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1、高性能混凝土及混凝土耐久性 主要内容 一 高性能混凝土含义二 使用高性能混凝土意义三 高性能混凝土与普通混凝土差别四 铁路高性能混凝土结构耐久性设计要求五 铁路高性能混凝土原材料质量要求六 铁路高性能混凝土配合比设计要求七 铁路高性能混凝土施工要求八 铁路高性能混凝土试验检测工作九 高性能混凝土的成本分析十 高性能混凝土在铁路工程中的应用 一 高性能混凝土含义 高性能混凝土含义 是以耐久性和可持续发展作为基本要求 并适合工业化生产和施工的混凝土与传统的混凝土相比 高性能混凝土在配比上的特点是低用水量 较低的水泥用量 并以矿物掺合料和化学外加剂作为水泥 砂 石和水之外的必须组分 中国土木工程学会
2、高强与高性能委员会 高性能混凝土 定义 现状与发展方向 高性能混凝土含义 NIST与ACI于1990年5月提出 高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土 采用优质材料配制的 必须采用严格的施工工艺 不离析 便于浇捣 早期强度高 力学性能稳定 具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土 高性能混凝土含义 高性能混凝土含义 1990年美国MehtaPK认为 高强度 高耐久性 抵抗化学腐蚀 高体积稳定性 高弹性模量 低干缩率 低徐变和低温度应变 高抗渗性 高工作性 高性能混凝土含义 1992年法国MalierYA认为 良好的工作性 高的强度和高早期强度 工程经济性 高耐久性 高性能混凝土含义 199
3、2年日本的小泽一雅和冈村甫认为 高工作性 高的流动性 黏聚性与可浇筑性 低温升 低干缩率 高抗渗性 足够的强度 综上所述 高性能混凝土 HighPerformanceConcrete 缩写为HPC 是最近十多年才出现的新型高技术混凝土 它以混凝土耐久性作为设计的主要指标 保证混凝土有良好的工作性 适用性 力学强度 体积稳定性和经济性 采用现代混凝土技术制作的混凝土 高性能混凝土含义 高性能混凝土不是混凝土的一个品种高性能混凝土是个学术性名词据现在的理解 高性能混凝土必须具备的性能 1 针对具体环境下的高耐久性 2 不易开裂性 特别是早期抗裂性 3 适当的较高强度 4 良好的工作性因为 3 4
4、两个要求 目前混凝土技术都能达到 因此所谓高性能主要是耐久性和抗裂性 综上所述 综上所述 高性能混凝土 HighPerformanceConcrete 缩写为HPC 是最近十多年才出现的新型高技术混凝土 它以混凝土耐久性作为设计的主要指标 保证混凝土有良好的工作性 适用性 力学强度 体积稳定性和经济性 采用现代混凝土技术制作的混凝土 高性能混凝土含义 二 使用高性能混凝土意义 环境对混凝土破坏 混凝土结构耐久性不足的严重性 可持续发展的迫切需求 环境对混凝土破坏破坏原因的分类 炎热干燥气候收缩引起开裂水泥水化不充分 混凝土强度降低干湿循环各种破坏因素的促进作用孔溶液中某些化合物结晶产生的结晶压
5、物理作用水的渗透渗水影响结构物的使用功能冻融交替引起从混凝土表面剥落开始的破坏盐的结晶结晶压导致开裂盐冻盐和冻融的综合作用 产生裂纹和剥落后加速Cl 离子的渗透 使用高性能混凝土意义 硫酸盐侵蚀膨胀 开裂 强度下降化学介质侵蚀置换反应酸性介质破坏软水 溶蚀化学作用碱 集料反应混凝土本身的原因胶凝材料中CaO和MgO的水化生成水化物中过量的钙矾石膨胀性水化物大气中CO2引起的钢筋锈蚀海水 除冰盐和混凝土内部由海砂 外加剂带入的Cl 离子引起的注 钢筋锈蚀本身是电化学作用 但从混凝土保护层的护筋性讨论主要是物理作用 碳化也有化学作用 使用高性能混凝土意义 单项破坏因素的防止措施 使用高性能混凝土意
6、义 设计和配制耐久防裂混凝土的一般通用途径耐久混凝土应该是抗裂性好的混凝土 耐久混凝土应该考虑防止裂缝措施 而耐久和防裂措施许多是一致的 1 选用水泥低早强 防裂要求R24h 10 12Mpa 低水化热 低C3A含量 低含碱量 2 坚固耐久的集料 用锤式破碎机破碎的碎石 级配和粒形较好 冲洗干净 3 尽可能减少胶凝材料总量 为此尽可能降低单方拌和水量 为此 选择合适的坍落度 纠正现在不管场合追求20 22cm高坍落度 4 掺加粉煤灰 矿粉或两者复掺 5 掺加优质引起剂 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 混凝土结构耐久性不足的严重性 影响工程正常使用 缩短工程使用寿命 经济损失巨大 背
7、离可持续发展的道路 资源枯竭 国土破坏 环境污染 废弃混凝土难以处置 美国联邦公路局资料 登记在册 政府管理 桥梁1992年57 2万座 有缺陷21 1999年58 6万座 有缺陷15 拆除老桥费用持续增加 1998年美国土木工程学会报告 美国现有29 以上的桥梁和1 3以上的道路老化 有2100个水坝不安全 估计需有1 3万亿美元改善其安全状态 又据资料报道 到20世纪末美国共有桥梁约100万座 超过1 4有缺陷 使用高性能混凝土意义 研究认为 对于桥梁等生命线工程 因修复 更换造成交通延误等间接损失更大 间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍 美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础
8、设施总资产的10 在加拿大 为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费5000亿美元 在英国 据说有1 3的桥梁需要修复 发达国家土建设施腐蚀造成的年损失约占GDP的1 5 2 其中主要是混凝土结构腐蚀 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 我国水泥产量 1985年1 43亿吨开始位居世界之首1997年突破5亿吨2000年接近6亿吨2001年6 4亿吨2002年7亿吨2003年7 5亿吨 已接近世界产量的40 我国目前水泥年产量如配置混凝土 年人均近3 3吨 混凝土用量过大 过度开采矿石和砂 石已在许多地方造成资源破坏 严重影响环境和景观 每生产1t水泥熟料消耗大量燃煤与电能 并排放约
9、1t二氧化碳 混凝土过早劣化 处置废旧工程的混凝土垃圾将给环境带来威胁 使用高性能混凝土意义 我国土建工程耐久性现状 民用房屋干湿交替的室外构件过早锈蚀30 40年工业厂房20 30年大修海港码头10 20年大修浪溅区最严重桥梁除冰盐侵蚀10 20年大修隧道渗漏严重钢筋保护层过薄 混凝土等级过低 钢筋过细 断面过薄 使用高性能混凝土意义 石家庄百孔桥大桥 盐的腐蚀 使用高性能混凝土意义 据统计 在正常工作条件下 混凝土结构从建成到拆除重建的周期平均为40 50年 使用高性能混凝土意义 桥梁墩柱冻融剥蚀 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用
10、高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 一座桥何以只有二十年寿命 拆除前的西直门桥 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 使用高性能混凝土意义 为什么现代混凝土结构不耐久 水泥质量 过细 水化过快 C3A 水泥用量 过多 水灰比 过大 混凝土早期强度 过高 外加剂 过乱 施工质量 较差 使用高性能混凝土意义 按耐久性设计混凝土结构 使用高性能混凝土意义 三 高性能混凝土与普通混凝土差别 HPC与NC差别 普通混凝土是以抗压强度作为最基本的特征 高性能混凝土则是以耐久性为主要指标 同时还有强度 工作性 体积稳定性等 普通混凝
11、土是以水泥和粗 细骨料 水四大组分为原材料 高性能混凝土则在前者的基础上增加了大量的外加剂和掺合料 使其性能得到质的变化 普通混凝土一般采用0 4 0 8的水胶比 高性能混凝土因掺入高效减水剂使水胶比减少即不大于0 38 0 4 甚至不大于0 2 相比普通混凝土 采用低水胶比高性能混凝土 硬化后毛细孔数量显著减少 而超细掺合料又改善粉体集料级配 大幅减少毛细孔数量 毛细孔越少 混凝土越密实 耐久性越好 相比普通混凝土 高性混凝土具有高强度 高耐久性及高工作性等性能 高性能混凝土设计使用年限为100年 而普通钢筋混凝土使用寿命只有40 50年 HPC与NC差别 高性能混凝土在本质上和普通混凝土没
12、有很大的差别 所使用的原材料 其生产及施工工艺过程在宏观上也基本一致 所以在高性能混凝土的配制中 根据结构所要求的强度和耐久性 施工中所要求的工作性能 通过试验来确定的 在不采用特殊的原材料 不改变常规施工工艺以及尽可能节约成本的原则下 通过采用低水灰比 掺用高效减水剂和矿物质细掺料的配制特点 经过反复对比试验 配制出高强度 高耐久性 低徐变 体积稳定性好的高性能混凝土 与普通混凝土相比高性能混凝土的生产和施工并无需要特殊的工艺 但是在各工艺环节上普通混凝土不敏感的因素 高性能混凝土却很敏感 因而需要更为严格控制和管理 四 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 何谓混凝土结构的耐久性设计 铁路混凝土
13、结构耐久性的设计要求 1 设计使用年限级别 2 环境类别及作用等级 3 混凝土耐久性指标 何谓混凝土结构的耐久性设计 根据结构的设计使用年限或设计寿命要求对结构进行设计 结构的设计使用年限是设计人员用以作为结构耐久性设计依据并具有足够安全保证率的目标使用年限 结构的耐久性设计必须考虑环境对结构的腐蚀作用 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 1 设计使用年限级别2 环境类别及作用等级3 混凝土耐久性指标 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 设计使用年限级别 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 铁路混凝土结构设计使用寿命 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 1 碳化环境 铁路混凝土
14、结构耐久性的设计要求 2 氯盐环境 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 3 化学侵蚀环境 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 4 冻融破坏环境 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 5 磨蚀环境 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 一 碳化环境条件下 混凝土耐久性应满足下列要求 A 混凝土的电通量应满足下表的规定 B 混凝土的抗裂性应通对比试验 C 钢筋的混凝土保护层厚度应满足设计的规定 D 骨料的碱 硅酸反应砂浆棒膨胀率或碱 碳酸盐反应岩石柱膨胀率应小于0 10 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 二 氯盐环境下 混凝土耐久性除满足碳化环境要求外 混凝土的电通量还应满足下列要求 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 三
15、 化学侵蚀环境下 混凝土耐久性除满足碳化环境要求外 混凝土的电通量还应满足下列要求 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 四 冻融破坏环境下 混凝土耐久性除满足碳化环境要求外 混凝土的电通量还应满足下列要求 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 五 磨蚀环境下的混凝土结构 应进行混凝土耐磨性对比试验 六 处于严重腐蚀环境下的混凝土结构 尚应采取必要的附加防腐蚀措施 铁路混凝土结构耐久性的设计要求 五 铁路高性能混凝土原材料质量要求 混凝土的结构 水泥 骨料 拌合用水 矿物掺合料 外加剂 大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒填充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充浆体填充骨料堆积体的空隙并在其表面形成润滑层 使拌合物具有满
16、足施工需要的工作度 混凝土的结构 铁路高性能混凝土原材料质量要求 水泥浆 大颗粒粗骨料 小颗粒粗骨料 细骨料 铁路高性能混凝土原材料质量要求 1 P 型 硅酸盐水泥2 P 型 硅酸盐水泥 含0 5 的混合材3 P O型 普通硅酸盐水泥 含6 15 的混合材4 P F型 粉煤灰硅酸盐水泥 含20 40 粉煤灰5 P S型 矿渣硅酸盐水泥 含20 70 以内的矿渣粉6 P P型 火山灰质硅酸盐水泥 含20 50 火山灰7 P C型 复合硅酸盐水泥 含15 50 两种以上混合材 铁路高性能混凝土原材料质量要求 硅酸盐水泥 熟料 适量石膏磨细而成熟料的主要成分有 C3S C2S C3A C4AF C3S的水化速度较快 水化发热量较大 C2S的水化速度很慢 水化发热量最小 C3A的水化速度最快 水化放热量最大 水化物强度最低 干缩最大 铁路高性能混凝土原材料质量要求 过分追求早强必然牺牲耐久性能 在目前生产工艺条件下 提高水泥强度 实际上只是增加C3A与C3S含量 并提高比表面积 实践表明 早期强度很高的混凝土14天以后的强度几乎不再增长 长期强度甚至倒缩 铁路高性能混凝土原材料质量要求 水泥的
