第3讲客运专线高性能混凝土2

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1、第二讲 高性能混凝土,概念的提出:混凝土的性能向来都以强度表示，对于普通混凝土，甚至高强混凝土，一般认为抗压强度是混凝土性能的代表性指标，强度愈高、性能愈好也愈耐久。上世纪80年代以来，许多工业发达国家面临基础设施老化的问题，其中一些是混凝土结构，需要维修或更新，面对巨额投资，于是一个提高混凝土耐久性的设想便提了出来，即所谓的高性能混凝土（HPC）。 法国是最早研究开发高性能混凝土的国家。首次公开发表有关HPC研究与应用论文的是法国人，申请第一个HPC专利的是法国人，编著第一本HPC专著的是法国人。我国是在1992年有关学术刊物第一次提到HPC，当时译为“高功能混凝土”。,一、定义,定义： 法

2、国人：将具有良好的施工性能、高强度及高早期强度、经济性及高耐久性，而且150mm300mm试件的抗压强度应在50MPa以上的混凝土定义为高性能混凝土。特别适用于海港建筑物，桥梁，高速公路，高层建筑，核反应堆等混凝土结构。 日本人：将具有高和易性、高耐久性、低水化热、低干缩和100mm200mm试件的28天抗压强度为42MPa45MPa的混凝土定义为高性能混凝土。日本学者强调HPC的自流密实性。将HPC研究的技术线路分为三个阶段。见表2-1,HPC研究的技术线路 表2-1,美国人： (1) 低渗透性。将抗渗性作为混凝土耐久性的一个指标，以氯离子渗透性试验(AASHTO T277)表示不得超过50

3、0C（库仑）,这表示混凝土实际上是不透水和不渗透氯离子的。 (2) 具有高弹性模量、低收缩、低徐变和低温度应变。即HPC具有尺寸稳定性，以消除结构中任何有害应力。 (3) 150mm300mm试件的抗压强度应达到60MPa120MPa。 美国NIST与ACI组织召开的关于HPC的讨论会，把HPC定义为:具有要求性质和均匀性的混凝土，靠传统的组分和普通的拌和、浇筑与养生方法不可能制造出这种混凝土，其性能包括： (1) 易于浇筑、捣实而不离析； (2) 优良且长期保持的力学性能； (3) 高早强、高韧性、体积稳定； (4) 在恶劣环境下使用寿命长。,事实上，海港、桥梁、公路、污水等工程结构物的破坏

4、，并不都是混凝土强度不够引起的，而是耐久性不良引起的，从这个意义上说，高耐久性混凝土必须能够抵御气候作用和化学侵蚀，具有耐磨性及抵抗其它破坏作用的能力。这些耐久性与混凝土的尺寸稳定性及渗透性能有关。重视混凝土的渗透性与尺寸稳定性使混凝土设计的注意点从强度转移到比强度更为重要的性能方面。在大多数情况下，满足渗透性和尺寸稳定性会得到高强度混凝土。高强度并不能保证混凝土具有高耐久性，工程经验反复证明，用不适当材料制造的高强度混凝土在恶劣的环境中会遭到破坏。因此高性能混凝土的特点是具有良好的耐久性,旨在提高结构物的使用寿命，这意味着将耐久性要求提高到了更重要的地位。现代化的生产技术，新型外加剂和胶凝材

5、料的出现，也使得既具有良好的施工性能，又有良好的力学性能和耐久性的混凝土的生产成为可能。应该指出：高强混凝土并非高性能混凝土，而高性能混凝土也并非都高强。,二、原材料,(一)、水泥 1.水泥品种 高性能混凝土都必须掺加矿物细粉料，因此应使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。 2.水泥的流变性 高性能混凝土由于水胶比很低，为了减少水化热和收缩，水泥用量又不能大，同时为了使混凝土有足够的弹性模量和体积稳定性，也要限制胶凝材料的用量。因此用于高性能混凝土的水泥的流变性能比强度更重要。强度在52.2Mpa或以上就能满足要求。对于高强度的高性能混凝土，为了保证水泥质量的稳定，要求禁止使用立窑水泥。使用很低水胶

6、比的混凝土如果没有相应的措施，最好不要使用早强型的水泥，以免影响混凝土的流变性和后期强度的发展。 3.水泥与高效减水剂的相容性 在低水胶比的高性能混凝土中，水泥与高效减水剂的相容性问题就更加突出、普遍，它不仅影响减水剂的减水率，而且会造成混凝土坍落度的严重损失。, C3A含量 C3A含量高的水泥与C3A含量低的水泥相比，达到相同坍落度的混凝土，因水灰比比较高，混凝土的强度相对比较低，即C3A含量高的水泥流变性差。 碱含量 水泥熟料中同时存在碱和SO3时，就会形成碱的硫酸盐，称为碱的硫酸盐化，碱的硫酸盐化程度越高，混凝土的坍落度损失越小。碱的硫酸盐化程度（SD）度用下式表示：, 颗粒组成 水泥中

7、颗粒小于3m只起早强作用；3m30m的颗粒主要起增强作用，其含量应在90%以上，；大于60m的颗粒对强度不起作用。但颗粒小于10m的颗粒需水量大，因此流变性好的水泥，小于10m的颗粒含量应当小于10%。 SO3的形态 不同水泥产品，C3A的结晶形态和溶解速率不同，不同形态的石膏其溶解速率也不同，二者的匹配也影响水泥的流变性。石膏的形态有生石膏、半水石膏、可溶性硬石膏、天然硬石膏，它们的溶解度和溶解速率有很大的差异。若C3A的结晶度高、活性大、溶解速率快，水泥生产加入的石膏应有一部分溶解速率快、溶解度大的半水石膏；若C3A活性差可以使用天然石膏，或取代一部分生石膏。一般不宜完全使用天然石膏，否则

8、会因引起溶解速率慢不足以控制C3A的水化而影响水泥的流变性。,4.石膏的掺量 水泥熟料中加入石膏是为了控制C3A的水化而调节水泥的凝结时间，但在目前的水泥生产中，石膏的掺量与水泥中C3A和碱的含量大小、细度没有挂起钩。事实上石膏的作用不仅仅是调整凝结时间，而且对水泥的强度、流变性和收缩等都有影响，因此应根据水泥中C3A的含量、细度、碱的含量确定石膏的掺量，使之达到最佳匹配。,1.矿物细掺料在高性能混凝土中的作用 1).增加混凝土的粘性。混凝土的流动性提高后很容易引起离析和泌水，掺入矿物细掺料可提高混凝土的粘性，需水量小的细掺料（如矿渣、粉煤灰）还可进一步降低混凝土的水胶比而保持良好的工作性。

9、2).降低混凝土的温升。水泥水化是放热反应，混凝土类似绝热体，会因水化放热使混凝土内部温度上升。同时混凝土外部散热较快，造成内外温差而产生温差应力，引起混凝土开裂，影响耐久性。高性能混凝土水胶比小，水泥用量大，掺入矿物细掺料，可减少水泥用量，从而降低混凝土的温升。 3).调整混凝土强度的发展 掺入不同的矿物细掺料对混凝土的强度会有不同的影响。在相同水灰比下，硅灰、沸石凝灰岩、油母页岩灰、偏高岭土等，在掺量合适时可以提高混凝土的强度，矿渣、粉煤灰等会使混凝土的早期强度降低，而后期强度却均有较大的持续增长。因需水量小还可以降低水灰比，故在达到相同坍落度的情况下，混凝土的早期强度实际上也不会下降。,

10、（二）、矿物细掺料,4）.增进混凝土的后期强度 掺入除硅灰外的矿物细掺料时，混凝土的早期强度随掺量的增加而降低，但后期强度会有较大幅度的增长。英国Dunstan对粉煤灰体积掺量为60的碾压混凝土中粉煤灰和水泥对混凝土强度的贡献进行分离，结果表明，粉煤灰对混凝土强度的贡献随龄期的增加而增加，随水胶比(水与水泥和粉煤灰总量之比)的降低而增加。粉煤灰对强度的贡献与水胶比的关系比水泥对强度的贡献与水灰比的关系还要敏感。水灰比越低，粉煤灰的贡献越大。故加入粉煤灰后，应当相应降低水灰比，以保持早期强度不降低，并且后期强度有显著的增长，发挥粉煤灰的作用。但简单地在高水灰比(例如大于0.54)的纯水泥混凝土中

11、以粉煤灰取代水泥，是不可能发挥粉煤灰的作用的。 水灰比不变时，混凝土的强度随粉煤灰掺量的增加而呈非线型的降低。但是，当水胶比很低时，粉煤灰掺量在一定范围内，上述影响并不显著；超过此范围时，则上述影响随粉煤灰掺量的增加而增加得很快。,5）.提高抗化学侵蚀能力，增强耐久性 当硅酸盐水泥混凝土处在有侵蚀性介质的环境中时，侵蚀性介质会与水泥石中水化生成的Ca(OH)和CA水化物发生反应，逐渐使混凝土破坏。在混凝土中掺入矿物细掺料后，一方面，由于减少了水泥用量，也就减少了受腐蚀的内部因素；另一方面，矿物细掺料的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时，会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的进展，这些细微颗粒及

12、其水化反应产物填充水泥石孔隙，改善了混凝土孔结构(这称作“微粉效应”)，逐渐降低混凝土的渗透性，阻碍侵蚀性介质浸入。因此，掺入矿物细掺料可提高混凝土的耐久性。长期试验观察证明，掺入硅灰或矿渣的混凝土对硫酸盐、氯盐和海水的腐蚀有较好的抵抗能力。混凝土的渗透性随粉煤灰掺量的增加而下降；养护28d，粉煤灰掺量达30时可使高渗透性的混凝土达到中等渗透性；养护91d，则达到低渗透性。,2. 矿物细掺料的种类 矿物细掺料可分为四类： 胶凝性：如粒化高炉矿渣、水硬性石灰； 火山灰性：本身没有或极少有胶凝性，但在有水存在时，能与Ca（OH）2在常温下发生化学反应，生成胶凝性的组分，如粉煤灰； 胶凝性与火山灰性

13、：同时具有胶凝性与火山灰性，如粒化高炉矿渣； 其他：未包括在上述三类中，本身有一定化学反应性的材料。 1）.硅灰 硅灰中的主要活性成分是SiO2, 而SiO2的含量依所生产合金的类型不同，在一个很宽的范围内变化。用于高性能混凝土的硅灰，SiO2的含量应在90%以上，若以10%的硅灰取代等量水泥，混凝土强度可提高25%以上。但随着硅灰掺量的增加，混凝土的需水量、收缩率也随之增加。因此一般掺量在5%10%之间，并必须用高效减水剂调节需水量。,2）.粉煤灰 用于高性能混凝土的粉煤灰的含碳量（用烧失量表示）最好小于3%；需水量比应小于1；只要含碳量很低，对细度可不必苛求，有条件可稍加磨细，在不增加需水

14、量比的前提下，可增加粉煤灰的比表面积，提高均匀性和活性。 在相同水胶比下，粉煤灰的掺量不超过20%，对混凝土的性能影响不大，只是混凝土的温升有所降低。 3）.磨细石粉 磨细石灰石粉、石英砂粉等低活性细粉料主要用于改善混凝土的工作性和降低温升，掺量应小于10%，否则会影响混凝土的强度。磨细石粉在混凝土中的作用主要取决于磨细程度，越细效果越好，对混凝土的强度、抗渗性和抗化学侵蚀性都会产生有利的效果。 4）.粒化高炉矿渣 粒化高炉矿渣是将炼铁高炉的熔融物，经水淬急冷处理后得到的疏松粒状产物。其活性成分一般认为含有CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO等氧化物和少量的CaS、MnS、FeS等硫化

15、物。其中CaO、MgO、SiO2、Al2O3的含量通常在各种矿渣中占总量的90%以上。因此矿渣的化学成分与硅酸盐水泥的化学成分相似，其主要成分是活性氧化硅和活性氧化铝。在含CaO较高的碱性矿渣中还含有硅酸二钙。粒化高炉矿渣磨成细粉后，易与Ca(OH)2作用而具有强度，又因其中含有硅酸二钙成分，所以本身也具有微弱的水硬性。由于粒化高炉矿渣具有微弱的自身水硬性，是属于第一类的矿物细粉料。,用粒化高炉矿渣等量取代部分水泥，可以改善混凝土的工作性，降低水化热，减少高效减水剂的用量，减少坍落度的经时损失，提高混凝土的强度，还可以控制混凝土中的碱集料反应。当掺量在20%以上时，还具有抗海水及化学侵蚀的能力

16、。在高强或高性能混凝土中，同时掺加粒化高炉矿渣和硅灰效果更好。 粒化高炉矿渣掺入混凝土的效果决定于其活性，水淬愈迅速，水淬前温度愈高，其活性愈高。同时细度也有重要影响，一般粒径小于10m的矿渣颗粒对28d前对混凝土产生增强作用，10m45m的颗粒对后期强度产生作用，大于45m的颗粒则很难水化。因此矿渣应干磨细到比表面积为400m2/500m2/（勃氏细度）。若比表面积能达到800m2/1000m2/，作为高强或高性能混凝土掺合料效果会更佳，而且有良好的后期强度。 粒化高炉矿渣按（GB/T180462000）规定的方法进行试验。其质量应符合表2-2的规定。,矿渣粉技术要求 表2-2, 可根据用户要求协商提高。 选择性指标。当用户有要求时，供货方应提供矿渣粉的氯离子和烧失量数据。,5）.天然沸石粉 天然沸石岩即沸石凝灰岩。天然沸石岩的沸石含量差别很大，低的只有30%，高的可达90%。沸石凝灰岩所含沸石有30余种，其中适合作水泥混凝土细粉料的为斜发沸石和丝光沸石。在水灰比不变