高性能商品混凝土制备、性能与应用技术-新.PPT

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高性能商品混凝土制备、性能与应用技术,秦鸿根教授级高工,东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,二,00,九年十一月,主要内容：,高性能商品砼制备要求,高性能商品砼原材料质量,高性能商品砼配合比设计,高性能商品砼优化与调整原则,高性能商品砼施工技术,砼外加剂与水泥的适应性,水泥的性能与应用中的有关问题,高性能粉煤灰砼性能研究实例,混凝土术语,普通混凝土：干密度为,2000,2800,开工,lg/m,3,的水泥混凝土。,干硬性混凝土：拌合物坍落度小于,10mm,且须用维勃稠度表示其稠度的 混凝土 。,塑性混凝土：拌合物坍落度为,10,90mm,的混凝土。,流动性混凝土：拌合物坍落度为,100,150mm,的混凝土。,大流动性砼：拌合物坍落度等于或大于,160,150mm,的混凝土。,抗渗混凝土：抗渗等级等于或大于,P6,级的混凝土。,抗冻混凝土：抗冻等级等于或大于,F50,级的混凝土。,高强混凝土：强度等级为,C60,及其以上的 混凝土。,泵送混凝土：拌合物坍落度不低于,100mm,并用于泵送施工的砼。,大体积混凝土：混凝土结构实体最小尺寸等于或大于,1m,，或预计因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。,一、高性能商品混凝土制备要求,对新拌砼工作性、可泵性要求,对商品砼强度的要求,对商品砼耐久性的要求,1.1,流动性,坍落度与坍损,T,O,=T,1,+,T T,O,初始坍落度，,T,1,入泵坍落度，,T,坍损,表,1,1,砼入泵坍落度选用表,泵送高度（,m,）,100,T,1,(mm),100,140,140,160,160,180,180,200,要求：坍损越小越好，一般,1h,20,不但原材料要满足要求，流动性大，而且要粘聚性好， 保水性好。,常压泌水率要小。,压力泌水率一般,40,130ml,，最好,70,100ml,。,1.2,可泵性,砼易于泵送不产生堵管，分层离析和泌水,等性能,。,2,、对商品砼强度的要求,中低强混凝土：,C20,C50,高强混凝土：,C60,C80,配制强度,7,d,与,28d,抗压强度关系一般相差,10MPa,左右，要求,7,d,抗压强度为,28d,抗压强度,0.850.9,倍。,3,、对商品砼耐久性要求,3.1,抗渗性要求 有,P6,、,P8,、,P10,、,P12,、,P14,。提高抗渗性措施：,水泥,32.5,级以上，,PII,水泥和,PO,水泥为好，,用量,320kg/m,3,；,骨料以中砂和连续级配为好，,Dmax40mm,，,减少含泥量和泥块含量；,适当提高含砂率，适当减少,W/C,和增加胶凝材料用量；,对要求较高的可掺适量减水剂，引气剂或膨胀剂。,有,F50,、,F100,、,F150,、,F200,、,F250,、,F300,等提高抗冻性措施：,严格控制最大,W/C,。,控制最小水泥用量。,对抗冻要求较高（,F50,），要掺引气剂或引气型减水剂。,3.3,其他耐久性指标,:,干燥收缩 小于,0.040%,抗裂性：达到,I,级炕裂要求；,碳化：达到设计年限；,抗侵蚀性,(,酸、,SO,=,4,、,Cl,-,等,),氯离子扩散系数小于,71010,-12,m,2,/s,，电量小于,1000C,；,碱骨料反应；不发生碱骨料反应。,3.2,抗冻性要求,二、耐久性为主的,HPC,配合比设计法则,高耐久性混凝土首要条件是抗裂性好和体积稳定性好。其特点是低渗透性（包括水密性和抗化学侵蚀性）、无龟裂，内部结构的自愈性和长期强度缓慢持续发展。,以耐久性为主的,HPC,配合比设计应综合采用如下法则：,低用水量法则,系指在满足工作性条件下尽量减少用水量。混凝土高拌和水量的后果是：抗压和抗折强度降低、吸水率和渗透性增大、水密性降低、干缩裂缝出现的几率加大、骨料与水泥石界面粘结力和钢筋与砼界面握裹力减小、混凝土干湿体积变化率加大和抗风化能力降低。为解决,HPC,用水量应,160kg/m3,。,低水泥用量法则,系指满足混凝土工作性和强度前提下尽量减小水泥用量，这是提高砼体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。水泥水化过程表明，水泥和水的正效应是作为砼的活性组分，是粘结砼中砂石骨料并形成整体强度的胶凝材料，但同时也是砼耐久性的主要劣化因子：氢氧化钙为不稳定相，易溶于水析出，其含量过多对耐久性不利，水泥中的碱和活性骨料在,CH,条件下易产生,AAR,反应。,环境中的硫会与,Afm,、,C3A,生成,Aft,或石膏而导致水泥石体积膨胀。同时过高的水泥浆量会产生大的水化热、高的坍落度损失，增大塑性收缩裂缝出现的几率，导致砼弹性模量降低，干燥收缩率增大与徐变值提高。因此，对中、高强砼提高水泥用量并不能改善砼性能。,最大堆积密度法则,系指优化混凝土中骨料的级配设计，获取最大堆积密度和最小空隙率，以便尽可能减少水泥浆的用量，来达到降低含砂率，减少用水量和水泥用量之目的,水灰比法则,在一定范围内混凝土抗压强度与其拌合物的灰水比成正比，减小,W/C,，砼抗压强度和体积稳定性提高。但为保证混凝土的抗裂性能，水灰比应适当，不宜过小，过小的,W/C,易导致混凝土自生收缩率增大。,活性掺合料与高效减水剂双掺法则,HPC,的配制必须发挥活性掺合料与高效减水剂的超叠迭加效应，从而达到减少水泥用量和用水量、密实砼内部结构，使混凝土强度持续稳定发展，耐久性得以改善的目的。从而使混凝土具有高电阻和低电渗成为可能。,总之耐久性好的,HPC,配合比设计关键是用水量低（减少渗透性，掺减水剂改善工作性），水泥用量少（降低受侵蚀、减少单位体积砼中碱含量、,CH,和,C3A,含量），骨料用量增多（增加砼结构的稳定性），采用矿物掺合料（抗渗与固定体积） 。,水泥,粉煤灰,矿渣微粉,砂、石骨料,外加剂,水,三、高性能商品砼原材料质量要求,1,、,水泥 水泥的性能指标,序号,测试内容,标准指标,P.,42.5,P.O42.5,1,标准稠度（）,23,26,23,26,2,初凝时间,45min,终凝时间,390min,600 min,3,安定性,合格,4,细度（比表面积）,300m,2,/kg,5,3d,抗折（,MPa,）,3.5,28d,抗折（,MPa,）,6.5,6,3d,抗压（,MPa,）,17.0,28d,抗压（,MPa,）,42.5,7,总碱含量（）,0.60,或者买卖双方协商,检测依据：依据,GB175,、,GB176,标准进行,2,、粉煤灰,3,、矿渣微粉,4,、粗细骨料,5,、外加剂,表,2-5,缓凝型减水剂质量指标,序号,检测内容,缓凝型高效,缓凝型高性能,1,减水率（）,14,25,2,泌水率比（）,100,70,3,含气量（）,4.5,6.0,4,凝结时间差,（初凝）（,min,）,+90,+90,5,抗压强度比（）,3d,/,/,7d,125,140,28d,120,130,6,收缩率比（）,28d,135,110,7,氯离子含量,(%),不超过生产厂家控制,6,、水,四、,HPC,配合比设计中的关键技术,1.,关于混凝土工作性,流动性 流动性用坍落度表示，泵送混凝土属于大流动性混凝土。坍落度损失不宜过大，一般需要控制,1h,坍落度损失率不大于,20%,。,混凝土入泵坍落度与混凝土泵送高度有关,(,见表,1),根据混凝土的入泵坍落度与坍落度损失，即可算出混凝土初始坍落度,T0,，即,T0= T1+T,。,表,1,混凝土入泵坍落度选用表,泵送高度,(m),100,入泵坍落度,100,140,140,160,160,180,180,200,可泵性 可泵性表示混凝土易于泵送而不产生堵管或分层离析和泌水等性能,可泵性好的混凝土,不但混凝土原材料应满足要求,流动性大,而且粘聚性、保水性好。常压泌水率要小，压力泌水值一般控制在,40,130ml,，以,70,130ml,为好。,2.关于配制强度,根据混凝土结构设计强度要求，高性能混凝土强度等级有C40、C50、C60、C70、C80等。混凝土标准养护28,d,或,自然,养护600,d,的,抗压强度达标率不低于,95%,。,对C30以上的混凝土，其计算配制强度用的标准差，不小于3.0MPa，一般取6.0MPa。因此混凝土配制强度：C60混凝土为69.9MPa，C50混凝土为59.9MPa，C40混凝土取49.9MPa。JTJ041-2000规定，配制强度不得小于设计强度的1.15倍。,混凝土的抗压强度，是结构混凝土最主要的指标，必须达到设计要求，混凝土强度等级保证率不低于,95%,。但混凝土抗压强度也不宜过高，即超标太多。如超过设计强度,3,个等级以上，该混凝土不是最佳的混凝土，不仅增加了材料成本，而且还会使混凝土的胶凝材料用量过高，从而降低了混凝土的长期耐久性能 。,3.,关于混凝土耐久性,近年来人们对混凝土耐久性的认识日益提高，国外各标准中也均把耐久性列为混凝土的最重要指标，已不是对特殊要求的混凝土才要考虑耐久性，而对所有混凝土均应予以考虑，特别是对像大型桥梁要求使用寿命在百年以上的重大工程，更应该重视混凝土的耐久性能。,欧洲混凝土协会（,CEB,）和国际预应力混凝土协会（,FIP,）,1990,年模式规范中的规定，其分类细致、科学，控制指标合理。在,CEB-FIP,模式规范中，对混凝土所处的环境分为,5,类,9,级，即（,1,）干燥环境，（,2,）潮湿环境（分无冻害和有冻害,2,级），（,3,）有冻害和除冰剂的潮湿环境，（,4,）海水环境（分,2,级），（,5,）侵蚀性化学环境（分,3,级），并就每级环境对混凝土提出了相应的要求。,中国土木工程学会,CCES01-2004,混凝土结构耐久性设计与施工指南,（,2005,年修订），将混凝土结构的设计使用年限分为,100,年、,50,年、和,30,年三级，将不同的环境类别的作用等级分为,A,（可忽略）、,B,（轻度）、,C,（中度）、,D,（严重）、,E,（非常严重）、,F,（极端严重）,6,级。并提出混凝土抗氯离子侵入性指标（见表,2,）。,表,2,混凝土抗氯离子侵入性指标,使用年限级别,一,二,作用等级,抗侵入性指标,D,E,F,D,E,F,氯离子扩散系数,（,28d,）,小于，,/10,-12,m,2,7,4,1,10,6,2,电量指标,（,56d,）,小于，,/,库仑,1200,800,800,1500,1000,800,对,C40,以下的中低等级混凝土，一般耐久性能主要是控制最大水灰比和最小水泥用量；而对于,C40,以上混凝土耐久性能要考虑控制胶凝材料特别是水泥的最大用量，水化热和收缩裂缝等问题，对潮湿环境且有冻害作用等情况，则要考虑到采用引气来提高混凝土耐久性（抗冻性和抗渗性）；对海水环境和侵蚀性化学环境，则要根据具体情况考虑抗氯盐、硫酸盐和各类酸的腐蚀以及碱骨料反应。对预应力混凝土和钢筋混凝土还要考虑其碳化和钢筋锈蚀等问题。,4.,关于水灰比,水灰比是决定混凝土强度最重要的因素；,JGJ55-2000,规定的水灰比计算公式为：,对碎石混凝土，回归系数,=0.46,，,=0.07,，为水泥,28d,抗压强度的实测值。为混凝土配制强度。当采用,42.5,级,PO,水泥，,47.5MPa,时，,C40,混凝土,w/c=0.42,，,C50,混凝土，,w/c=0.35,，,C60,混凝土，,w/c=0.30,。,5. 关于用水量,用水量与混凝土强度等级、石子最大粒径、砂子的细度模数和外加剂用量有关。为了控制胶凝材料用量，保证集料用量，单位用水量随混凝土强度等级的提高而降低，因此对高强度等级混凝土，必须掺用高效碱水剂来控制混凝土的单位用水量和水泥用量。对普通混凝土，外加剂的减水率为，则掺外加剂混凝土用水量。对C40C50的泵送混凝土，坍落度在160200mm，一般用水量在155180,kg/m3,之间。对耐久性较高的混凝土用水量宜不大于,165,kg/m3,。,6.,关于胶凝材料用量,胶凝材料为水泥和掺合料（包括粉煤灰、矿渣微粉等）的总量。一般中高强混凝土胶凝材料用量不超过,500kg/m,3,，,JTJ041-2000,规定，高强混凝土，水泥用量不超过,500kg/m,3,，胶凝材料用量不超过,550kg/m,3,。,这对桥用混凝土是很重要的。控制胶凝材料用量，可减少预应力混凝土的收缩和徐变，降低水化热，避免收缩裂缝，对长期耐久性有利。,7.,关于砂率与粗集料用量,合理的砂率是保证混凝土工作性和长期耐久性的重要因素。砂率过小，混凝土和易性变差，混凝土内部密实性得不到保证；砂率过大，会造成砂浆过多，粗集料用量减少，水泥用量和用水量增加，对混凝土收缩徐变性能不利。,砂率的计算公式为：,上式表明，砂率的大小与砂子的细度模数、水泥用量、砂石的堆积密度和石子的空隙率等因素有关，还与坍落度大小有关，标准规定，坍落度每增大,20mm,，砂率应增大,1%,。,对预应力混凝土，应控制含砂率，使粗骨料用量不小于,1100kg/m3,。这对减少混凝土的收缩徐变和耐久性是必要的。,8.关于外加剂和掺合料,随着混凝土技术的发展，外加剂和掺合料作为高性能混凝土必不可少的重要组分，其应用日益普遍。因此其掺量也是混凝土配合比设计时需要确定的重要参数。,要降低用水量、减小,w/c,、控制水泥用量，提高混凝土耐久性，其关键技术是正确选用复合型高效减水剂和活性掺合料。,混凝土的外加剂品种甚多，性能各异。配制高性能混凝土主要采用复合型高效减水剂，具有缓凝保塑和引气作用，高效减水剂的吸附分散和润滑湿润作用，不但减小了,W/C,，改善了混能土的流动性，而且使混凝土内部结构均匀，浆体与集料界面粘结改善，混凝土密实性提高，强度提高，适当的引气,(,含气量,3%,4%),，可提高混凝土抗冻和抗渗性。,混凝土的掺合料品种逐渐增多，有硅灰，稻壳灰，粉煤灰，矿渣微粉，沸石粉等。而最常用的优质粉煤灰和矿渣微粉，,级粉煤灰面广量大，价格低廉。掺合料的应用，不单纯是为了降低成本、节约资源，更主要的是改善混凝土的性能。,优质粉煤灰在混凝土中具有形态效应、微集料效应和活性效应，特别在高效减水剂的复合作用下，上述三大效应可达到充分的发挥 。,在硬化水泥石中，氢氧化钙晶体含量占,20%,左右，氢氧化钙呈六方板状或柱状晶体，晶粒粗大，易在原充水空间或集料界面处生成，晶体取向性强，且为溶解度最大的水化产物，稳定性差，氢氧化钙会削弱水泥石与集料的界面粘结力，还容易产生淡水腐蚀。,在混凝土中掺入活性矿物掺合料，与水泥水化产物氢氧化钙发生二次反应生成稳定的,C-S-H,凝胶，使氢氧化钙数量减少，晶粒细化，界面粘结强度提高，混凝土内部结构更致密。混凝土的强度可持续增长，耐久性改善。,GBJ146-90,标准中规定，粉煤灰在预应力混凝土中，取代硅酸盐水泥不超过,25%,，取代普通水泥不超过,15%,，在钢筋混凝土中取代硅酸盐水泥不大于,25%,，取代普通水泥不大于,20%,。,实验表明，在这种掺量下，特别是与高效减水剂相复合时，混凝土的力学性能、碳化和抗钢筋锈蚀性能是完全能保证的。而且对抗干缩、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子腐蚀均有改善作用。,9.,关于混凝土试配与优选,对计算的混凝土进行试配和配合比调整，对其工作性,强度和耐久性进行验证，优选最佳配合比是,HPC,设计的关键环节。,测定混凝土的和易性，包括流动性、保水性、粘聚性、坍落度经时损失和可泵性等，使之满足工程的泵送和浇筑要求；,测定混凝土的抗压、抗折强度、弹性模量等力学性能，使之满足混凝土结构的设计要求。根据需要测定混凝土收缩变形性能，抗渗、抗冻碳化和钢筋锈蚀性能；,某些重要工程尚应测试混凝土的耐化学腐蚀性能，碱集料反应和电阻电渗等性能。通过试配测试与调整，优选以满足工程设计需如最佳,HPC,配置配合比,。,设计指标,:,安全性（强度）、工作性、耐久性、经济性、生态性,砼配合比计算,砼配合比试配、调整与确定,五、高性能商品砼配合比设计,开 始,输入,f,cu,k,、,f,ce,、,o,、,m,、,W,p,、,T,、,a,、,输入,D,max,、,os,、,og,、,c,、,s,、,g,、,M,x,、,m,D,max,满足要求,计算,f,cu,t,输入耐久性等级,H.I,确定,(W/C),max,，,C,min,输入石子类型,计算,W/C,W/C(W/C),max,W/C=(W/C),max,计算,W,绝对体积法,输入,h,计算,C,0,、,M,C,C,0,KM,C,0,5,如膨胀剂等则采用内掺。,品种,超细灰,I,级灰,II,级灰,矿渣微粉,硅灰,K,值,1.00,0.83,0.67,1.00,2,3,6,、砼含砂率（可选用、也可计算）,7,、砂用量,体积法,重量法,加了掺合料后：,8,、石子用量,有特殊要求的砼配合比,抗渗砼,P6,抗冻砼,F50,高强砼,C60,（,C50,）,泵送砼,提高工作性、可泵性,大体积砼,减少水化热,特殊耐久性要求的砼,如在盐湖条件下的砼,五、高性能砼的施工技术,原材料的质量控制,高性能砼配合比优化,高性能砼制备生产控制：,配制,搅拌,运输,泵送,浇筑,养护,配料,计量设备每天进行零点校核,控制称量误差： 水泥、掺合料、水、外加剂,1%,； 粗、细集料 ,2%,砂、石集料含水率，每一工作班测试,2,次,及时调整用水量和砂石用量,搅拌,使用强制式搅拌机，设备应符合标准要求,控制搅拌时间，每班至少抽查,3,次,投料次序,:,砂、石水泥、掺合料、粉剂外加剂同步 掺干拌,30min,，再加水湿拌,1.5min,（液体外加剂可与 水同步加入），加掺合料砼应延长,1030s,检查砼坍落度，观察粘聚性和保水性,成型试件检测强度等级，每,d,每一强度等级不少于一 次,运输,采用搅拌运输车运送,运输工序中，至浇筑时不离析，不分层，组成成分不 变化，并保证施工必需的稠度,运送容器和管道，应不吸水，不漏浆，卸料和输送畅 通,搅拌浇浇完时间,60min,（,25,时）；,90 min,（,25,时）,泵送,严格按规定进行安全使用和操作砼泵,泵送前应检测砼拌合物的坍落度,泵送时先经泵水检查，润滑用泵送砂浆除粗骨料外 应具有相同的配合比,泵送应连续进行，有计划中断时，中断时间,1h,浇筑,根据实际情况预先划分好浇筑区域，浇筑应符合国家 现行标准,浇筑顺序，由远而近，先竖向结构再水平结构，区域 之间，上下层之间的砼浇筑间隙时间砼初凝时间， 否则按施工缝处理,振动时间,1020,秒，砼开始泛浆和不冒气泡，掺,FA,砼 不得漏振和过振,对由于砼沉降及干缩产生的非结构性的表面裂缝，应 在砼终凝前予以修整,水平结构的砼表面，应适时用木抹子磨平搓毛两遍以 上必要时还应先用铁滚筒压一遍以上，以防止产生收 缩裂缝,养护：,掺,FA,高性能砼应加强养护，应保持有利于硬化及强度 增长的温湿度环境,制定具体养护方案，并严格执行养护制度,在初凝以后加薄膜等覆盖和洒水养护，洒水次数以保 持表面湿润,保温养护时间一般,14d,，干燥或炎热条件,21d,低温条件下施工应加强表面保温（ ,5,），保温养 护至强度得到设计强度的,40%,（受冻前,5MPa,）,六、砼外加剂与水泥的适应性,外加剂与水泥适应性概念,减水剂的特性对塑化作用的影响,水泥特性对减水剂塑化效果的影响,掺高效减水剂砼坍落度损失的原因及控制措施,1,、外加剂与水泥适应性概念,配制砼（或砂浆）时，按照混凝土外加剂应用技术规范，将检验合格的外加剂掺加到按规定可以使用该品种外加剂的水泥中，若能够产生应有的效果，则该水泥与这种外加剂是相适应的，相反如果不能产生应有的效果，则该水泥与这种外加剂是不相适应的。,减水剂与水泥不相适应的现象：,减水率严重不足,（只对个别水泥）,掺缓凝剂得不到缓凝效果,坍落度损失过快,拌合料板结、发热等,2,、减水剂自生特性对塑化作用的影响,萘系减水剂合成时磺化越完全，则该减水剂的塑化效,果也越好,萘系减水剂的聚合度对其塑化效果影响非常显著，一般存在一个最佳聚合度,萘系减水剂生产过程中,中和作用的反离子性质也影响减水剂的塑化效果,萘系减水剂状态的影响，液态减水剂的塑化效果好于,粉状减水剂,3,、水泥特性对减水剂塑化效果的影响,水泥矿物组成：我国水泥矿物组成波动大，对减水剂的吸附程度,C,3,A,C,4,AF,C,3,S,C,2,S,，可见铝酸盐相对减水剂的吸附程度大于硅酸盐相。,石膏的形态：石膏作为水泥的调凝剂。水泥混磨时部分二水石膏脱水变为半水石膏或无水石膏，也有部分厂家采用硬石膏或工业到产品石膏作调凝剂，以无水石膏作调凝剂的水泥碰到木钙，糖钙减水剂时将会出现严重的不相适应状况，会产生流动性损失过快或发生异常凝结。,对木钙、糖钙吸附能力：,总碱含量,Na,2,O+0.658K,2,O,碱含量对水泥与外加剂适应性影响很大孙正平的研究，碱含量大于,1.0,时，含量越高，塑化效果越差润扬大桥采用低碱水泥，碱含量,0.4%0.60%,，与许多外加剂 适应性都很差,水泥中的混合材 减水剂对掺,FA,和,SL,的水泥塑化效果优于硅酸盐水泥 减水剂对掺火山灰和煤矸石的水泥效果较差。,水泥细度 细度增加对减水剂吸附增大、塑化效果降低,水泥新鲜程度和温度,水泥越新鲜塑性作用要下降，水泥温度高减水剂对塑,化作用也越差，砼坍损越快。,七、水泥的性能与应用中的有关问题,八、桥用高性能粉煤灰混凝土制备、性能及机理研究,配合比,拌合物的性能,力学性能,长期耐久性,变形性能,背景,长江二桥的质量和使用寿命众所关注,其中关键技术之一是确保原材料的质量和制备高性能混凝土,大型桥梁的预应力混凝土能否掺I,级粉煤灰，掺量多少合适，对混凝土性能（特别是收缩和徐变的影响是亟待解决的问题,桥用高性能粉煤灰混凝土的制备技术、设计与评估方法是当今仍未很好解决的难题,高性能粉煤灰混凝土的抗冻性、碳化与钢筋锈蚀等耐久性是影响二桥使用寿命的重要方面,揭示高性能形成机理有利于促进粉煤灰混凝土在重大工程中的应用,表,1 C50,高性能混凝土配合比（,kg/m,3,）,图,1,不同粉煤灰掺量的高性能混凝土抗压强度发展规律,图,2,粉煤灰混凝土自生收缩率,图,3 C50,粉煤灰混凝土干燥收缩率,图,5,混凝土徐变系数与持荷时间的关系,谢谢！,