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1、应用高强混凝土值得注意的几个问题,东南大学 江苏省建筑科学研究院 高性能土木工程材料国家重点实验室 二O一二年八月,缪 昌 文,纲 要,高强混凝土研究与应用现状 高强混凝土施工粘度调控 高强混凝土水化温升控制 高强混凝土收缩抑制 高强混凝土脆性改善 高强混凝土抗裂能力的提升,一、高强混凝土研究与应用现状,混凝土强度发展历程,1950s，30MPa,1960s，4152MPa,1970s，62MPa,1990s，130MPa,800MPa (试验室）,现在，200MPa,高强钢纤维,高强混凝土的技术优势,减小结构断面、减轻建筑物自重、节约空间发展大跨度、超高强、复杂结构成为可能,C30C60 重
2、量可降低50%左右 体积可减小近53% 高度可降低28%,高强混凝土适应现代建筑大跨度、重载、高耸发展的需求！,高强混凝土具有广阔的应用领域,高层建筑,跨江大桥,高速铁路,核电工程,防护工程,水电工程,跨海大桥,深海油井,风力发电,高强混凝土在高层建筑中的广泛使用，足以证明高强混凝土应用发展之迅速,高强混凝土在高层建筑中的应用,2001年之前，全球共建造了235座摩天大楼 2001年之后，350多座高度超过200米的摩天大楼被建成 在中国建造的摩天大楼的数量占全球数量的一半还多 在2011年之前封顶的全球十大高楼中，中国已经占据7席,我国高强混凝土应用历程,1976年，连云港海军基地 C60混
3、凝土防护门,1980年，长山岛88.4MPa 混凝土防护门,1986年，江村南桥T型 简支梁混凝土92.8MPa,1992-95年，C50-C60级泵送 高强混凝土获得大量应用,2000年，铁道部大桥局研 制出140MPa混凝土,2004年，广州西塔成功应 用102MPa高强混凝土,2009年，深圳京基100中心 广场成功应用133.62MPa 高 强混凝土，并实现了400m 超高泵送施工,2003年，上海环球金融中心 成功应用89MPa高强混凝土,近几年，高强混凝土在我国的应用发展非常迅速！,应用高强混凝土亟待解决的关键技术问题,新拌混凝土粘度大,胶材用量高、粘度大，高程泵送困难,水胶比低、
4、流动度经时损失快，表面易起壳，浇注不易密实,施工粘度大的缺陷已严重制约着高强混凝土的推广应用！,应用高强混凝土亟待解决的关键技术问题,水化温升过高 随着水胶比降低，水泥早期水化放热速率加快 胶材用量加大，混凝土水化温升明显加剧,高强混凝土早期水化温升快，整体温升大，温度应力引起的开裂风险较大！,应用高强混凝土亟待解决的关键技术问题,收缩大，开裂风险高 水胶比低：孔隙负压大，收缩增大 胶材用量高：收缩也明显加剧,高强混凝土自收缩明显高于普通混凝土，开裂风险激增！,应用高强混凝土亟待解决的关键技术问题,脆性大、韧性差 混凝土强度等级逐渐提高，但拉压比却逐渐减小 C30混凝土：拉压比约1/101/1
5、2 C50混凝土：拉压比约1/16 C80混凝土：拉压比约1/18,混凝土的强度愈高，峰值后的下降段曲线愈陡斜，脆性越大 脆性增大对有抗震要求的工程存在很大的危害,二、高强混凝土施工粘度调控,低水胶比、高粘度,不同混凝土，相同坍落度,水胶比越低，粘度越高 相同坍落度时，高强混凝土粘度高于普通混凝土,高强混凝土工作性能特点,高强混凝土粘度大的原因,高强混凝土胶材用量高，具有更大的富余浆体厚度，其骨料间的作用力较小,根据两相理论推导，混凝土粘度主要与富余浆体厚度和浆体粘度密切相关：,富余浆体厚度,浆体粘度,水胶比降低，单位体积内水体积减小，固体颗粒体积增加，导致颗粒表面水层厚度降低 水胶比降低，导
6、致颗粒间距减小，颗粒间摩擦等作用加强,高强混凝土粘度大的原因,浆体水层厚度小、颗粒之间作用力大而导致低水胶比浆体粘度增大，是高强混凝土粘度大的根本原因！,矿物掺合料对高强混凝土粘度的调控,矿物掺合料种类和细度的影响,粉煤灰、矿渣均能降低低水胶比浆体的粘度 硅灰会增大浆体粘度,外加剂对高强混凝土粘度的调控,高减水、高保坍、低粘度外加剂的开发 高减水的实现,引入两性聚电解质结构,改善吸附性 提高饱和掺量,采用长聚醚侧链,空间位阻效应,高减水率,减水率可达50%以上,外加剂对高强混凝土粘度的调控,高减水、高保坍、低粘度外加剂的开发 高保坍的实现 增加分子结构中侧链长度，保证持续分散能力 引入合适的小
7、分子碱激发基团，保证良好的水溶性,高的支链密度 蜷曲的构象 低的初始吸附量,外加剂对高强混凝土粘度的调控,高减水、高保坍、低粘度外加剂的开发 降粘组分的设计 构造多电性基团和降粘分子侧链 采用高的支链密度，调整吸附行为，加速早期吸附分散,外加剂对高强混凝土粘度的调控,设计降粘组份,提高颗粒表面吸附量,高保坍作用,延长颗粒表面作用时间,自由水充分释放,颗粒包裹水消耗减少,降低高强混凝土粘度，实现其快速流动和自密实 大幅改善高强混凝土施工性能,高减水作用,快速吸附颗粒表面,快速释放,缓慢释放,三、高强混凝土水化温升控制,高强混凝土水化温升,水化热特点随着水胶比的降低 水化放热峰值提前 早期水化热增
8、大，后期水化热略有降低,高强混凝土水化温升,温度场模拟 混凝土强度等级：C80与C40 对比：相同承载力和相同尺寸,构件尺寸相同时 高强混凝土中心最高温度明显高于普通混凝土 高强混凝土早期温升速率明显快于普通混凝土,水化热调控技术,思路,水泥C3A和C3S相快速水化、集中放热 调控加速期的水化历程，可实现水化温升的根本改变,水化热调控技术水化热抑制材料,作用机理,外加剂分子中羟基吸附、钙离子螯合作用,抑制Ca(OH)2结晶,降低C3A和C3S相的水化速率,凝结过程、水化放热速率调控,降低水化放热速率、延长放热过程，为散热（自生散热、冷却水管散热等）赢得时间，实现放热历程和散热历程的匹配，并最终
9、降低混凝土试件内的温升，抑制温度开裂风险。,作用效果水化进程的调控,水化热调控技术水化热抑制材料,放热速率,累计放热量,2#,可降低水化速率峰值 50%-75%,有效调控早龄期总的放热历程,粉煤灰,低水胶比条件下粉煤灰对水化热影响的数据拟合,水化温升调控技术矿物掺合料,可有效降低水化反应速率 少量替代水泥可提高了实际水灰比，为水泥水化提供更多水分 大掺量将导致参与水化反应的水泥量减少，因此降低了水化热,硅灰和矿粉,硅灰、矿粉与粉煤灰复掺,硅灰提高了水化反应速率 矿粉大掺量可降低水化反应速率以及水化热 高强混凝土可采用硅灰、矿粉与粉煤灰复掺，即可保证强度又可有效减小水化温升,水化温升调控技术矿物
10、掺合料,四、高强混凝土收缩抑制,混凝土自收缩,自收缩的发展可以分为三个阶段： 第一阶段：自收缩等于化学收缩，且与水化程度成线形关系 第二阶段：骨架初步形成，自收缩受到限制，自收缩小于化学收缩 第三阶段：混凝土硬化，自收缩与化学收缩相比越来越小。,机理,自收缩根本原因：水泥水化过程，体系总体积减小（化学收缩）。,混凝土自收缩,机理,结构形成以后，进一步水化引起浆体内部弯液面产生 ，并引起收缩应力,初始状态,结构形成之前,结构形成之后,直接原因：,混凝土自收缩,测试方法,混凝土,净浆,自收缩（表观体积收缩）,波纹管测试技术,解决了波纹管竖向测长测试端头与内部混凝土脱粘的缺陷； 采用非接触传感器技术
11、解决了测头对早期测试结果的干扰； 实现了自浇注成型开始的分阶段、全过程测试，提高了数据的可靠性和连续性。,混凝土自收缩,测试方法,自干燥零点、早期收缩驱动力测试,应用了饱水多孔陶瓷探头的半透膜特性 实现了初始结构形成及自干燥零点的表征 解决传统测试方法漏气的问题，测试量程提升了1倍 克服传统方法在高湿阶段收缩驱动力难以测试的国际难题 ；,自干燥零点,对应初始结构形成； 对应自收缩的起始点（此前浆体收缩和化学收缩相同）,孔隙负压测试方法,高强混凝土自收缩影响因素,水胶比的影响,相比于水灰比为0.6试件： 水灰比为0.5、0.45、0.4、0.35、0.3和0.25试件1年的自收缩分别增加：175
12、%、250%、275%、335%、495%和505%,掺合料的影响,高强混凝土自收缩影响因素,硅灰显著增加自收缩 磨细矿粉也增大自收缩 粉煤灰可一定程度减少自收缩,高强混凝土收缩的特点 水胶比降低，干燥收缩逐渐减少，自收缩不断增大 自收缩在高强混凝土收缩中占有很大比例，水胶比越低，占比越高,1 W/C=0.17 2 W/C=0.23 3 W/C=0.30 4 W/C=0.40,高强混凝土自收缩抑制措施,减小高强混凝土自收缩的技术思路 高强混凝土微结构密实，传统的外部养护技术难以避免内部自干燥的发生和抑制自收缩 内养护补水、少需水量的膨胀补偿、化学减缩等方式才能从根本上解决自收缩引起的开裂问题,
13、自收缩引起的高强混凝土开裂，应重点关注！,高强混凝土自收缩抑制措施,内养护技术-高吸水树脂（SAP）,水泥石,吸水树脂,孔,搅拌吸水,释水养护,SAP在水泥基材料搅拌过程中吸水 结构形成（初凝）之后，SAP内水分向周围浆体迁移 向浆体迁移的水分体积补偿由胶凝材料水化所引起的化学收缩，并降低表观自收缩,SAP作用机理,SAP,高强混凝土自收缩抑制措施,内养护技术-高吸水树脂（SAP）,高性能SAP,普通SAP,基准,具有优异耐盐、耐碱性能的高性能SAP可以完全抑制水泥基材料早期自收缩 普通SAP抑制自收缩效果较差,在水泥浆体内部形成100-200m的孔,膨胀,收缩,w/c=0.35,收缩开裂特点
14、：自收缩、干缩、温缩,使用环境特点：温度、湿度历程,组成结构特点：低水胶比、低孔隙率,补偿自收缩和温降收缩 ，减小干燥收缩,膨胀补偿收缩,膨胀效能大,失水收缩小,需水量较小,水化产物稳定,钙镁多重复合,提高混凝土抗裂能力,膨胀历程可调、可控,低活性MgO,高活性MgO,轻烧CaO,早期膨胀,中期膨胀,后期膨胀,高强混凝土自收缩抑制措施,基准,膨胀补偿,水胶比0.29,采取分阶段全过程膨胀补偿技术，在不明显影响抗压强度基础上，可以补偿高强混凝土的早期自收缩，且后期无收缩,膨胀补偿收缩,高强混凝土自收缩抑制措施,高强混凝土自收缩抑制措施,化学减缩,技术思路：降低孔溶液表面张力,毛细管水分蒸发示意图
15、,表面张力的降低对弯曲表面 的附加压力的影响,高强混凝土自收缩抑制措施,化学减缩,传统低分子减缩剂存在缺陷,不同掺量减缩剂的作用效果,减缩剂对混凝土力学性能的影响 (混凝土用水量相同),减缩作用,降低强度,矛盾,通过构效关系研究发现，传统的低分子减缩剂无法根本解决 混凝土强度下降的问题,高强混凝土自收缩抑制措施,化学减缩 利用分子裁剪技术，将具有减缩功能和提供空间位阻效应的烷基聚醚接枝到共聚物主链中，发明了减缩型聚羧酸减水剂,吸附行为调控 分散,Side chain,Long side chain,短侧链(减缩型基团) 减缩、分散,长聚醚侧链 空间位阻,实现了减缩与减水分散的统一！,高强混凝土
16、自收缩抑制措施,化学减缩,(a) 1d以前的自收缩,比萘系降低了53,(b) 1d后的自收缩,28d比萘系降低了53,五、高强混凝土脆性改善,混凝土的脆性,脆性根源 构成混凝土材料的主要化学键：共价键和离子键 主要化学键：键能大、方向性强较小的变形即可储存大量势能 混凝土内部存在缺陷（裂纹、孔）致使局部应力集中 荷载作用积累的势能在缺陷处快速释放（脆性破坏） 高强混凝土的脆性 界面过渡区宽度变窄、密实程度提高，内部原生缺陷数量变少 裂纹扩展时直接穿过集料，断裂面的曲折度变小，吸收的断裂能不及沿集料破坏,作用机理：纤维“桥接”作用，分散应力和传递载荷，有效防止裂缝的扩展核心问题：纤维-基体之间的界面粘结，及其与基体性能、纤维自身物理力学性能之间的匹配,实现良好抗裂、增强效果，关键在优化界面性能,高强混凝土脆性改善纤维阻裂增韧技术,
