高强混凝土.ppt

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1、高强混凝土刘艳军13621027649,010-88752105PhD，PE，LEEDAP，M.ASCE北京建筑材料科学研究总院固体废弃物综合利用与节能建材国家重点实验室高强混凝土与水泥行业可持续发展nSocial value-sustainable developmentnResource-efficiencynSafety-protectionnFinancial-responsibilitynOperational-continuitynLongevity&durability nBy-product reductionnAestheticsnSocietal connectivity报

2、告内容n高强混凝土发展历史背景n高强混凝土的原材料选择n高强混凝土的配合比n高强混凝土的性能n高强混凝土的质量控制n高强混凝土的经济考虑n高强混凝土的应用高强混凝土的历史发展背景1950s，30Mpa1960s，4152Mpa1970s，62Mpa现在，138Mpa800Mpa in Lab高强混凝土的发展历史n1970s，高强混凝土的发展主要是在美国。n芝加哥Water Tower Place，1976年完工，高260m，要求混凝土抗压强度9000psi（62Mpa）应用于柱和剪力墙。n芝加哥，311 South Wacker Building，1990年完工，293m，要求12000psi

3、（83Mpa）高强混凝土用于钢筋混凝土柱。n芝加哥，Two Union Square in Seattle,1989年完工，设计强度19000psi（131Mpa）n台北101大厦，高509m，2004年完成，应用设计强度为69Mpa复合柱子。nPetranus Tower 1 and 2,马来西亚，80Mpa高强混凝土柱和剪力墙，高452m。高强混凝土的发展历史n完全的钢筋混凝土结构，Citic Plaza，中国广州，高391m。nTrump World Tower,New York，2001年完工。世界最高的钢筋混凝土民用建筑。应用于柱子的混凝土强度为83Mpa。nBurj Dubai T

4、ower，In Dubai，UAE，600多米高，完全的钢筋混凝土民用建筑，2009年完工，混凝土设计强度80Mpa。n1990s，Concho River Overpass,in Saint Angelo，TX，美国，高强混凝土预应力梁用于大跨度桥梁设计，要求混凝土设计强度101Mpa。高强混凝土的发展历史n高强混凝土用于箱梁设计n高强混凝土用于索拉桥n沿海工程，要求高强混凝土，为了达到耐久性要求。高强混凝土的定义n2001年，ACI Committee 363 Concrete that has a specified compressive strength for design of

5、8000psi(55psi)or greater.n定义在55Mpa，是因为高于这个值，我们必须采取特殊的措施在配置，浇筑等程序n高于8000psi后产生的所有变化，代表着从低强度混凝土到高强度混凝土的过度。n许多经验方程需要重新评估高强混凝土的原材料选择n和普通混凝土相比，高强混凝土原材料选择的几个基础n工作性n强度发展n需要高质量原材料n原材料的标准要求必须得到执行n现场以及实验室试拌非常必要，以确定原材料的质量与适合性水泥类型的选择n水泥类型的选择非常重要n水泥的选择应根据混凝土性能的要求来定n早强型（主要用于预应力钢筋混凝土，抢修抢建工程）n中热型n低热型n不同类型的水泥具有不同的强度

6、发展特征，特别在水化早期n水泥类型对强度的影响比对弹性模量的影响更加显著n选择水泥生产厂家时，掌握此前612个月的出场报告单以了解其稳定性n水泥的强度特征n水泥的质量稳定性n严格控制水泥的物理和化学特征，掌握水泥物理及化学性能随时间的变化水泥品牌和强度特征水泥类型的选择n水泥物化性能波动举例nC3S的含量波动高于4%n烧失量波动高于0.5%n水泥细度波动高于35m2/kgnSO3的含量波动不能超过0.2%n可靠的评价用于高强混凝土的水泥的措施n水泥胶砂强度测试（不够)，还要结合：n水泥浆体的和易性n凝结时间n模拟工程现场条件下的混凝土实验室试配，考虑骨料、掺合料和外加剂的影响n水泥基材料的需水

7、量特征对高强混凝土来说非常重要，因为W/CM很低n后期强度测试和早期强度测试同等重要，特别是56天强度水泥类型的选择n高强混凝土用水泥基材料的类型和比例对水化热的影响，对大体积混凝土的影响异常显著，直接后果就是开裂n低热水泥或中热水泥n增加低活性或惰性掺合料n水泥掺合料系统的优化n掺合料和外加剂的掺量依赖于水泥特征n水泥、掺合料、外加剂的最佳掺量n低成本配合比掺合料的选择n水泥混凝土掺合料的种类n粉煤灰n矿渣n硅灰n沸石粉n石灰石粉n其他天然火山灰材料n掺合料改变了胶凝材料系统的本征组份，实际上已经成为获得高强混凝土的必要组分n水化特征：和水泥类似，遇水水化生成凝胶n火山活性：硅铝材料和氢氧化

8、钙反应生成CSH凝胶n填充效应n没有掺合料，很难获得超高强混凝土掺合料的选择n混凝土掺合料的作用n获得高强度n新拌混凝土的工作性n可泵性n易于抹面n耐久性n经济性n混凝土掺合料的选择n可接受性n均匀性n强度发展特征n和其他材料（包括外加剂）的相容性粉煤灰n粉煤灰的种类n高钙粉煤灰（Class C)n火山灰活性n水化性能n低钙粉煤灰（Class F）n火山灰活性n根据细度、需水量和烧失量等nI-级灰nII-级灰nIII-级灰n粉煤灰的掺量n根据设计强度和龄期的需要n例如，要求28天抗压强度达到40Mpa，胶凝材料含量为225kg/m3的混凝土最佳高钙粉煤灰的含量大约为25%；然而，要求56天设计

9、强度达到69Mpa，胶凝材料含量为450kg/m3的高钙粉煤灰的最佳产量大约为40%。n粉煤灰的质量控制硅灰n硅灰的物理特征及应用情况n高活性的无定形二氧化硅n比重2.2n细度18000m2/kg22000m2/kg,采用吸氮法测（Nitrogen Adsorption Technique),颗粒基本上小于1m，介于0.10.3m之间。n高火山灰活性n超细颗粒的填充作用n超细颗粒导致需水量大，需配合高效减水剂使用n掺量510%n减小泌水，但塑性收缩增加，有导致塑性开裂的风险，加强养护措施n用于结构混凝土和修补材料n高强n高耐磨性n低渗透性高活性麦高岭土n高活性麦高岭土的特征n高活性硅铝质火山灰

10、材料n在一定温度下煅烧高岭土的产物n白色粉体n颗粒小于水泥颗粒，但大于硅灰的颗粒，一般为2m左右n比重大约2.5左右n减小泌水n增加塑性收缩，加强养护措施n掺量大约在5%15%之间（质量百分比)n用于高强，低渗透混凝土的掺合料矿渣主要化学成分nSiO2nCaOnAl2O3nFe2O3nK2OnNa2On主要矿物成分nC3SnC2SnC4AF等n掺量n30%50%掺合料的评价和选择n实验室试配n材料来源的稳定性n材料处理方法的一致性n配合比的优化n力学性能和其他性能的优化化学外加剂n缓凝型的外加剂n正常凝结型的外加剂n高效减水剂n促凝剂n引气剂n复合外加剂 “使用条件”和“相容性”骨料n高质量的

11、骨料n至少要满足ASTM C33/C33Mn细骨料n圆形，表面光滑n颗粒级配，细度模数低于2.5的细骨料配置的混凝土粘度高，很难密实；细度模数大约为3.0时，混凝土具有最好的工作性和强度。n通过No.50和No.100筛的量要低n对于高强混凝土来说，细骨料的细度模数的影响并不是特别显著n严格控制含泥量n连续级配的砂比间断级配的砂更有利于配置高强混凝土骨料n粗骨料n矿物学特征、级配，形状，表面织构，干净程度影响高强混凝土力学性能n低水胶比使浆体和骨料之间转换区域强度显著改善，骨料的强度对混凝土的强度起决定作用n粗骨料占混凝土体积的5070%，其最佳用量取决于最大粒径和细骨料的细度模数；随着细骨料

12、的细度模数增加，粗骨料用量降低。n研究表明：要使高胶凝材料低水胶比的混凝土获得最优强度，粗骨料最大粒径应控制在1/2in 或3/8in；最大粒径3/4in到1in也用的很成功。n在高强混凝土中，推荐使用最大粒径小于1/2in的粗骨料n粗糙的粗骨料颗粒表面更有利于配置高强混凝土n碎石好于卵石n长方形颗粒尽可能少n粗骨料的固有强度，高强骨料配置高强混凝土水n饮用水高强混凝土配合比设计刘艳军PhD，PE，LEEDAP，M.ASCE北京建筑材料科学研究总院固体废弃物综合利用与节能建材国家重点实验室高强混凝土的配合比设计n强度要求n测试龄期n材料特征n应用类型n结构要求n养护环境n经济条件高强混凝土配合

13、比设计n掺合料的选择n化学外加剂的选择n低水胶比n通过大量的试拌获得优化的配合比高强混凝土配合比设计n几个要点：n水胶比，用水量和胶凝材料总量的比值n适用于普通混凝土的水胶比与强度的关系同样适用于高强混凝土n胶凝材料的用量超出一个优化值之后并不会导致强度的继续增长n高强混凝土的水胶比范围：0.250.40n液体外加剂中的水也必须包括在总用水量之中n粗骨料粒径，10mm左右，913mmn典型的胶凝材料用量380593kg/m3高强混凝土的配合比设计n如何获得优化的胶凝材料用量？n试拌n胶凝材料用量要达到同等的和易性n固定水含量，调整外加剂n固定外加剂，调整水含量n强度的优化是胶凝材料比例的优化n

14、胶凝材料的最佳用量与强度的优化和粗骨料最大粒径有关。对高强混凝土来说，粗骨料尺寸越小，胶凝材料的最优用量高强混凝土的配合比设计n胶凝材料利用效率n单位体积混凝土每公斤胶凝材料对混凝土强度的贡献值，Mpa/kg/m3n56天抗压强度设计值110Mpa，使用10mm的碎石为粗骨料，胶凝材料用量380kg/m3,胶凝材料的效率为0.29Mpa/kg/m3n限制最大胶凝材料用量的几个因子n如果胶凝材料的用量超过优化值，混凝土的强度可能下降n胶凝材料的最大含量受分散剂的影响（减水剂）n考虑对新拌混凝土工作性、浇筑性能、密室性能、抹面性能的影响。n混凝土的最高温度要求限制胶凝材料的类型和用量n高胶凝材料含

15、量导致粘稠的拌合物，是新拌混凝土的工作性变差，因此，需要较少胶凝材料用量，并调整骨料的用量和骨料的类型，颗粒级配等引气剂n增强抗冻融能力n毛细孔水结冰导致9%的体积增加，从而产生拉应力，导致开裂。n高强混凝土具有高强低渗透性能，毛细孔中的水很少，抗冻融能力强n临界饱和度（Critical Saturation Threshold)-91.7%;低于临界饱和度，一般不用担心冻融问题；超过临界饱和度，没有资料记载说“不加引气剂也可以”n引气剂对强度的影响都是负面的，掺加引气剂导致强度降低。因此，掺加引气剂的混凝土，为了达到相同的设计强度，必须增加胶凝材料的用量。举例来说：27Mpa的混凝土，胶凝材

16、料用量需增加大约30kg/m3；41Mpa 的混凝土，胶凝材料用量需增加大约90kg/m3；设计强度高于41Mpa的混凝土，强度降低非常大，需要硅灰或高岭土做掺合料以保持强度。n除非特别需要，不要加引气剂掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第一步：选择塌落度和设计强度n塌落度选择n设计强度n现场经验 EQ2-1；EQ2-2n试验室试配 EQ2-3nEQ2-3 的设计强度高于EQ2-1和EQ2-2掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第二步 选择最大骨料粒径n不超过模板间距最小尺寸的1/5n混凝土板设计厚度的1/3n钢筋间距的3/4掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第三步 选择粗骨料的最佳含量n

17、普通混凝土的粗骨料含量取决于骨料最大粒径和细骨料的细度模数n高强混凝土的粗骨料用量取决于粗骨料的强度特征和最大粒径，因为掺合料用量高n右边表中的值适用于细度模数介于2.53.2之间的砂n粗骨料的用量=粗骨料用量因子烘干捣实容重1m3掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第四步 估计拌合水和含气量n取决于骨料的最大粒径、颗粒形状、颗粒级配；胶凝材料用量；减水剂类型n右表给出添加减水剂之前的估计用水量和含气量n右表适用于形状规则、干净，连续级配的粗骨料配置的混凝土n右表适用于孔隙率为35%的砂配置的混凝土n如果砂的孔隙率不等于35%，用水量调整因子（lb/yd3)=（V-35）8掺加粉煤灰的高强混凝

18、土设计程序举例n第五步 选择水胶比，w/(c+p)n右表给出了与不同最大粒径的粗骨料相应的水胶比n表a是掺加高效减水剂的n表b是不掺加高效减水剂的n如果胶凝材料用量超出1000lb，选择其他胶凝材料。掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第六步 计算胶凝材料用量n水用量，第四步n水胶比，第五步n胶凝材料用量=第四步/第五步n超出1000lb/yd3,重新选择胶凝材料掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第七步 没有掺合料的基础配合比设计n水泥含量，第六步n砂含量，已知粗骨料，水，水泥，含气量，砂含量利用绝对体积法计算n第八步 有粉煤灰的伴随配合比设计n粉煤灰类型n替代掺量n粉煤灰的重量n粉煤灰的体

19、积n砂用量，已知粗骨料、胶凝材料、水和气体的体积，绝对体积法n保持胶凝材料和砂的体积为常量，考虑用水量和粉煤灰用量的变化，调整配合比n第九步，试配n观察工作性n测试强度n注意骨料含水率的变化掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第十步 调整配合比n新拌混凝土初始塌落度n调水n调外加剂n满足塌落度要求后，是否易于浇筑？n调粗骨料含量n调砂含量n调胶凝材料含量n调水用量 *调整后，注意力学性能变化n含气量n太高，降低引气剂用量，然后调砂用量以确保体积不变n水胶比n强度低？降低水胶比，还低？改变胶凝材料用量掺加粉煤灰的高强混凝土设计程序举例n第十一步 选择优化配合比 实验室试拌之后，加入工作性和强度都

20、符合要求，进行模拟现场条件的生产规模试拌，选择力学性能、工作性能符合要求，有经济的配合比。高强混凝土配合比设计应用实例高强混凝土配合比设计应用实例高强混凝土配合比设计应用实例高强混凝土配合比注意事项AE对强度的影响高强混凝土配合比注意事项高强混凝土配合比注意事项n细骨料n细度模数（M)n颗粒级配，No.50和No.100号筛（300m和150m）的筛余较大的，混凝土工作性要好n细骨料含量达，要求浆体的量也大，不经济n不同细骨料搭配使用，使颗粒级配优化n细骨料太低，新拌混凝土的工作性变差n抹面性能差n除非加强振捣密实措施高强混凝土配合比注意事项n优化用量决定于细骨料的细度模数n高强混凝土，对于给

21、定的水胶比，获得最高强度，要用小粒径粗骨料n需要高工作性，减少粗骨料的用量n粗骨料的尺寸和含量参考：弹性模量，收缩和徐变以及水化热n对于给定的胶凝材料用量和工作性要求，尽可能少用细骨料以获得更高的强度n减少细骨料的用量会导致可泵性差，离析等现象高强混凝土配合比注意事项 粗骨料高强混凝土配合比注意事项n高强混凝土的掺合料大多采用双掺的形式，即硅灰或高活性麦高岭土和粉煤灰或矿渣搭配n硅灰或高活性麦高岭土：占总胶凝材料质量的5%15%n粉煤灰和超细粉煤灰搭配也可以用于高强混凝土，起需水量比水泥低；磨细矿渣的需水量和水泥差不多n硅灰和高活性麦高岭土的需水量较大，需仔细配以高效减水剂使用n高效减水剂、超

22、塑化剂（缓凝型、早强型），确保塌落度损失可控。n掺合料和外加剂的适应性高强混凝土配合比注意事项n试验室试拌n新拌混凝土的工作性n流动性n稳定性n可泵性n易抹面性n现场试拌混凝土的生产质量控制n骨料的含水率要均匀n细骨料的含水率要连续监控n粗骨料的含水率至少一天测一次，或生产中的任何时候觉得其含水量有显著变化n原材料的温度要确保新拌混凝土的温度在1824oC之间n胶凝材料的最高温度要控制在66oC以下，特别是在热天浇筑的条件下混凝土的生产质量控制n在各种相对湿度条件下，混凝土温度可能导致混凝土开裂混凝土的生产质量控制n养护温度对抗压强度的影响n养护温度越高，早期强度高，后期强度低n养护温度低，早

23、期强度低，后期强度高混凝土的生产质量控制n冷却水对混凝土温度的影响混凝土的生产质量控制n拌合水中的冰对混凝土温度的影响n温度为正常拌合水温度混凝土的生产质量控制n温度与水泥类型对砂浆凝结时间的影响混凝土的生产质量控制n混凝土组分的温度对混凝土温度的影响混凝土的生产质量控制n混凝土温度，大气温度，湿度对混凝土质量的影响混凝土的生产质量控制n温度对混凝土工作性的影响混凝土的生产质量控制混凝土的生产质量控制n骨料尺寸对混凝土强度的影响混凝土的生产质量控制n实验室测试和现场测试的差别混凝土的生产质量控制n高强混凝土的强度和水胶比的关系高强混凝土的力学性能n高强混凝土的强度和弹性模量的关系高强混凝土的力

24、学性能n粗骨料含量和养护条件对高强混凝土弹性模量的影响高强混凝土的力学性能n骨料类型影响弹性模量和强度的关系高强混凝土的力学性能n弹性模量和强度之间关系的经验方程高强混凝土的力学性能n断裂模量和强度的关系高强混凝土的力学性能n劈裂抗拉强度和抗压强度的关系高强混凝土的力学性能n劈裂抗拉强度和抗压强度的关系，ACI高强混凝土的力学性能n劈裂抗拉强度和抗压强度的关系高强混凝土的力学性能n骨料类型和来源对高强混凝土热膨胀性能的影响高强混凝土的力学性能n混凝土温升高强混凝土的物理性能n大体积混凝土温升高强混凝土的力学性能n混凝土的强度与徐变特征高强混凝土的力学性能n高强混凝土抗渗性能高强混凝土的力学性能n电通量和混凝土最大温升的关系高强混凝土的经济性高强混凝土的经济性给定横截面，40in（1000抹面）的混凝土柱支撑1000kips（4.45MN，使用高强混凝土显著降低了造价。高强混凝土的经济性高强混凝土的经济性高强混凝土的经济性高强混凝土的经济性高强混凝土的应用-桥梁基础设施高强混凝土的应用-工业与民用建筑工程 谢谢大家！