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1、主 讲：籍凤秋 教授 电 话：15530131562 Email: ,先进的水泥基复合材料,第 七 讲,本讲主要内容,高强混凝土高性能混凝土泵送混凝土粉煤灰混凝土纳米基水泥复合材料其它新型高强高性能水泥基材料,第一部分 高强混凝土,概 述高强混凝土组成材料高强混凝土配合比设计高强混凝土的应用,一、高强混凝土定义二、高强混凝土的特点 三、混凝土高强化的技术途径,1.1 概 述,1.1 概 述,轻质和高强化是混凝土多年来的努力方向。 从1842年波特兰水泥问世，1850年出现钢筋混凝土以来，作为重要的结构材料，强度一直是混凝土的主要性能指标。 混凝土强度取决于其密实性，密实性与耐久性密切相关，因此
2、高强度一直被认为是优质混凝土的特征。,一、 高强混凝土的定义,我国通常将强度等级超过C50的混凝土称为高强混凝土(HSC);抗压强度在100Mpa的称为超高强混凝土(SHSC)。混凝土强度类别，在不同的时代和不同的国家有不同的概念和划分: 50年代以前30Mpa以上; 50年代，35Mpa以上; 60年代以来提高到4152Mpa； 目前：50Mpa以上。,二、高强混凝土的特点,有效地减小结构自重；大幅度提高混凝土耐久性；减少掺料用量及建筑成本，降低生产、运输和施工能耗。例如：60MPa取代35MPa的混凝土，可节约混凝土40%，自重减轻35%，钢筋混凝土的配筋率为6%时，可使用钢量减少240k
3、g/m3.,三、混凝土高强化的技术途径,1、从混凝土工程学角度 搅拌用水要少；浇筑捣实要充分；混凝土硬化后要充分养护。 2、从材料学的方面 材料的组成，内部结构及其对混凝土材料性能 （包括流动性，强度和耐久性）的影响； 考虑混凝土内部的界面结构与孔结构对强度与耐久性的影响。,制备高强度水泥混凝土的技术路线,优质的水泥 优质的骨料 超细矿粉 掺合料 高效减水剂,浇筑捣实,养护,硬化混凝土,（低水灰比）,（温、湿度）,坍落度损,失的控制,强度 耐久性,（高效率）,高流动性,二十世纪混凝土强度水平发展回顾,1.2 高强混凝土的组成材料,胶凝材料高效减水剂优质骨料,一、胶凝材料,（一）一般水泥 （二）
4、特种水泥（国外） （三）超细矿粉掺合料,一、胶凝材料,（一） 一般水泥品种与强度等级要求：42.5及以上的硅酸盐或普通水泥。品质要求：具有较高的C3S含量，细度为35004000 cm3/g。（二）特种水泥（国外）1、调粒（级配）水泥将水泥组成中的粒度分布进行调整，提高胶凝材料的填充率；掺入部分粒径较大的水泥粗料和超细矿粉，以获得最密实的填充。调粒水泥常用的原材料及物理性质见表3-7-1；调粒水泥的配制件表3-7-2-2.,调粒水泥原材料的物理性质,调粒水泥配制实例,制备工艺球状水泥的性能粒径340m,粒度分布较窄，水化放热速率峰值及总放热量低；对相同配合比的混凝土，采用球状水泥和采用普通 水
5、泥对比，其混凝土坍落度由0提高至165mm；28 天强度提高10%；碳化深度减小8mm。,2. 球状水泥,原料水泥 颗粒,粉碎,混合粘结,固定,球状 水泥,（三）超细矿粉掺合料,1、掺合料的品种 硅粉、粉煤灰、磨细的矿渣粉、沸石粉等。 2、掺合料的作用 滚球润滑作用-改善混凝土的和易性 微集料作用-降低混凝土的孔隙率 胶凝材料及火山灰作用-改善水化物组成与过渡区的微观结构.,3、矿物掺合料简介,活性矿物掺合料成分：含有大量无定形态的 SiO2 和 Al2O3 的一类物质或本身就具备潜在水化硬化能力的物质。 活性矿物掺合料分类：天然矿物质，如火山灰、沸石、硅藻土、浮石等，亦称火山灰质材料。工业废
6、料或工业副产物，如粉煤灰、矿渣、磷渣、硅灰等。但这些物质在使用前，都要鉴定其质量。且应该具有必要的细度。,活性矿物掺合料发展历史,20 世纪美国： R.E.Davis 利用粉煤灰代替部分水泥，制造粉煤灰混凝土。1949年，在饿马大坝第一次在大体积混凝土中大规模使用粉煤灰。 1942年，德国学者R.Grun 公开发表“高炉矿渣在水泥工业中的应用”，标志着人类已开始探索新型掺合料矿渣。1976 年，D.J.Cook 在谢菲尔德大学举办的“关于水泥浆的水化、强度与性质”的国际会议上，率先发表了“稻壳灰水泥与混凝土的性质”一文。,活性矿物掺合料发展历史,70 年代末，以 O.E.Gjorv 为代表的挪
7、威技术研究院（the Norwegian Institute of Technology）第一次对硅灰在混凝土中的应用作了系统、深入及长期的研究，开发出了在今天仍然是效果最佳的新型掺合料硅灰。 此外，偏高岭土也已经被证实是一种活性非常高的矿物掺合料 我国对粉煤灰掺合料的研究始于 50 年代，并在建设齐齐哈尔钢厂厂房、三门峡水利枢纽工程等实际工程中应用了大量的粉煤灰，收到了良好的技术和经济效果。,矿物掺合料对混凝土性能的贡献,提高强度掺入活性矿物掺合料后，由于矿物掺合料的微填充效应、增塑作用、火山灰反应的增强作用，水泥石胶凝物质的组成与结构得到充分改善，密实性得到进一步提高，因此水泥混凝土的强度
8、得到极大的提高。这也是活性矿物掺合料的发展与应用对水泥混凝土工程发展最主要的贡献之一。,矿物掺合料对混凝土性能的贡献,显著提高混凝土的耐久性。例如，在有硫酸盐侵蚀环境条件下，掺有活性矿物掺合料的混凝土，抗硫酸盐侵蚀性能显著提高，因为在水泥石中缺乏或不存在游离石灰时，形成具有膨胀破坏作用的钙矾石反应不能进行；又如，在有碱集料反应产生的条件下，由于活性矿物掺合料的掺入，在混凝土水化物中形成大量低碱性水化硅酸钙凝胶，它们能吸收和固定大量的 Na+、K+离子，从而使混凝土孔溶液中的有效碱含量大大减少，因而，极大地减少了碱集料反应的危害性。,矿物掺合料对混凝土性能的贡献,改善水泥石与骨料间的界面结构掺入
9、高性能混凝土中的活性矿物掺合料在以超细状态掺入时，它们填充在水泥粒子之间和界面的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，使混凝土的抗渗性大幅度提高，这样，水和侵蚀介质难以进入混凝土的内部，故而耐久性大大提高。,矿物掺合料对混凝土性能的贡献,掺合料的发展与应用，完全适应了水泥混凝土强度与耐久性的发展要求。已经证明，掺合料在降低混凝土初期水化热、减少干缩，改善和易性，提高强度，改善混凝土抗渗性、抗硫酸盐腐蚀等系列耐久性指标，延长混凝土的使用寿命等方面具有显著作用。,矿物掺合料对混凝土性能的贡献,增加混凝土的流动性由于组成、结构的改善，活性矿物掺合料在增加混凝土强度和耐久性
10、的同时，又具备对新拌水泥混凝土增加流动性的作用，在高效减水剂的共同作用下，超细的矿物掺合料由于具有“微填充效应”、“形貌效应”、分散效应“等，与高效减水剂单掺相比，超细矿物掺合料与高效减水剂的复合掺入时，其复合减水作用可以使水泥混凝土的水胶比更进一步的下降。从而其强度可以更高，耐久性更好。,矿物掺合料对混凝土性能的贡献,掺入活性矿物掺合料可能带来的负面的影响是，混凝土的碱度降低，抗碳化能力减弱，引起保护钢筋的能力下降。但是，活性矿物掺合料的掺入，提高了混凝土的密实性和抗渗性，水分甚至 O2和 CO2都难以进入，从另一方面增大了混凝土保护钢筋不受蚀蚀的能力。,二、高效减水剂,萘系高效减水剂聚羧酸
11、减水剂 三聚氰胺氨基磺酸盐类,1、聚羧酸系减水剂,聚羧酸系高效减水剂是由含有羟基的不饱和单体和其他单体共聚而成，使混凝土在减水、保坍、增强、收缩及环保方面具有优良的性能。聚羧酸系高效减水剂为作为柰系第二代减水剂更换产品是由其本身的高性能决定的，更多方面性能的提高是全面的质的提高，并且从技术性能上来说，和柰系树脂系第二代高效减水剂不同，聚羧酸系减水剂不是一种单一的产品，而是具有一定共性的系列产品，因分子结构不同而对混凝土性能的改善程度也有不同。,1、聚羧酸系减水剂 Polycarboxylate based superplasticizer,历史品种分子结构应用特性,PCE-The 1st ge
12、neration,甲基丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯型,日本触媒 （Nippon Shokubai /NMB 1986）,PCE-The 2nd generation,烯丙醚型聚羧酸盐,日本油脂 (Nippon Oil & Fats),PCE-The 3rd generation,酰胺-酰亚胺型聚羧酸盐,d,美国(W.R.Grace),聚羧酸系减水剂分子结构,聚羧酸系减水剂在水中的分散,聚羧酸系减水剂在 水泥颗粒表面的吸附,聚羧酸系减水剂的作用原理？,CH2 - C - CH2 - C,COO-Na+,CH3,COO(CH2CH2O)nCH3,CH3,m,Main chain主链,Side chain
13、侧链,PC structure is comb-type copolymer PC结构是梳状结构,PNS is straight line structure 萘系列是直线结构,-,-,-,-,-,-,-,-,-,各种功能都根据主链，侧链的长度，还有密度。,聚羧酸系减水剂分子结构,聚羧酸系减水剂常用合成工艺(之一),1. 甲醇 + 环氧乙烷 mPEG (monomethoxy polyethyleneglycol),2. 酯化反应：MAA 和 MPEG 两者间的酯化作用,聚羧酸系减水剂常用合成工艺(之一),3. 聚合：上述反应的结果和MAA的聚合,m,聚羧酸系高性能减水剂的特性 Charact
14、eristics of polycarboxylate based superplasticizer,分子结构,聚羧酸系高性能减水剂的性能特点,（1）掺量低、减水率高。一般掺量为胶凝材料的0.15%0.25%，减水率为25% 35%，最高可达40%。 （2）混凝土拌合物的流动性好，坍落度损失低，2h基本不损失，其高工作性可保持6 8h。 （3）对混凝土增强效果潜力大。早期抗压强度比提高更为显著。以3d、7d抗压强度比柰系一般在130%左右，而聚羧酸系高性能减水剂的同龄期抗压强度比一般在180%以上。 （4）混凝土收缩率低。基本上克服了第二代减水剂增大混凝土收缩的缺点。 （5）总碱含量极低，降低
15、了发生碱骨料反应的可能性，提高混凝土的耐久性。,聚羧酸系减水剂标准,JG/T 223-2007 聚羧酸系高性能减水剂标准，2007年12月1日起开始实施。 铁道部科学技术司2006年9月印发的客运专线高性能混凝土用外加剂产品检验细则 已经修订完成的GB8076混凝土外加剂标准。,聚羧酸系减水剂年用量统计与预测 Annual Production of PC,三、优质骨料,配制高强混凝土对骨料的技术要求： （一）粗骨料 1、应选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、灰绿岩等碎石或碎卵石。强度等级为C60的混凝土也可以卵石配制。骨料母材的抗压强度应比所配制的混凝土强度高20%以上。压碎指标：C60
16、混凝土宜小于10%，C80混凝土宜小于6%。 2、粗骨料最大粒径： C60级不宜超过31.5mm， C80级不宜超过25mm。,（一）粗骨料,3、粗骨料颗粒中针片状含量不宜超过5%，且不得混入风化颗粒。4、粗骨料的含泥量C60级不应超过1%，C80级以上不宜超过0.5%。如含泥基本是非粘土质的石粉时，含泥量可由1.0%、0.5%提高到1.5%、1%。且不允许有泥块存在。5、粗骨料的其他质量标准与普通混凝土用的碎石或卵石相同，应符合JGJ53-92规定。,1、应选用洁净、质地坚硬、级配良好的河沙，其细度模数C60级混凝土不宜小于2.3，C60以上混凝土不宜小于2.7. 2、细骨料中的含泥量不应超过2%，Q80以上的混凝土不宜超过1.5%，且不允许有泥块存在。必要时，可冲洗后使用。 3、细骨料的其他标准，应符合JGJ53-92规定。,
