一步使混凝土进入了高性能时代。在中国大陆，C60的高性能混凝土已广泛应用于桥梁、高层建筑及机场建设等工程；C80混凝土也在工程中试点应用。在国际上强度为90MPa、100MPa、110MPa、120MPa、150MPa，甚至230MPa的高性能混凝土，在工程中都获得了应用。今后在高层与超高层建筑物、桥梁和严酷条件下工作的结构上，HP

4、C会获得越来越多的应用。二、定义、方法与途径定义：（1）美国战略公路研究项目（SHRP）定义W/C0.35；300次冻融循环，相对动弹模80%；浇注后4小时内达到21MPa；24h时34MPa；28d时67MPa。（2）ACI定义易于浇筑捣实但不影响强度；长期力学性能好；高早期强度；韧性好；体积稳定性好；在恶劣环境中长期强度好。（3）日本学者岡村的定义：免振自密实混凝土就是高性能混凝土。强度一般为4045MPa，混凝土材料中除了水泥外，还有矿渣粉、粉煤灰及膨胀剂。（4）作者的观点W/C0.38，组成材料中必须含有高效减水剂和矿物质超细粉，混凝土56d的ASTM C1202 6h总导电量1000

5、库仑；冻害地区冻融300次相对动弹模80%；抗压强度60MPa；并具有满足施工要求的流动性。途径：（1）W/C0.38 按照Rsch提出的相图，水灰比与水泥浆组成关系如图-1。图-1 水泥浆组成与水灰比关系(水泥水化程度100%)由图-1可见，当混凝土的W/C0.38（例如为0.5时），水泥全部水化后，水泥石中有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。毛细水是可以在混凝土中扩散渗透的。也就是说，如果W/C0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性降低，耐久性降低。从图-2也可以看出来，水灰比（W/C）=0.2时，水泥颗粒没有全部水化，在硬化的水泥石中，还有一部分未水化的水泥颗粒。水灰比（W/C）0.6时

6、，水泥颗粒已全部水化完，水泥石中还有多余自由水存在，水分蒸发后变成毛细管留下来，使抗渗性和耐久性降低。只有当W/C=0.4时，水泥颗粒全部水化，既无毛细水也无未水化颗粒，混凝土具有良好的抗渗性。由此可见，高性能混凝土的水灰比必须0.38，才能具有高的抗渗性和耐久性。CementgelWaterCementcornW/C=0.20W/C=0.60W/C=0.40W/C=0.40CementstoneCementpasteW/C=1.0图-2 水灰比与水泥石结构（2）改善混凝土中水泥石与粗骨料之间的界面结构普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的Ca(OH)2；Ca(OH)2在界面上的结晶

7、与定向排列，是混凝土强度与耐久性低下的主要原因。因此，改善混凝土中骨料与水泥石之间的界面结构，是高性能混凝土必须解决的关键技术。高性能混凝土中，掺入部分矿物质超细粉，是改善界面结构的重要途径，如图-3所示。图-3 含不含SF混凝土的界面区形成图3-2 含与不含复合超细粉混凝土中骨料界面SEM(以20%复合粉等量取代水泥的混凝土，W/C=0.35，标养28d。)（3）改善混凝土中水泥石的孔结构以20%的复合超细粉等量取代水泥，W/C=0.35制成的水泥净浆试件，标准养护7d、28d，测定的含与不含超细粉的孔结构如图-4所示。图4 含与不含超细粉的水泥石孔结构(以20%复合超细粉等量取代水泥，W/

8、C=0.35，标养7d、28d的孔结构)由图可见，7d龄期时，1000A以上大孔，不含超细粉的试件含量偏高些。而1000A的孔含量，则含超细粉的试件含量高。28d龄期时，含超细粉的试件，1000A的大孔含量，明显地少于不含超细粉的试件；1000A的小孔，明显地高于不含超细粉的试件。试验证明，1000A的大孔含量高，对混凝土的强度、抗渗性、耐久性都不利；1000A的孔含量高，有利于强度、抗渗性和耐久性。超细粉对改善混凝土的孔结构，提高抗渗性、耐久性都是十分有利的。由此可见，通过使用高效减水剂，降低混凝土的水灰比，并使混凝土具有比较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇注混凝土的密实性，这是高性能混凝

9、土途径的一方面。另一方面，通过超细粉在混凝土中的应用，改善骨料与水泥石的界面结构，改善水泥石的孔结构；提高混凝土的抗渗性、耐久性和强度，这是高性能混凝土途径的另一方面。新型高效减水剂和矿物质超细粉是高性能混凝土及混凝土高性能化的物质基础，而混凝土技术又必须要与环境相协调，也即减少环境污染，达到省资源、省能源和长寿命的目的。三、超细粉是高性能混凝土不可缺少的组分所谓超细粉是粒度10m的粉体，其比表面积相当于6000cm2/g。在高性能混凝土常用的超细粉有硅粉（SF）、磨细矿渣粉（BFS）、I级粉煤灰（FA）、天然沸石粉（NZ）及偏高岭土粉（MK）。矿物质超细粉与一般掺合料不同，像矿渣水泥、粉煤灰

10、水泥，其中的矿渣和粉煤灰的粒度与水泥熟料的粒子是同等大小的，而超细粉的粒子比一般水泥粒子小得多；在水泥混凝土中掺入部分矿物质超细粉，使混凝土具有许多特殊的功能。（1）超细粉的填充效应由于超细粉的粒子水泥颗粒粒子，填充水泥颗粒间空隙，使胶凝材料的密实度提高。胶凝材料加水硬化后的密实度、强度也提高。胶凝材料粒子组合与空隙率变化如图-6所示。硅酸盐水泥：10.4m空降率硅粉粉煤灰渣矿渣粉煤灰粉煤灰粗细粉的不同比例 图6 粒子组合与空隙率的变化硅酸盐水泥粒子10.4m，以10.09m的粉煤灰粒子相复合，无论水泥与粉煤灰如何组合，胶凝材料的空隙率几乎没有变化；但当粉煤灰的粒子降至0.95m时，这时以水泥

11、70%与粉煤灰30%复合时，胶凝材料的空隙率由原来的40%，降至15%左右。粉煤灰、矿渣粉、硅粉都有相类同的例子。而且对降低胶凝材料的空隙率来说，超细粉：水泥一般为30：70的效果较好。超细粉在水泥浆体中的填充作用还可从如图-7所示的水泥浆体结构得到说明。图7 水泥浆的结构硅酸盐水泥加水后的浆体结构如图7中（a），有大量自由水束缚于水泥颗粒形成的絮凝结构中，这种结构的浆体流动性差，硬化后孔隙大，性能不好。含高效减水剂的水泥浆体（图7（b），由于排放出自由水份，水泥粒子间连接紧密；流动性与硬化后的性能均较前者优良。含高效减水剂及超细粉的水泥浆体（图7（c），超细粉填充水泥粒子间空隙，硬化后具有更

12、高强度和耐久性。（2）超细粉的流化效应有一部分超细粉，如矿渣超细粉、磷渣超细粉，等量取代部分水泥后，在基准条件不变情况下，水泥浆体的流动性高于基准浆体，相当于掺入了部分高效减水剂一样，称之为超细粉的流化效应。但是，不是所有的超细粉都具有流化效应的，有的超细粉由于比表面积太细或者超细粉本身具有多孔性能，虽然取代水泥后，能填充水泥空隙，排出水泥浆体中部分水分，但由于超细粉本身吸水或润湿表面需要较多自由水，所以含矿物质超细粉浆体的流动性并不增大；这种超细粉如天然沸石粉、硅粉。含不含超细粉的水泥浆体的流动度变化如表-1。表-1 含不同品种不同掺量超细粉浆体稠度变化水泥：超细 超细粉粉类型95:590:

13、1085:1580:2075:25100%的水泥的沉入度为32mm；相应的加水量为27%矿渣超细粉33.5mm34mm35mm37mm38mm磷渣超细粉3435.5363838.5天然沸石粉3130262016.5硅粉312114.5对于粉煤灰，由于煤种，燃烧情况及细度不同，对浆体流动性的影响也不同。有的粉煤灰取代部分水泥后，浆体流动性增加；有的粉煤灰反而使浆体流动性降低。高效减水剂与超细粉双掺情况下，对浆体流动性的效果更好，如表-2。表-2 高效减水剂与超细粉双掺时对浆体流动性影响高效减水剂浆体类 掺量（%）别0.40.50.60.70.8备 注水泥129mm138mm155mm190mm2

14、35mm加水量20%，高效减水剂在加水搅拌2分钟后添加含20%矿渣超细粉125136185230265含20%磷渣细粉132170215250270含10%沸石超细粉不流动130195237mm高效减水剂在低掺量情况下（如0.4%，0.5%），含不含矿物质超细粉浆体的流动性差别不是很明显，但当高效减水剂掺量超过0.6%时，含磷渣超细粉与矿渣超细粉的水泥浆体比其准水泥浆体流动性明显增大。当高效减水剂掺量达到0.7%时，含20%沸石粉的水泥浆体较基准水泥浆体的流动性还高。这可能由于超细粉颗粒吸附高效减水剂分子，表面形成的双电层电位所产生的静电斥力大于粉体粒子之间的万有引力，粉体颗粒的分散，进一步促

15、进了水泥颗粒的分散，因此浆体流动性增大。如图-9NF水泥超细粉静电斥力(b)(a)图9 超细粉流化效应示意图（3）超细粉混凝土的耐久性效应超细粉对混凝土的耐久性效应可以归纳成两个方面：1）预防混凝土的耐久性病害发生，如碱一骨料反应。当混凝土中碱含量超过3kg/m3，骨料又具有碱活性情况下，混凝土则容易发生碱一骨料反应，如与水分作用，会产生膨胀，造成混凝土的开裂损伤，甚至破坏。一般情况下，在混凝土中掺入30%粉煤灰，40%矿渣，20%25%的天然沸石粉，15%20%的偏高岭土超细粉及10%硅粉，均能有效的抑制碱一硅反应的有害膨胀。锂渣超细粉也能抑制碱一硅反应的有害膨胀。但是碱碳酸盐反应膨胀的抑制

16、较难。2）抵抗混凝土耐久性病害的侵蚀。耐久性病害有一般的劣化作用外力，如温度、湿度及中性化作用，这对所有的混凝土及钢筋混凝土结构，都会遭受这种劣化外力的作用，另一种是特殊的劣化作用外力，如盐害、冻害、盐碱地腐蚀等，这就需要根据结构物所处的环境条件而定。如沿海地区，盐害最为严重；而东北与西北地区冻害较为突出。冬天的除冰盐，也会带来盐害。混凝土及钢筋混凝土结构，抵抗耐久性病害的侵蚀，除考虑一般劣化外力作用外，还要考虑特殊劣化外力作用，在混凝土中掺入矿物质超细粉是抵抗耐久性病害的一种有效技术途径，例如表-3所示。劣化因子矿物质超细粉作用AAR一般劣化外力特殊劣化外力ASRACR中性化及温、湿度变化冻

17、害（冻融300次）盐害导电量4000离20004000中10002000低1001000很低100可忽略也可以通过y2.577650.00492x求出相应Cl-扩散系数y氯离子扩散系数（10-9cm2/S）x电量（库仑）由此可见，通过不同品种矿物质超细粉，取代混凝土中部分水泥后，混凝土的抗氯离子渗透性能都明显提高。（4）超细粉的强度效应W/B0.38，高效减水剂掺量1.1%，水泥胶砂跳桌扩展度150mm，作为基础，然后将掺超细粉的胶砂减水，使其扩展度也在150mm左右（相差不超过3mm）作为比较组，测定3d、7d和28d强度，结果如表-6。 表-6 砂浆流动性相同含不含超细粉胶砂强度项目类别高

18、效减水剂掺量（%）砂浆跳桌扩展度（mm）W/B砂浆试件抗压强度（MPa）3d7d28d水泥1.11520.3841.2/10053.6/10071.2/100掺20%矿渣1.11500.3648.2/11764.8/12174.4/105.5掺20%磷渣1.11530.3542.4/10359.2/11089.7/126掺20%沸矿粉1.11500.3744.9/10963.2/11882.1/115.3通过以上试验证明，矿物质超细粉等量取代部分水泥后，使胶凝材料具有密实填充，与高效减水剂双掺情况下，使水泥基材料具有流化效应，耐久性效应和强度效应，是高性能混凝土可不缺少的组成材料。四、新型高效

19、减水剂新型高效减水剂如氨基磺酸系高效减水剂及多羧酸系高效减水剂。这两大系列的高效减水剂的特点是对水泥的分散能力强，减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量；混凝土拌合物的流动性大，且保持混凝土坍落度损失功能好；这两大系列高效减水剂中不含Na2SO4，能提高混凝土耐久性。归纳起来如图11所示。图11 混凝土化学外加剂综合性能图1高的减水率在低水灰比混凝土中（如W/C0.2的超高强高性能混凝土），需要减水率高、对水泥分散性好的减水剂。不同外加剂的使用量和减水率之间的关系如图12所示。图12 不同外加剂的用量与减水率关系由图可见，达到相同减水率20%时，聚多羧酸系减水剂的掺量的1.0%，而萘系减水剂的

20、掺量需2.0%，一般引气减水剂不管掺量多少均达不到这个减水率。高减水率的新型高效减水剂，对配制高强高流态混凝土十分有利。2控制坍落度损失功能混凝土的夏季施工，在施工中运输距离较远，而且混凝土泵送距离又很长时，必须具有控制坍落度损失功能，以保证混凝土的施工。新型高效减水剂具有十分好的控制混凝土坍落度损失功能，如表7及。在90分钟内坍落度损失仅1cm。表-7 高性能混凝土坍落度经时变化水灰比W/C(%)减 水 剂细骨材率s/a(%)单位量(kg/m3)坍落度种 类使用量(C%)水水泥0分30分60分90分35高性能AE减水剂0.904117048619.019.018.518.01.1021.52

21、1.521.020.5注：碎石20mm，山砂作者进行了高温下氨基磺酸系高效减水剂控制坍落度损失的试验。试验混凝土配合比如表-8，坍落度经时变化如表-9。表-8 混凝土配合比减水率代号W/B混凝土原材料用量（kg/m3）混凝土质量(kg/m3)水泥(1)硅粉水砂碎石(2)减水剂掺量/%A0.324505016075010503.02475A0.2850010016875010004.02542注：(1)小野田525；(2)碎石5mm20mm。 表-9 混凝土坍落度经时变化减水剂代号W/B初 始1小时后2小时后记录时间坍落度/cm记录时间坍落度/cm记录时间坍落后/cmA0.3215:3523.0

22、(室内)16:3522.0(室内)17:3522.0(室内)23.0(室外)21.5(室外)20.5(室外)A0.2815:5523.0(室内)16:5524.0(室内)17:3523.5(室内)23.0(室外)23.5(室外)23.0(室外)注：室内温度32，室外温度38。由表-9可见，水胶比0.32、0.28的高性能混凝土拌合物，在38的室外和32的室内，经2小时，基本上无坍落度损失。说明氨基磺酸系高效减水剂，能有效的控制混凝土坍落度损失。3控制坍落度损失的机理控制混凝土坍落度损失有多种方法，例如：（1）载体流化剂，以多孔矿物质粉体为高效减水剂载体，吸附高效减水剂，得到载体流化剂。将载体流

23、化剂掺入新拌混凝土中，被吸附的高效减水缓慢释放出来，为水泥粒子吸附，保持水泥粒子表面的zeta电位，使水泥粒子分散，从而维持混凝土的坍落度不变。（2）溶于碱不溶于水的有机共聚物，水泥与水搅拌后，由于掺入了高效减水剂而具有一定的坍落度，同时水泥水化产生Ca(OH)2，溶于碱不溶于水的有机共聚物，逐渐被Ca(OH)2溶解，同时也被吸附到水泥粒子表面，延缓水泥水化进行，从而控制坍落度损失。（3）新型高效减水剂，新型高效减水剂掺入水泥浆中，水泥粒子与减水剂分子之间的吸附形态如图14所示。图14 水泥粒子表面吸附高分子链的形态水泥粒子对减水剂吸附形态，因减水剂的类型及结构而不同，对减水性能及控制坍落度损

24、失均有很大影响。例如图15，萘磺酸盐系高效减水剂是一种刚性链横卧吸附（图14(f)），减水率相对低，控制坍落度损失功能差。而聚多羧酸盐及氨基磺酸系是齿轮型、引线型吸附（图14(a)）。在水泥颗粒表面，形成立体排斥力。减水率高，控制坍落度损失功能好。聚多羧酸盐特种木质素磺酸盐萘系减水剂图15 化学外加剂吸附模型（b）（a）图16 水泥粒子吸附萘系及氨基磺酸系高效减水剂的能量曲线由于水泥粒子吸附减水剂后，粒子间相互作用的能量曲线不同，分散和稳定的功能也不同，如图16(a)为萘系减水剂被水泥颗粒吸附后，相互作用的能量曲线。(b)为吸附新型高效减水剂水泥粒子相互作用能量曲线。后者分散能力强，控制坍落度

25、损失功能好。两者对坍落度损失控制及其机理如图17所示。图17 萘系的坍落度损失及氨基磺酸盐系高效减水剂控制坍落度损失机理五、工程实例1英吉利海峡隧道位于海平面下50250m，总长51KM，其中37KM位于海平面下。整个隧道由三条分隧道组成：2条通行道和一条维修道。设计寿命为120年，原设计采用规定强度为45MPa，实际上，由于耐久性方面要求，平均抗压强度达到约63MPa。水泥：采用两种当地海工用的水泥，C3A含量分别为0.690.77%。砂：由石灰石碎石与石英石组成。粗骨料：粒径512.5mm的石灰石碎石。表10 混凝土隧道衬里的组成海工水泥400kg/m3高效减水剂57kg/m3水灰比0.3

26、50.3201mm硅质河砂325kg/m304mm石灰石碎石340kg/m338mm石灰石碎石250kg/m3512.5mm石灰石碎石1060kg/m3坍落度100mm渗透系数（w/c=0.35）K=1.410-13m/s（8个月龄期）认为达到了120年的使用寿命2香港青马大桥设计使用寿命120年，原材料及混凝土配比如表11。要求混凝土CL扩散系数小于910-13m2/s（23下试验）（910-9cm2/s），但一直未达到，后掺5%硅粉，达到了设计要求。表11 青马大桥混凝土设计要求28天立方体试件强度50Mpa水泥种类普通水泥/2535%粉煤灰普通水泥/6575%矿渣水泥用量350550kg

27、/m3水胶比0.4最大氯离子含量胶结料中0.06%碱含量（折合Na2O）3kg/m33日本明石大桥耐久性设计要求120年，桥墩混凝土采用免振自密实混凝土，桥面及梁采用泵送高性能混凝土。混凝土配合比参数如下：W/B0.35胶凝材料用量500kg/m3，其中水泥60，其余为矿渣及粉煤灰。石灰石碎石1060kg/m3砂760kg/m3Cl扩散系数（通过电量1000库仑）4日本东京建造的两幢超高层住宅，住宅A地上43层，住宅B地上32层。高度均超过100m，柱间距约10m的大跨度。采用高强钢筋和高强度高性能混凝土，使柱子断面控制在950950mm以下。采用代号为S.F 2个搅拌站供应的商品混凝土。混凝

28、土配合比如表所示，施工应用结果如表12所示。 表12 日本超高层住宅采用的高强度、高性能混凝土设计基准强度(MPa)时期配合比强度(MPa)强度修正值(MPa)要求坍落度流动值(cm)W/B(%)含气量(%)单方混凝土材料用量(kg/m3)水胶结料细骨料粗骨料高效减水剂100S站夏季1236.260.021.02.015573864389123.6标准期12810.260.021.02.015573864389119.2冬季13214.060.021.02.015573864389114.8F站夏季1221.760.020.02.015577560887826.6标准期1243.660.021

29、.02.015573864887822.6冬季1275.060.021.02.015573864887818.580S站常年10611.860.026.02.015559676789117.8F站常年1025.260.025.02.015562074387819.2注：胶结料组成为 水泥：矿渣石膏：硅粉=7：2：1表13 混凝土施工中一天内的质量变化设计基准强度100MPa80MPa搅拌站名称S站F站S站F站试验次数1517815坍落度流动值(cm)平均值60.162.062.462.9标准差3.02.71.61.4变异系数5.0%4.4%2.6%2.2%单方混凝土用水量(kg/m3)平均值154148152155标准差4.62.82.74.4变异系数3.0%1.9%1.8%2.8%标养28天强度(MPa)平均值101105102107标准差4.03.31.82.2变异系数4.0%3.1%1.8%2.1%标养56天强度(MPa)平均值115111111112标准差1.52.52.02.2变异系数1.3%2.3%1.8%2.0%