《高性能混凝土技术发展与应用初探》毕业论文

黑龙江大学 毕业论文 高性能混凝土技术发展与应用初探 专 业 姓 名 学 号 指导教师 2014 年 10 月 28 日 高性能混凝土技术发展与应用初探 摘要 本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状 阐明了高性能 混 凝 土 的 特 性 由 于 影 响 高 性 能 混 凝 土 性 能 的 因 素 很 多 本 文 结 合 工 程 实 践 应 用 从 原 材 料 配 合 比 设 计 生 产 施 工 技 术 等 技 术 环 节 出 发 初 步 探 讨 了 高 性 能 混 凝 土 的 配 制 施 工 技术 探讨研发绿色混凝土的必要性 并对 高性能混凝土的发展趋势作出展望 关 键 词 高性能混凝土 原材料 配合比 质量控制 绿色混凝土 目 录 引言 1 一 高性能混凝土产生的背景和研究现状 1 一 背景 1 二 研究现状及发展方向 2 二 高性能混凝土的性能研究和应用分析 4 一 高性能混凝土的概念 4 二 高性能混凝土的性能特点 5 三 高性能混凝土质量与施工控制 7 一 高性能混凝土原材料及其选用 7 二 高性能混凝土的配合比设计 10 1 高性能混凝土配制目标和影响因素 10 2 高性能混凝土配合比设计 12 3 高性能混凝土配合比参数的选择 13 三 高性能混凝土的施工控制 15 四 高性能混凝土的特点 18 一 高耐久性能 18 二 高工作性能 19 三 其他 19 五 研发绿色高性能混凝土的必要性 20 六 高性能混凝土的发展前景 21 七 结论 23 八 参考文献 25 九 致谢 27 高 性 能 混 凝 土 技 术 发 展 与 应 用 初 探 引 言 高性能混凝土 HighPerformanceConcrete 简写为 HPC 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 它以高性能作为设计的主要指标 具有高耐久性 高强度与高工作性能 高流动性 高粘聚性 高可浇筑性 总而 言之 是一种高技术混凝土 高性能混凝土以其高耐久性 高工作 性 以及高强度特性进入人们的视野 1 高性能混凝土产生的背景和研究现状 1 背景 传统的混凝土已有近 200 年的历史 是近代使用最广的建筑材 料 也是当前最大宗的人造材料 据不完全统计 世界水泥产量已 超过 13 亿吨 折合混凝土不少于 40 亿立方米 水泥混凝土与其他 常用建筑材料如钢铁 木材 塑料等相比 生产能耗低 原料来源 广 工艺简单 因而生产成本低 并具有耐久 防火 适应性强 应用方便等特点 近百年来 混凝土的发展趋势是强度不断提高 30 年代平均为 10 MPa 50 年代约为 20 MPa 60 年代约为 30 MPa 70 年代已上升到 40 MPa 发达国家越来越多地使用 50 MPa 以 上的高强混凝土 1 廉慧珍 阎培渝 21 世纪的混凝土及其面临 的几个问题 1 随着现代科学技术和生产的发展 各种超长 超高 超大型混 凝土构筑物 以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构 如高层建 筑 跨海大桥 海底隧道 海上采油平台 核反应堆 有毒有害废 物处置工程等的建造需要在不断增加 这些混凝土工程施工难度大 使用环境恶劣 维修困难 因此要求混凝土不但施工性能要好 尽 量在浇筑时不产生缺陷 更要耐久性好 使用寿命长 混凝土作为用量最大的人造材料 不能不考虑它的使用对生态 环境的影响 传统混凝土的原材料都来自天然资源 每用 1t 水泥 大概需要 0 6t 以上的洁净水 2t 砂 3t 以上的石子 每生产 1t 硅 酸盐水泥约需 1 5t 石灰石和大量燃煤与电能 并排放 1tCO2 而大 气中 CO2 浓度增加是造成地球温室效应的原因之一 尽管与钢材 铝材 塑料等其它建筑材料相比 生产混凝土所消耗的能源和造成 的污染相对较小或小得多 混凝土本身也是一种洁净材料 但由于 它的用量庞大 过度开采矿石和砂 石骨料已在不少地方造成资源 破坏并严重影响环境和天然景观 有些大城市现已难以获得质量合 格的砂石 另一方面 由于混凝土过早劣化 如何处置费旧工程拆 除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁 实践证明绿色混凝土可以彻 底解决城市垃圾和污泥问题 是保护生态环境 实现零污染最为有 效的途径 2 因此 未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量 必须更多地 利用各种工业废渣作为其原材料 必须充分考虑废弃混凝土的再生 利用 未来的混凝土必须是高性能的 尤其是耐久的 耐久和高强 都意味着节约资源 高性能混凝土 正是在这种背景下产生的 二 研究现状及发展方向 20 世纪 60 年代开发应用高效减水剂后 使混凝土技术进入了高强 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 我国近年来在铁路 公路 桥梁建设中 高 层建筑及机场建设等工程中已广泛应用 C60 高性能混凝土 C80 混 凝土也在工程中试点应用 在国际上强度为 90MPa 100MPa 110MPa 120MPa 甚至大于 150MPa 200MPa 的高 性能混凝土 在工程中都获得了应用 然而工程经验证明 许多工 程如桥梁 道路 海港和污水建筑物混凝土结构的过早破坏 其原 因不是强度不够 而是耐久性不足 由于修复损坏的混凝土建筑物 的费用昂贵 如以美国为例 每年劣化混凝土的维修费用达 2000 亿 美元之多 这使很多设计者意识到混凝土耐久性的重要性 人们开 始考虑能否采用使用年限较长的高性能混凝土结构 例如使用年限 不是 30 50 年而是 100 年 针对混凝土的过早劣化 发达国家在 20 世纪 80 年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目 标的 高性能混凝土 开发研究的高潮 并得到了各国政府的重视 进入 20 世纪 90 后代以后 混凝土结构耐久性设计方法成为土木工 程领域中的研究重点 针对不同环境类别的侵蚀作用 提出材料性 能劣化的理论或经验模式 并据此估算结构的使用寿命 成为发展 和研究耐久性设计方法的主流 目前 高性能混凝土的发展有以 下几个方向 1 绿色高性能混凝土 水泥混凝土是当代最大宗的人造材料 对资源 能源的消耗和 对环境的破坏十分巨大 与可持续发展的要求背道而驰 绿色高性 能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土 粉煤灰混凝土与基准 混凝土相比 大大提高了新拌混凝土的工作性能 明显降低混凝土 硬化阶段的水化热 提高混凝土强度特别是后期强度 而且 节约 水泥 减少环境污染 成为绿色高性能混凝土的代表性材料 2 超高性能混凝土 超高性能混凝土 如活性粉末混凝土 ReactivePowder con crete RPC 其特点是高强度 抗压强度高达 300MPa 且具有高密 实性 已在军事 核电站等特殊工程中成功应用 3 智能混凝土 智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分 使 混凝土材料具有自感知 自适应 自修复特性的多功能材料 对环 境变化具有感知和控制的功能 随着损伤自诊断混凝土 温度自调 节混凝土 仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现 为智能 混凝土的研究 发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础 二 高性能混凝土的性能研究和应用分析 一 高性能混凝土的概念 高性能混凝土是近 20 余年发展起来的一种新型混凝土 欧洲混凝土 学会和国际预应力混凝土协会将 HPC 定义为水胶比低于 0 40 的混凝 土 在日本 将高流态的自密实混凝土 即免振混凝土 称为 HPC 中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将 HPC 定义为以 耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土 虽然在不同的国家 不同的学者或工程技术人员 对 HPC 的理解有 所不同 比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性 欧洲学者更注 重耐久性 而日本学者偏重于高工作性 但是他们的基本点都是高 耐久性 这方面的认识是一致的 二 高 性 能 混 凝 土 的 性 能 特 点 耐 久 的 混 凝 土 必 须 能 抵 抗 风 化 作 用 化 学 侵 蚀 磨 耗 和 其 他 破 坏 过 程 这 表 示 高 性 能 混 凝 土 不 仅 应 有 高 强 度 而 且 应 具 有 高 刚 度 体 积 变 化 小 实 际 上 不 透 水 氯 离 子 难 以 渗 透 高弹性模量 收缩徐变 小 热应变小等特点 因此 高性能混凝土在组成和结构上与普通 混凝土应有所不同 首先应具有以下特点 3 1 耐久性 高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用 能够有效 的减少用水量 减少混凝土内部的空隙 能够使混凝土结构安全可 靠地工作 50 100 年以上 是高性能混凝土应用的主要目的 2 工作性 坍落度是评价混凝土工作性的主要指标 HPC 的坍 落度控制功能好 在振捣的过程中 高性能混凝土粘性大 粗骨料 的下沉速度慢 在相同振动时间内 下沉距离短 稳定性和均匀性 好 同时 由于高性能混凝土的水灰比低 自由水少 且掺入超细 粉 基本上无泌水 其水泥浆的粘性大 很少产生离析的现象 3 力学性能 由于混凝土是一种非均质材料 强度受诸多因素 的影响 水灰比是影响混凝土强度的主要因素 对于普通混凝土 随着水灰比的降低 混凝土的抗压强度增大 高性能混凝土中的高 效减水剂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 在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之 间的空隙 改善界面结构 提高混凝土的密实度 提高强度 4 体积稳定性 高性能混凝土具有较高的体积稳定性 即混凝 土在硬化早期应具有较低的水化热 硬化后期具有较小的收缩变形 5 经济性 高性能混凝土较高的强度 良好的耐久性和工艺性 都能使其具有良好的经济性 高性能混凝土良好的耐久性可以减少 结构的维修费用 延长结构的使用寿命 收到良好的经济效益 高 性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸 减小自重 增加使用空间 HPC 良好的工作性可以减少工人工作强度 加快施工速度 减少成 本 前苏联学者研究 发现用 C110 C137 的高性能混凝土替代 C40 C60 的混凝土 可以节 约 15 25 的钢材和 30 70 的水泥 虽然 HPC 本身的价格偏高 但 是其优异的性能使其具有了良好的经济性 概括起来说 高性能混 凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土 能 最大限度地延长混凝土结构的使用年限 降低工程造价 其 次 高 性 能 混 凝 土 的 配 制 特 点 是 低 水 胶 比 掺 加 高 效 减 水 剂 和 矿 物 细 掺 料 故 从 组 成 和配比来看 高性能混凝土还应具有以下特点 1 水灰比 W C 0 38 按照 R ch 提出的相图 4 当 水 灰 比 0 38 时 水 泥 全 部 水 化 后 水 泥 石 中 含 有 水 泥 凝胶 凝胶水 毛细水和空隙 而毛细水在混凝土 中是可以扩散渗透的 也就是说 W C 0 38 时 混 凝 土 中 有 毛 细 管 存在 抗 渗 性 降 低 耐 久 性 降 低 所 以 配 制 高 性 能混凝土时 水灰比不应大于 0 38 2 高 效 减 水 剂 是 降 低 混 凝 土 中 水 灰 比 的 必 须 材 料 也 是 高 性 能 混 凝 土 不 可 或 缺 的 组 分 为使混凝 土具有良好的工作性能 高效减水剂除了具有高的减水率外 还应 具有有效控制塌落度损失的功能 3 矿 物 掺 合 料 是 高 性 能 混 凝 土 的 功 能 组 分 之 一 它 可 以 填 充 水 泥 的 空 隙 在 相 同 的 水 胶比下 能提高流动性 硬化后也能提高强 度 更重要的是能改善混凝土中水泥石与集料的界面结构 使混凝 土的强度 抗渗性与耐久性均得到提高 4 对高性能混凝土有抗冻或其他要求时 应掺加引气剂 以及 其他有关的外加剂 如 阻锈剂等 3 高 性 能 混 凝 土 质 量 与 施 工 控 制 一 高 性 能 混 凝 土 原 材 料 及 其 选 用 1 细集料 细集料宜选用质地坚硬 洁净 级配良好的天然中 粗河砂 其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定 砂的粗 细程度对混凝土强度有明显的影响 一般情况下 砂子越粗 混凝土的 强度越高 配制 C50 C80 的混凝土用砂宜选用细度模数大于 2 3 的 中砂 对于 C80 C100 的混凝土用砂宜选用细度模数大于 2 6 的中砂 或粗砂 2 粗集料 高性能混凝土必须选用强度高 吸水率低 级配良好 的粗集料 宜选择表面粗糙 外形有棱角 针片状含量低的硬质砂 岩 石灰岩 花岗岩 玄武岩碎石 级配符合规范要求 由于高性能 混凝土要求强度较高 就必须使粗集料具有足够高的强度 一般粗集 料强度应为混凝土强度的 115 倍 210 倍或控制压碎指标值 10 最大粒径不应大于 25mm 以 10mm 20mm 为佳 这是因为 较 小粒径的粗集料 其内部产生缺陷的几率减小 与砂浆的粘结面积增 大 且界面受力较均匀 另外 粗集料还应注意集料的粒型 级配和 岩石种类 一般采取连续级配 其中尤以级配良好 表面粗糙的石灰 岩碎石为最好 粗集料的线膨胀系数要尽可能小 这样能大大减小温 度应力 从而提高混凝土的体积稳定性 3 细掺合料 配制高性能混凝土时 掺入活性细掺合料可以使水 泥浆的流动性大为改善 空隙得到充分填充 使硬化后的水泥石强度 有所提高 更重要的是 加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与 骨料的界面结构 使混凝土的强度 抗渗性与耐久性均得到提高 活 性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料 在高性能混凝土中常 用的活性细掺合料有硅粉 SF 磨细矿渣粉 BFS 粉煤灰 FA 天 然沸石粉 NZ 等 粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的烟道灰 它能有效 提高混凝土的抗渗性 显著改善混凝土拌合物的工作性 大掺量粉煤 灰混凝土还对环境保护和节约资源有重要意义 配制高性能混凝土 的粉煤灰宜用含碳量低 细度低 需水量低的优质粉煤灰 矿渣是 高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速水淬冷却而成的 用于高 性能混凝土的磨细矿渣细度大于水泥 能提高混凝土的工作性和耐久 性 硅粉是电炉法生产硅铁合金所排放的烟道灰 SiO2 含量大于 90 平均粒径约 011 m 比表面积 20000 kg 借助大剂量高效减 水剂和强力搅拌作用 可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去 并 且具有很高的活性 在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著 是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料 4 减水剂及缓凝剂 由于高性能混凝土具有较高的强度 且一般 混凝土拌合物的坍落度较大 15 20 左右 在低水胶比 一般 0 35 一般的情况下 要使混凝土具有较大的坍落度 就必须使用高 效减水剂 且其减水率宜在 20 以上 有时为减少混凝土坍落度的 损失 在减水剂内还宜掺有缓凝的成份 此外 由于高性能混凝土水 胶比低 水泥颗粒间距小 能进人溶液的离子数量也少 因此减水剂对 水泥的适应性表现更为敏感 因大部分高性能混凝土施工时采用泵 送 故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大 否则影 响泵送 5 矿物掺合料 1 粉煤灰 粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集 到的细微粉末 又称 飞灰 FlyAsh 其颗粒多呈球形 表面光滑 大量的实践证明 掺用粉煤灰的混凝土 其长期性能可得到大幅度的 改善 对延长构筑物的使用寿命有重要意义 粉煤灰在混凝土中的主 要作用包括以下几个方面 填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润 滑层 产生 滚珠润滑 效应 对水泥颗粒起物理分散作用 使其分 布得更均匀 粉煤灰和聚集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火 山灰反应 生成具有胶凝性质的产物 加强了薄弱的过渡区 对改善混 凝土的各项性能有显著作用 粉煤灰延缓了水化速度 减小混凝土 因水化热引起的温升 对防止混凝土产生温度裂缝十分有利 可减 小混凝土温度开裂的危险 同时由于加快了火山灰反应 还可提高 28d 强度 值得注意的是 粉煤灰的水泥取代率对强度影响显著 较 好的早期强度和后期强度的水泥取代率应小于 10 当粉煤灰掺量 较低时 只会对水泥早期水化热有影响 但对 7d 龄期的水化热几乎没 有影响 2 硅粉 SilicaFume 简写 SF 又称硅灰 是从生产硅铁或 硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘 硅粉主要由 非常微小 表面光滑的玻璃态球形颗粒组成 粒径为 0 1 m 1 0 m 是水泥粒径的 1 50 1 100 一般比表面积为 18500 kg 20000 kg 主要化学成分为二氧化硅 其含量在 90 以上 在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥 结合应用减 水剂 可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高 硅粉的适 宜掺量为水泥用量的 5 10 硅粉的加入 对混凝土的性能的影 响主要有 改善了新拌混凝土的粘聚性 保水性 提高了需水量 提高了混凝土的强度 增大了弹性模量和混凝土的干缩 提高了混 凝土的耐久性 另外 在配制硅粉混凝土时必须注意 由于硅粉的 需水量比水泥大 在配制硅粉混凝土时 一般要掺加减水剂 在选择 减水剂时 应使之与所用的水泥具有相容性 否则 容易影响混凝土的 工作性能 同时 根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺 量 比表面积和活性 SiO2 含量是硅粉的重要指标 硅粉比表面积 越大 活性 SiO2 含量越高 硅粉性能越好 配制硅粉混凝土需选择具 有良好性能的硅粉 硅粉混凝土的干缩一般比普通混凝土大 配制 高性能混凝土时应采取补偿收缩的措施 如掺加粉煤灰等 二 高性能混凝土的配合比设计 1 高性能混凝土配制目标和影响因素 1 设计思路有很大区别 在以往的配合比设计方法中 是按混凝土的强度等级要求计算 水灰比 而现在则是按耐久性的要求 首先根据环境作用等级确定 电通量指标 由此来选择水胶比 控制胶凝材料最小用量以及掺和 料的比例 由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为 C30 或 C35 一般来说 为满足电通量要求和水胶比限值要求 混凝土的强 度一般都是超强的 2 胶凝材料用量及粉煤灰所占比例 在进行配合比参数设计时 为保证混凝土的耐久性 混凝土中 胶凝材料总量应处在一个适宜范围内 不仅有最低限要求 同时 对于 C30 及以下混凝土 胶凝材料总量不宜高于 400kg m3 C35 C40 不宜高于 450kg m3 铁路客运专线大力提倡使 用粉煤灰 矿渣粉等矿物掺和料 与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝 材料 使用粉煤灰等矿物掺和料 并不是单纯地考虑降低混凝土成 本 首先是为了混凝土耐久性的需要 特别是可以有效改善混凝土 抵抗化学侵蚀的能力 包括氯化物侵蚀 硫酸盐侵蚀 碱骨料反应 等 国内外的大量研究表明 粉煤灰的掺量在 20 以上时 改善 混凝土耐久性的效果较佳 更有研究资料表明 粉煤灰的最大掺量 可达到 50 左右 在 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 中明 确规定 一般情况下 矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的 20 当大于 30 时 混凝土的水胶比不得大于 0 45 3 含气量的要求 含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要 区别之一 以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含 气量 这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现 实际上 混凝 土中适量的引气 不仅能改善抗冻性 同时可显著减轻混凝土的泌 水性 使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定 从而提高混凝土材料 的均匀性和稳定性 因此 客运专线规定 即使配制非抗冻混凝土 时 含气量也应不小于 2 并且作为施工质量控制的必检项目之一 为适当提高混凝土的含气量 并获得较佳的减水和保塑效果 可使 用新型聚羧酸盐减水剂 4 电通量指标 该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要 最具体的指标 目 前我国尚无电通量试验的国家标准 铁路行业电通量试验方法是以 美国 ASTMC1202 快速电量测定方法为基础制定的 其所测指标可以 最大程度地区分和评价混凝土的密实度 而密实度正是影响混凝土 耐久性最为关键的因素 以往多是以抗渗性来评价混凝土的密实程 度 但实践证明 抗渗试验只适合于判定较低强度等级混凝土的密 实性 当强度等级超过 C30 后 抗渗等级几乎都能达到 P20 以上 再往下试验比较困难 这正是用电通量指标取代抗渗标号作为混凝 土耐久性控制的主要原因 混凝土的电通量主要取决于水胶比 通 过大量试验得到规律 一般水胶比小于 0 5 时基本可满足电通量小 于 2000 的要求 水胶比小于 0 45 时基本可满足电通量小于 1500 的要求 2 高性能混凝土配合比设计 根据高性能混凝土的特点 在配合比设计时应遵循以下法 则 1 灰水比法则 混凝土的强度与水泥强度成正比 与灰水比 成正比 灰水比一经确定 不能随意变动 这里的 灰 包括所有 胶凝材料 也可称为胶水比 2 混凝土密实体积法则 可塑状态混凝土的总体积为水 水 泥 胶凝材料 砂 石的密实体积之和 这一法则是计算混凝土 配合比的基础 3 最小单位用水量或最小胶凝材料用量法则 在灰水比固定 原材料一定的情况下 使用满足工作性的最小加水量 即最小的浆 体量 可得到体积稳定 经济的混凝土 4 最小水泥用量法则 为降低温升 提高混凝土抵抗环境因 素侵蚀的能力 在满足混凝土早期强度要求的前提下 应尽量减少 胶凝材料中的水泥用量 3 高性能混凝土配合比参数的选择 高性能混凝土的配合比参数主要有水胶比 浆集比 砂率和 减水剂用量 1 水胶比 水灰比 或水胶比 不仅极大的影响混凝土的强 度 同时会极大的影响混凝土的抗渗性能和耐久性 水灰比大的水 泥石的毛细孔隙较大 渗透性增加 耐久性降低 普通混凝土配 合比设计技术规程 5 中由于对耐久性有要求 规定了最大水灰比 与最小水泥用量 对于高性能混凝土 为达到低渗透性以保证混凝 土的耐久性 其水灰比不宜大于 0 35 0 40 有研究表明 硅酸盐 水泥水化时 结合水约占水泥重量的 22 即在目前所用水泥和高 效减水剂的条件下 采用普通的拌合 浇筑和养护技术措施 最佳 水灰比约为 0 22 水灰比小于 0 22 则水泥石达不到足够的密实程 度 因此高性能混凝土的水灰比取值范围应为 0 22 0 35 如陕西 钟佳墙采用 0 236 的水胶比 掺加 级粉煤灰配制出 C80 的泵送达 流动性混凝土 6 2 浆集比 水灰比确定以后 胶凝材料总量就反映了水泥浆 和集料的比例 即浆集比 试验证明 HPC 中水泥浆 集料的体积比 宜为 35 65 即为保证混凝土具有良好的流动性 要求有较大的胶 凝材料总用量 但随胶凝材料用量的增加 混凝土的弹性模量会有 所下降 混凝土的收缩也会有所增加 根据经验 HPC 的胶凝材料 总量以不超过 550 kg m3为宜 并随混凝土强度等级的下降而减少 但最少不能低于 300 kg m3 此外由于水灰比较低 水泥用量较高时 高性能混凝土会有较高的水化热 温升较高 容易引起体积变形 产生温度裂缝 因而从技术性能与经济上考虑 需要掺加辅助胶凝 材料 以减少混凝土的温升和干缩 提高抗化学侵蚀的能力 增加 密实度 并降低成本 一般以 10 30 的辅助胶凝材料取代水泥 可以单独掺加硅灰 矿渣 粉煤灰 也可以掺加硅灰与粉煤灰或硅 灰与矿渣的混合物 3 砂率 在水泥浆量一定的情况下 细集料对混凝土配合比 的影响比粗集料更为显著 重量一定时 细集料的表面积比粗集料 大得多 所有集料的表面都需要有胶凝材料浆体包裹 因而砂的颗 粒级配以及砂率的大小均对浆体的需要量有直接的影响 高性能混 凝土胶凝材料用量较大 若细集料用料较少 粗集料用量较大 则 可以减少浆体用量 比较经济 也可以获得较高的强度 故在和易 性能满足施工要求的条件下 可以选择较小的适宜的砂率 P K Mehta 认为 4 应用适当的粗集料 水泥浆 集料的体积比为 35 65 的条件下 可以制造出尺寸稳定性好的高性能混凝土 在粗 集料最大粒径为 12 19mm 时 推荐的砂率为 36 39 通过对国 外典型工程和实验室配合比的统计 发现对于 28d 抗压强度为 60 120 的高性能混凝土 砂率大多在 34 44 范围内 当强度在 80 100 之间时 砂率主要集中在 38 42 之间 且随混凝土强度 的增高 砂率呈减少的趋势 如内蒙古杭美艳采用 0 36 的砂率 掺 加 650 kg 的超细矿渣配制出 C80 的高性能混凝土 7 4 减水剂掺量 在上述低水灰比的条件下 要拌制高施工性 能的混凝土是十分困难的 必须要应用高效减水剂 高效减水剂具 有较强的分散作用 其减水率可以高达 30 以上 在水泥用量大或 水泥颗粒相对较细时 分散作用更为显著 高效减水剂的掺量一般 以水泥质量的 1 0 左右较为适宜 或者掺加 0 8 1 0 的高效减水 剂和 0 2 左右的木质素磺酸钙 以适当控制混凝土的坍落度损失 当胶凝材料用量较大时 高效减水剂的掺量需要增加 三 高性能混凝土的施工控制 1 搅拌 混凝土原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量 称 量最大允许偏差应符合下列规定 按重量计 胶凝材料 水泥 掺合 料等 1 外加剂 1 骨料 2 拌合用水 1 应采用卧轴式 行星式或逆流式强制搅拌机搅拌混凝土 采用电子计量系统计量原材 料 搅拌时间不宜少于 2min 也不宜超过 3min 炎热季节或寒冷季 节搅拌混凝土时 必须采取有效措施控制原材料温度 以保证混凝土 的入模温度满足规定 2 运输 应采取有效措施 保证混凝土在运输过程中保持均匀性及 各项工作性能指标不发生明显波动 应对运输设备采取保温隔热措 施 防止局部混凝土温度升高 夏季 或受冻 冬季 应采取适当措施 防止水分进入运输容器或蒸发 3 浇筑 1 混凝土入模前 应采用专用设备测定混凝土的温度 坍 落度 含气量 水胶比及泌水率等工作性能 只有拌合物性能符合 设计或配合比要求的混凝土方可入模浇筑 混凝土的入模温度一般 宜控制在 5 30 2 混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于 2m 当 大于 2m 时 应采用滑槽 串筒 漏斗等器具辅助输送混凝土 保证混 凝土不出现分层离析现象 3 混凝土的浇筑应采用分层连续推移 的方式进行 间隙时间不得超过 90min 不得随意留置施工缝 4 新浇混凝土与邻接的己硬化混凝土或岩土介质间浇筑时的温差不得 大于 15 4 振捣 可采用插入式振动棒 附着式平板振捣器 表面平板振捣 器等振捣设备振捣混凝土 振捣时应避免碰撞模板 钢筋及预埋件 采用插入式振捣器振捣混凝土时 宜采用垂直点振方式振捣 每点的 振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准 一般不宜超过 30s 避免过 振 若需变换振捣棒在混凝土拌合物中的水平位置 应首先竖向缓慢 将振捣棒拔出 然后再将振捣棒移至新的位置 不得将振捣棒放在拌 合物内平拖 5 养护 高性能混凝土早期强度增长较快 一般 3 天达到设计强度的 60 7 天达到设计强度的 80 因而 混凝土早期养护特别重要 通常 在混凝土浇注完毕后采取以带模养护为主 浇水养护为辅 使混凝土 表面保持湿润 养护时间不少于 14 天 6 质量检验控制 除施工前严格进行原材料质量检查外 在混凝土 施工过程中 应对混凝土的以下指标进行检查控制 混凝土拌合物 水胶比 坍落度 含气量 入模温度 泌水率 匀质性 硬化混凝 土 标准养护试件抗压强度 同条件养护试件抗压强度 抗渗性 电通量等 如果材料选择与配合比设计正确 高性能混凝土的耐久性在很 大程度上决定于施工质量是否优良 混凝土的制造和施工决定了混 凝土的性能 加料顺序正确 拌和彻底 均匀 运输与搬运过程混 凝土拌合物不离析 振捣密实 养护充分等均是保证高性能混凝土 质量的重要因素 高性能混凝土可以应用普通混凝土的施工设备进 行施工 但其施工质量控制应该更加严格 配料计量误差要在允许 的范围之内 原材料质量变化的检查次数要增加 混凝土的拌和要 彻底均匀 应保证新拌混凝土具有良好的施工性能 HPC 特别强调 的一个方面就是应具有适宜的和易性以保证满意的浇筑质量 为利 于浇筑 HPC 通常需要较大的 如 10 20cm 的坍落度 但由于 HPC 胶凝材料用量大 水灰比较小 混凝土拌合物比较粘稠 坍落度损 失较快 如果坍落度损失过大将不利于混凝土的浇筑 密实和均匀 化 影响结构整体质量 因此 在高性能混凝土施工过程中除要求 高效减水剂具有良好的控制塌落度损失性能外 还应特别注意施工 组织安排 尽量减小混凝土塌落度损失 此外 由于高强和高性能混凝土均有较高的水化温升 根据混 凝土成分和环境条件的不同大约在浇筑后 24 48h 到达最高温度 所以 HPC 施工一般不应过早拆模 同时拆模后不宜立即移走模板 应持续保护几小时 以避免冷击 同时 正确的抹面和水养护是获 得不透水表面的重要步骤 8 对于低水灰比的 HPC 不仅需要保持 内部水分不蒸发 还要注重从外部环境中补充水分 应进行外界潮 湿养护 以保证混凝土充分水化 提高混凝土的综合性能 4 高性能混凝土的特点 一 高耐久性能 高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性 而耐久性则取决于 抗渗性 抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关 由于 高性能混凝土掺加了高效减水剂 其水胶比很低 0138 水泥全部 水化后 混凝土没有多余的毛细水 孔隙细化 最可几孔径很小 总孔 隙率低 再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后 混凝土中骨料与 水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低 而且矿物质超细粉 的掺加还能改善水泥石的孔结构 使其 100 m 的孔含量得到明显 减少 矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大 的提高 以上这些措施对于混凝土的抗冻融 抗中性化 抗碱 集 料反应 抗硫酸盐腐蚀 以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有 效的提高 据清华大学赵铁军 童良等学者的研究成果显示 9 10 高性 能混凝土可保证下列安全使用期 以混凝土材质变化为主要因素 正常环境中 200 年 重要建筑物在不利环境中 100 年 英国海 港 油田平台 明石大桥 特殊用途 300 年 法国核废料贮罐设 计 钢筋混凝土预期可能 500 年 日本正在研究中 完全可能 二 高工作性能 高性能混凝土具有良好的流变学性能 高流动性 不泌水 不离 析 能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性 对于某 些结构的特殊部位 如梁柱接头等钢筋密集处 还可采用自流密实成 型混凝土 从而保证该部位的密实性 这样就可以减轻施工劳动强度 节约施工能耗 三 其它 高性能混凝土具有较高的韧性 良好体积稳定性和长期的力学 性能稳定性 高性能混凝土的高韧性要求其具有能较好地抵抗地震 荷载 疲劳荷载及冲击荷载的能力 混凝土的韧性可通过在混凝土掺 加引气剂或采用高性能纤维混凝土等措施得到提高 高性能混凝土 的体积稳定性表现在其优良的抗初期开裂性 低的温度变形 低徐 变及低的自收缩变形 虽然高性能混凝土的水灰比比较低 但是如 果将新型高效减水剂和增粘剂一起使用 尽可能地降低单方用水量 防止离析 浇筑振实后立即用湿布或湿草帘加以覆盖养护 避免太阳 光照射和风吹 防止混凝土的水分蒸发 这样高性能混凝土早期开 裂就会得到有效的抑制 高性能混凝土掺加了粉的普通混凝土都得 到了显著降低 这对于大体积混凝土的温控和防裂十分有利 国内 已有研究表明 对于外掺加 40 粉煤灰的高性能混凝土 不管是在标 准养护还是在蒸压养护条件下 其 360d 龄期的徐变度 单位徐变应力 的徐变值 均小于同强度等级的普通混凝土 高性能混凝土徐度度仅 为普通混凝土的 50 左右 高性能混凝土长期的力学稳定性要求其 在长期的荷载作用及恶劣环境侵蚀下抗压强度 抗拉强度及弹性模 量等力学性能保持稳定 5 研发绿色高性能混凝土的必要性 1990 年美国首先提出了高性能混凝土 得到了世界各国和专家 的认可 法国政府组织包括政府研究机构 高等院校 建筑公司等单 位开展了高性能混凝土的研究 1996 年 法国公共工程部和教育与 研究部又组织了为期 4 年的国家研究项目 高性能混凝土 2000 投 人了 600 万美元作为研究经费 1994 年 美国联邦政府 16 个机构联 合提出了一个在基础设施施工中应用高性能混凝土的决议 并决定在 10 年投资 2 亿美元进行研究 绿色是绿色环保 人类社会越发展 对 绿色环保的要求越迫切 国外有位学者写一篇综述 题为 昨天和今 天的水泥 明天的混凝土 文中指出 21 世纪水泥工业应改名为水硬 性胶凝材料工业 而且应是一种绿色工业 水泥和混凝土堪称为世界 上耗用量最大的材料 在我国尤其如此 我国人多地少 资源缺乏 同 时也是世界上能源消耗的大国 以水泥和混凝土为例 我国水泥的年 产量大约 9 亿吨 占世界水泥产量的三分之一 混凝土产量约 12 亿 m3 世 界混凝土年产量大约 30 亿 m3 混凝土的大量使用 需要大量水泥 水 泥的生产又极大地影响了环境 直接影响子孙后代的生活 所以绿色 高性能的发展是事在必行 绿色高性能混凝土的研究及使用 即保护 了环境 又提高了混凝土的性能 以粉煤灰为例 现已研发与使用的 绿色高性能混凝土 绝大部分把粉煤灰作主要掺料 粉煤灰是工业废 料 如不很好利用 会对环境造成二次污染 在绿色高性能混凝土中采 用粉煤灰 即解决了二次污染 又降低了混凝土的成本 同时提高了混 凝土的性能 主要表现在提高了混凝土的耐久性和工作性 混凝土的 评价已由高强度转为高性能 高性能中耐久性是一个主要的评定标准 混 凝土不是一劳永逸的材料 它也是随时间的增长 环境的影响和使用 情况直接影响其使用寿命 一些发达国家面临这个问题 我们国家也 面临同样的问题 1991 年美国在提交国会 国家公路与桥梁现状 的报告中指出 为了修理或更换现已存在缺陷的桥梁 需投资 91 亿 美元如拖延维护进程 费用将增至 1310 亿美元 美国每年用于混凝土 维修的费用大约 300 亿美元 我国是发展中国家 在工程建设中基本 没有维修费用 工程费用主要在新建工程 建国以来 五 六十年代的 工程量大 经过几十年的使用 可以说需维修的工程量肯定也是巨大 的 费用是惊人的 因此 站在历史的角度 站在发展的角度 研究混凝 土高性能的意义巨大 6 高性能混凝土的发展前景 1997 年 3 月的 高强与高性能混凝土 会议上 吴中伟院士首 次出 绿色高性能混凝土 GHPC 的概念 并指出 GHPC 是混凝土 的发展方向 更是混凝土的未来 提高混凝土的绿色度 可以节约更 多的资源与能源 将对环境的破坏减到最小 人类已经进入 21 世纪 混凝土应该更多地掺加工业废渣掺和料 更多地节约水泥 有更高的 强度和耐久性 高性能混凝土 HPC 具有下列特征 1 更多地节约熟 料水泥 降低能耗与环境污染 2 更多地掺加工业废料为主的细掺料 3 更大地发挥混凝土的高性能优势 减少水泥与混凝土的用量 因 此 高性能混凝土本身就可成为绿色混凝土 事实上 许多工程如大 体积水工建筑 基础等对强度要求不高 但对耐久性 工作性 体积 稳定性 低水化热等有很高要求 都应采用 HPC 例如日本跨海明石 大桥基墩混凝土 50 万 m3 要求高耐久性 高抗冲刷性与低升温 而 强度只要求 20MPa 使用的就是掺加了复合外加剂与复合细掺料的 HPC 由此可见 高性能混凝土并不一定强调高强 我国目前也己完成 了普通混凝土的高性能化的研究和应用 因此 传统的 GHPC 的应用 范围可以进一步扩大 可以将欧美对 HPC 强度的低限 50MPa 降低到 C30 左右 原则是只要不损害混凝土的内部结构如孔结构 水化物结 构与界面结构等 保证混凝土具有良好的耐久性与体积稳定性 纳米 混凝土 再生混凝土 免振捣自密实高性能混凝土等都是绿色高性 能混凝土 绿色高性能混凝土已被广泛应用于市政工程 民用建筑 和工业建筑 与普通混凝土相比 高性能混凝土具有更好的施工性能 和耐久性 同时可以更多地利用工业废渣及其它废弃物 有良好的经 济指标和环保意义 因此 绿色高性能混凝土是混凝土的发展方向 随着 HPC 的开发和应用 建筑对生态环境产生的影响正引起社 会的关注 建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和 能源 并对环境产生不同程度的影响 有专家指出 作为建筑工业主 要原料的水泥 实际上是一种不可持续发展的产品 因此 高性能混 凝土的技术核心是在限制水泥用量以获得混凝土高性能的同时 坚持 其可持续性的发展原则 21 世纪前后 吴中伟等提出了绿色混凝土 的概念 在高性能混凝土的基础上增加了三个含义 1 节约资源 能 源 2 不破坏环境 更有利于环境 3 可持续发展 既要满足当代人的 需求 又不危害后代人满足其需要的能力 大力开展绿色高性能混凝 土的研究和应用高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能 对混凝土的发展将起重要作用 并为 HPC 的发展指明了非常明确的 方向 7 结论 探讨了高性能混凝土配合比设计的基本要求和技术途径 主要 从原材料的选择 配合比参数的合理确定等方面进行了阐述 通过 掺入矿物微细粉和高性能化学外加剂的技术途径来配制高性能混凝 土 既可改善混凝土的性能 又能降低生产成本 有利于高性能混 凝土的推广应用 文中提出的设计方法具有准确 简捷 适用范围 广及程序化的特点 采用此方法配制的混凝土具有良好的工作性 力学性及耐久性 通过对高性能混凝土抗冻性能试验研究可得出以 下结论 混凝土的抗冻性主要与所引入的空气含量 气泡的质量 混 凝土强度和水胶比等因素密切相关 高性能混凝土的含气量宜为 2 4 这样配制的混凝土具有 200 次以上的抗冻性能 高性能混 凝土的抗冻性能与外加剂密切相关 外加剂的掺量存在一个最优值 本试验中最优掺量在 0 95 1 00 之间 如今我国 HPC 发展形势一 片良好 但是要使 HPC 在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践 的过程 随着我国建筑基础建设的不断增强 HPC 必将成为新世纪 的重要建筑工程材料 有关资料 12 13 显示 我国的混凝土工业在污染防治与能源 消耗控制方面与发达国家还存在着相当的差距 还有许多艰巨的任 务要完成 我们必须高度重视保护生态环境的意义 坚持科学的发 展战略 全力发展绿色高性能混凝土 发展的过程必须有政府的控 制管理和法律 法规的保障 必须有企业的自律和积极参与 必须 有科技的投入和创新 有了这些 我们可以相信 混凝土的未来是 绿色的 参考文献 1 廉慧珍 阎培渝 21 世纪的混凝土及其面临的几个问题 2 张射墟 黄祖华 生态水泥的特性与应用 J 中国建材 2002 1 36 37 3 吴中伟 廉慧珍 高性能混凝土 M 北京 中国铁道出版社 1999 4 冯乃谦编著 高性能混凝土 M 北京 中国建筑工业出版社 1996 5 JGJ 55 2011 普通混凝土配合比设计规程 中国建筑工业出版 社 2011 6 钟佳墙 刘凯等 级粉煤灰在 C80 泵送大流动性混凝土中的 试验研究 A 第三届全国商品混凝土大会论文集 C 2006 7 杭美艳 赵根田 高春彦 用超细矿渣微粉配制 C80 混凝土的研 究 J 混凝土 2007 55 57 8 张传仓 杨利民等 大体积混凝土测温技术工程实践应用 J 混凝土 2007 4 101 102 9 赵铁军 高性能混凝土的渗透性研究 D 博士学位论文 北 京 清华大学 1997 10 童良 混凝土中碱 集料反应研究 R 博士后研究工作报 告 北京 清华大学 1996 11 吴中伟 高性能混凝土 绿色混凝土 J 混凝土与水泥制 品 2000 1 3 6 12 高长明 国际水泥工业最新技术进展及预测 J 水泥技术 2005 3 15 19 13 汪澜 论水泥工业能源消耗控制战略 J 中国水泥 2006 10 22 25 致谢 本论文从立题到论文撰写整个过程都是在指导教师的悉心指导下 完成的 特别是指导教师在学习上 思想上都给予我极大的关怀和 帮助 在传授我知识的同时 更注重培养我解决问题的思路和方法 及创新能力 为我今后学习和工作打下了坚实的基础并开阔了我的 视野 指导教师敏捷的思维和孜孜不倦的探索精神是我永远学习的 榜样 我所取得的每一点进步无不凝聚着指导教师的心血 我将最诚 挚的谢意奉献给我的指导教师