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1、高性能混凝土发展及 若干关键技术问题,郑州大学土木工程学院 元成方,提 纲,水泥及水泥混凝土发展概要,水泥及水泥混凝土发展概要,水泥及水泥混凝土发展概要,水泥及水泥混凝土发展概要,水泥及水泥混凝土发展概要,中国最古老的“混凝土”,“混凝土” 由石灰、黄土和粗细集料配制而成。,水泥及水泥混凝土发展概要,18世纪中叶，钢筋加强混凝土由法国人Lambot J L发明；1913年，回转窑烧制页岩陶粒轻集料混凝土开始在美国出现；1926年，由丹麦人雅各布森(Jacobsen)教授发明了多孔混凝土；20世纪70年代，高效减水剂和活性掺合料的开发和应用，使高强混凝土的制备技术进入新的阶段；20世纪90年代，
2、全世界范围内掀起高性能混凝土材料的研究热潮；随着对资源、环境与材料关系的认识的不断发展，具有环境协调性和自适应特性的绿色混凝土应运而生，自20世纪90年代以来，开展了广泛深入的研究。,水泥及水泥混凝土发展概要,混凝土及水泥浆体组成,混凝土体积组成： 水泥石：25%左右 集料：70%以上 孔隙和自由水：1%-5%,混凝土及水泥浆体组成,硬化水泥浆体SEM照片,水泥浆体组成,Ca(OH)2,钙矾石,C-S-H,混凝土及水泥浆体组成,高性能混凝土的定义,高性能混凝土的定义,力学性能,耐久性,工作性,体积稳定性,混凝土强度和受力变形性能的总称。,混凝土在所处工作环境下，长期抵抗内、外部劣化因素的作用，
3、仍能维持其应有结构性能的能力。,混凝土适宜于施工操作、满足施工要求的性能的总称。,混凝土初凝后，能抵抗收缩或膨胀而保持原有体积的性能。,高性能混凝土的定义,高性能混凝土为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，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。吴中伟 院士,高性能混凝土的定义,高性能混凝土原材料,高性能混凝土原材料,宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混合材宜为矿渣或粉煤灰。有耐硫酸盐侵蚀要求的混凝土也可选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥或高抗硫酸盐硅酸盐水泥。不
4、宜使用早强水泥，一般情况下不得采用立窑水泥。,水 泥,高性能混凝土原材料,注：1 当骨料具有碱硅酸反应活性时，水泥的碱含量不应超过0.60%。2 C40及以上混凝土用水泥的碱含量不宜超过0.60%。,水泥技术要求,高性能混凝土原材料,粉煤灰技术要求,粉煤灰,高性能混凝土原材料,矿渣技术要求,矿渣,高性能混凝土原材料,硅灰技术要求,硅灰,高性能混凝土原材料,外加剂应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品。外加剂与水泥之间应有良好的相容性。外加剂须经质检部门检验、鉴定。,外加剂,高性能混凝土原材料,混凝土外加剂技术指标,高性能混凝土原材料,混凝土外加剂技术指标
5、,高性能混凝土原材料,砂,砂子应选择质地坚硬、级配良好的中、粗河砂或人工砂。不宜使用山砂，不得使用海砂。,高性能混凝土原材料,混凝土用砂技术指标,高性能混凝土原材料,石,粗骨料应选择级配良好、质地坚硬的碎石或碎卵石。骨料最大粒径不宜大于25mm，宜采用1525mm和515mm两级粗骨料配合。粗骨料为碎石时，碎石的强度用岩石抗压强度表示，且岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5。,高性能混凝土原材料,混凝土用石技术指标,高性能混凝土原材料,混凝土用石技术指标,高性能混凝土原材料,拌合水,高性能混凝土的拌合和养护用水为饮用水，质量符合现行行业标准。严禁采用海水。,高性能混凝土原材料,低水胶
6、比,低水胶比对高性能混凝土很重要，依靠高效减水剂和优质矿物细粉掺合料实现混凝土的低水胶比。,控制胶凝材料用量,胶凝材料过多，不仅增加成本，混凝土的体积稳定性也差，同时，对获得高强度意义不大。应该通过合理调整粗细骨料用量及砂率控制空隙率，实现较低水胶比下的良好和易性。,高性能混凝土原材料,掺加优质化学外加剂,混凝土中应该掺加一定量的引气剂，使混凝土的含气量在3-4%。尽可能使用聚羧酸高性能减水剂，以提高工作性，减少收缩。,掺加矿物掺合料,混凝土中应选择性掺加粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料，采用单掺或复掺的方法部分取代水泥，用以改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。,高性能混凝土原材料,减水剂
7、的作用,减少混凝土用水量，降低水泥基材料硬化浆体的孔隙率，改善孔隙结构，提高界面强度，使得混凝土力学性能和耐久性均有所提高。此外，减水剂还可改善混凝土的工作性能。,高性能混凝土原材料,减水剂的种类,（1）掺量小（0.15%0.3%），减水率高（25%45%）； （2）混凝土工作性好，坍落度损失小； （3）混凝土收缩小，抑制收缩裂缝的产生； （4）无污染环保产品。,高性能混凝土原材料,引气剂的作用,（1）显著提高混凝土的抗冻性，减缓硫酸盐腐蚀和碱-骨料反应产生的膨胀应力。 （2）有轻微减水作用，减少混凝土表面泌水。 （3）改善混凝土的均质性和流动性，显著提高可泵性。,高性能混凝土原材料,引气剂掺
8、量为 0.02的混凝土在 125 次冻融循环后相对动弹性模量下降速率呈现明显加速的趋势；引气剂掺量为 0.025的混凝土在 150 次冻融循环后形成其下降速率加速的趋势；而引气剂掺量为 0.03的混凝土在 175 次冻融循环后才呈现此趋势。含气量对混凝土冻融循环后相对动弹性模量影响很大，因此对抗冻性有要求的建筑，掺入适量的引气剂是很必要的。,高性能混凝土原材料,引气剂掺量0.02%试件的抗压强度下降很快，50次冻融循环后，抗压强度下降了9；100次冻融循环后，抗压强度下降了22；而150次冻融循环后，抗压强度下降率超过了50。含气量较大的两组，300次冻融循环后，抗压强度分别下降了34.27和
9、27.68。,高性能混凝土原材料,掺加引气剂,未掺引气剂,经历相同的冻融循环后，未掺加引气剂的混凝土试件表面胶凝材料的流失，坑蚀孔洞明显，表面骨料外露。掺加适量引气剂的混凝土试件，其表面仅出现许多小的坑蚀。,高性能混凝土原材料,粉煤灰中含有大量空心或实心的玻璃珠、形状不规则的颗粒以及多孔的粗粒，其形态特征是：粒形圆整、表面光滑、粒度较细、质地致密。这些形态上的特点促使水泥浆体的需水量降低；比水泥熟料粒度更细的、级配连续的粉煤灰微粒均匀地分布在浆体中，会增强保水性和匀质性，改善了浆体的初始结构；玻璃球体减小水泥颗粒之间的摩擦阻力，改善混凝土的和易性。,高性能混凝土原材料,矿物掺合料的效应 2,矿
10、物掺合料中，存在着一定数量的活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分。这些活性组分与水泥熟料水化时放出的氢氧化钙的反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物，该反应过程为二次水化过程。二次水化过程中，粉煤灰颗粒与水泥水化产物之间的联接不断加强，对促进水泥基材料强度增长，尤其是抗拉强度的增长，起了重要作用。,高性能混凝土原材料,矿物掺合料的效应 3,微集料效应可以分为微集料颗料强度对水泥基材料强度的影响和微集颗粒粒径对水泥基材料强度的影响。粉煤灰微粒本身强度是高的，美国明尼苏达州大学测得厚壁的空心微珠抗压强度在7031kg/cm2以上。粒度30m以下的粉煤灰颗粒在水泥石中可以起相当于未水
11、化水泥熟料微粒的作用。 微集料效应增强了水泥基材料的强度。,高性能混凝土原材料,混凝土抗渗性提高,混凝土的毛细孔隙率和总孔隙率有所减小,氯离子、硫酸根离子、二氧化碳等物质的扩散速度下降,延缓了钢筋的锈蚀和混凝土开裂,延长了混凝土结构的使用寿命！,掺加适量的矿物掺合料,高性能混凝土原材料,高性能混凝土配合比设计,高性能混凝土配合比设计参数,耐久性要求低水胶比，为了保证高流动性就要用较大的浆集比和砂率。而粗集料用量减小时，强度会有所提高，但却会影响混凝土的弹性模量，增加干缩和徐变。配合比设计的任务就是正确地选择原材料和配合比参数，使其中的矛盾得到统一，得到经济、合理的混凝土拌和物。,高性能混凝土配
12、合比设计,水胶比,低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一。为保证混凝土具有足够的抗渗性和耐久性，无论设计强度是多少，配制高性能混凝土的水胶比一般都不大于0.40。,水胶比的选择,高性能混凝土配合比设计,浆集比,水泥浆和集料的比例为浆集比。美国Mehta和Aitcin认为，采用适宜的集料时，固定浆集体积比35：65可以很好地解决强度、工作性和尺寸稳定性(弹性模量、干缩和徐变)之间的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。根据经验，高性能混凝土中胶凝材料总用量不能低于300kg/m3，不应超过550kg/m3。水泥用量应尽量减少，而以干缩小的矿物细掺料部分取代之，以减少混凝土的温升和干缩，提高抗化学侵蚀的能
13、力，增加密实度，降低造价。根据国内外有关研究报告和工程实践资料，建议配制C50C70的高性能混凝土，可单独掺加15%30%的优质粉煤灰或20%50%矿渣代替水泥；配制C80以上的混凝土，可用5%10%的硅灰和15%35%的优质粉煤灰或矿渣混合掺入。,高性能混凝土配合比设计,砂率,砂率的选择,在水泥浆量一定的情况下，砂率在混凝土中主要影响工作性。砂率不宜超过0.46，超过此值后，混凝土坍落度损失较多。石子级配越差，则要求的砂率越大，越要求使用粗的砂。掺入密度小的辅助胶凝材料时，可减小砂率。,高性能混凝土配合比设计,减水剂用量,高性能混凝土的高强度、高耐久性是以低水胶比和低用水量为保证的，高效减水
14、剂是实现大流动性的唯一途径。高效减水剂的掺量要根据混凝土坍落度来确定。一般情况下，用量越大，坍落度增加越高，但超过一定量后效果不再显著，也不经济。高效减水剂均有其最佳掺量，大多数在1%2%之间，以此为参照可以确定高效减水剂掺量。,高性能混凝土配合比设计,（1）确定混凝土的配制强度,（2）估计拌合水量,不同强度等级的高性能混凝土最大用水量,高性能混凝土配合比设计,（3）计算浆体体积组成,固定浆体和集料的体积比为35:65，可以很好地解决强度、工作性和体积稳定性之间的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。用浆体0.35m3，减去上一步估计用水量和0.02m3的含气量，按矿物掺合料的掺量计算浆体中各组分的
15、体积含量。,0.35m3浆体中各组分体积含量,高性能混凝土配合比设计,（4）估计集料用量,集料的总体积为0.65m3，粗细集料的体积比可以由下表查出。,粗细集料的体积比,高性能混凝土配合比设计,（5）估算混凝土中各材料的用量,常用原材料的密度为：硅酸盐水泥3.14g/cm3，粉煤灰和磨细矿渣2.5g/cm3，天然砂2.65g/cm3，普通砾石或碎石2.7g/cm3。根据材料所占体积，计算材料用量。,（6）试配和调整,该方法用到很多假设，因此必须用现场使用的原材料经多次试配，逐渐调整。,高性能混凝土配合比设计,参考Mehta和Aitcin推荐的高性能混凝土配合比设计方法，中国建筑材料科学研究院和
16、清华大学分别配制了矿渣硅灰高性能混凝土和粉煤灰高性能混凝土：,试配强度按fcu.p=fcu+1.645计算，取值根据统计资料确定。无统计资料时，C50、C60混凝土试配强度不低于强度等级值的1.15倍，C70、C80混凝土试配强度不低于强度等级值的1.12倍。 混凝土水胶比应控制在0.380.25范围内，混凝土强度等级越高，水胶比越低。 混凝土砂率宜为28%34%，采用泵送工艺时，可为34%44%。 水泥用量不宜大于500kg/m3，胶凝材料总量不宜大于600kg/m3。 矿物掺合料等量取代水泥最大用量为：粉煤灰30%，磨细矿渣50%，硅灰10%，磨细天然沸石10%，复合掺合料50%。 化学外加剂的掺量应使混凝土达到规定水胶比和工作度，且最高掺量时，不应对混凝土性能产生不利影响。,高性能混凝土配合比设计,为了获得高质量的混凝土，拌合物浇筑后必须在硬化初期阶段在适合的环境中进行养护。美国混凝土协会（ACI）将养护定义为：“水泥在水分与温度满足的条件下持续水化，水泥混凝土逐渐成熟和硬度发展的过程。”养护即为水泥（或胶凝材料）原始的水化提供适宜的温度和湿度环境，直到新鲜水泥浆中原始充水孔为水泥水化产物填充到所要求的程度为止。,
