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1、高性能混凝土 (High Performance Concrete),石家庄铁道大学 罗永会 155 3013 5207 ,高性能混凝土 (High Performance Concrete),1 概 述,3 HPC的性能要求及检测方法,4 提高混凝土耐久性的措施,2 混凝土结构的劣化形式,5 生产及检测设备要求,1 概 述,一、HPC的相关概念,二、HPC的结构特点,三、国内外现状,一、HPC相关概念,1. HPC概念的发展,(1) 美国,1984 年，法国发表第一篇关于HPC的论文； 1990年5月，在美国马里兰州由 NIST 和 ACI 主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关
2、于HPC的定义。,高性能混凝土具有所要求的性能和匀质性的混凝土。例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。,一、HPC相关概念,(1) 美国 (2) 日本 (3) 欧洲 (4) 中国,1. HPC概念的发展,一、HPC相关概念,CECS 207-2006 高性能混凝土应用技术规程： 采用常规材料和生产工艺，能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。,这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制作上通过严格的质量控制，使其达到良好的工作性、均匀性、
3、密实性和体积稳定性。,高强混凝土就是高性能混凝土？,高性能混凝土一定高强？,1. HPC概念的发展,一、HPC相关概念,2. 耐久性,劣化：由劣化外力或劣化内因引起的混凝土结构性能随时间逐渐降低的现象。 劣化外力：导致混凝土及混凝土结构性能降低的主要因素中，与外部环境有关的部分。 劣化内因：导致混凝土及混凝土结构性能降低的主要原因中，与内部因素有关的部分。,CECS 2072006 高性能混凝土应用技术规程 混凝土在所处工作环境下，长期抵抗劣化外力与劣化内因的作用，维持其应有性能的能力。,钢筋锈蚀 冻融破坏 化学侵蚀 碱骨料反应,多孔、多相,固相：气孔：液相：,凝胶： 晶体： 未水化颗粒,凝胶
4、水 吸附水 自由水,凝胶孔 毛细孔 工艺孔,C-S-H,CH、Aft、Afm,二、HPC的结构特点,1. 水泥石的结构,二、HPC的结构特点,1. 水泥石的结构,二、HPC的结构特点,2. 界面过渡区,(1) 过渡区的形成,水灰比梯度 CH取向生长,水灰比高 孔隙率大 CH、Aft多，结晶颗粒大 CH取向生长,(2) 过渡层的特点,二、HPC的结构特点,(1) 孔隙率低，基本上不存在100nm以上的大孔； (2) 水化物中CH减少，CSH和Aft增多； (3) 未水化颗粒多，中心质效应增强； (4) 界面过渡区得到优化。,三、国内外现状,ACI-201：1957成立，负责混凝土耐久性方面的研究
5、，1992年编制了耐久性混凝土指南； RILEM：1960成立钢筋锈蚀技术委员会；1996提出基于破坏概率设计理论的混凝土结构耐久性设计概念； ASTM：每三年召开一次建筑材料耐久性研讨会； 日本、挪威、印度等国的研究机构。,2. 国外情况,1. 背 景,三、国内外现状,七五 (1986-1990)：大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及使用年限； 八五 (1991-1995)：预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术、工业厂房混凝土结构耐久性研究、重大土木与水利工程安全性与耐久性基础研究 九五 (1996-2000)：重点工程混凝土安全性研究 十五 (2001-2005)：青藏铁路 十一五 (2006-
6、2010)：客运专线/高速铁路,相关标准： CCES 01-2004 混凝土结构耐久性及耐久性设计指南 CECS 207-2006 高性能混凝土应用技术规程 CECS 220-2007 混凝土结构耐久性评定标准 GB 50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范,2. 国外情况,3. 国内情况,1. 背 景,三、国内外现状,4. 当前的严峻形势,建设速度； 新材料、新工艺； 大型工程建设 特殊环境开发利用,2. 国外情况,3. 国内情况,1. 背 景,2 混凝土的劣化形式,二、冻融破坏,三、化学侵蚀,四、碱骨料反应,Metha：当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环
7、境下的物理化学作用。 (1991年第二届混凝土耐久性会议主题报告：混凝土耐久性-50年的进展),一、钢筋锈蚀,一、钢筋锈蚀,pH值； 氯离子浓度； 环境温湿度； 混凝土饱水度、电阻抗； 保护层,2. 发生条件,3. 影响因素,电化学腐蚀： Fe-2e=Fe2+ H2O+O2+4e=4OH-,阳极反应：脱钝 阴极反应：H2O、O2 离子和电子通路,1. 锈蚀机理,二、冻融破坏,(1) 静水压学说 (2) 渗透压学说 (3) 盐冻,2. 影响因素,(1) 气泡间距 (2) 饱水程度 (3) 骨料特性 (4) 混凝土强度 (5) 冻结温度、速度,初始饱水度提高：盐类的吸湿性和保水性 渗透压、结晶压
8、结冰速度和降温速度加快使静水压增大,1. 破坏机理,三、化学侵蚀,(1) 环境水 (2) 酸碱 (3) 硫酸盐 (4) 结晶侵蚀,2. 影响因素,(1) 侵蚀介质 (2) 渗透性能 (3) 水化产物,Ca(OH)2溶出 水泥石分解(稳定浓度1.3g/L) 其它腐蚀性介质,E盐腐蚀(Ettringite)250mg/L G盐腐蚀(Gypsm) 1000mg/L 碳硫硅钙石 DEF,1. 侵蚀机理,四、碱骨料反应,(1) ASR,2. 发生条件,骨料具有碱活性 可溶性碱(Na2O+0.658K2O) 潮湿环境,(2) ACR,1. AAR机理,3 HPC的性能要求及检测方法,二、混凝土的体积稳定性
9、,三、混凝土的力学性能,四、混凝土的耐久性,一、新拌混凝土的性能,一、新拌混凝土的性能,1. 和易性,(1) 和易性的概念,坍落度/扩展度 坍流时间 坍落度损失 泌水率,流动性 粘聚性 保水性,(2) 和易性的要求,一、新拌混凝土,2. 含气量,(1) 测定原理,(2) 测定方法,(3) 要 求,测定混凝土的含气量Ac； 测定骨料含气量Ag； A=Ac-Ag,二、体积稳定性,1. 混凝土开裂的原因,(1) 外界荷载 (2) 次应力 (3) 膨胀 (4) 收缩,恒载、活载、风雪、吊车、地震,水化热、温度变化、地基变形,f-CaO、AAR、化学腐蚀、冻融、DEF,混凝土凝结硬化后，抵抗收缩开裂，保
10、持原有体积稳定的性能。,化学收缩 干缩和自收缩 温度收缩 碳化收缩 塑性收缩,三、混凝土力学性能,1. 抗压强度,试验龄期：56d 养护要求：标准养护、同条件养护,2. 弹性模量,四、混凝土的耐久性,1. 电通量,60 V 6h 0.3M NaOH、3%NaCl,养护(钻芯)侧封真空(133Pa3h) 注水浸泡1h常压饱水18h 读数：5min/10min/30min,积分（时间：s）,(1) 原理及设备,(2) 试验步骤,(3) 电通量计算,(4) 结果处理,有1个超差15剔除，2个超出无效,四、混凝土的耐久性,2. 抗冻性,(1) 原理及设备,(2) 等级评定,快速冻融机、 动弹模测定仪、
11、 台秤(10kg、感量5g),抗冻等级：5%；60% 相对耐久性系数Kn：,四、混凝土的耐久性,3. 碱骨料反应,(1) 技术要求,TB/T 3054-2002 铁路混凝土工程预防碱骨料反应技术条件 首先用岩相法检测，碱碳酸盐反应活性骨料不能使用； 对于碱硅反应的骨料： 膨胀率0.1 膨胀率0.10.2% 膨胀率0.20.3% 可以使用 限制碱含量 附加预防措施,(2) 相关检测方法,检测ASR的砂浆棒法 检测抑制措施有效性的方法 碱含量检测方法,四、混凝土的耐久性,4. 抗渗性,(1) 试件制作,(2) 试件密封,(3) 加压制度,(4) 等级评定,圆台型（175185150）,拆模后用钢丝
12、刷刷去端面水泥浆膜； 试验前1d取出试件晾干，刷毛密封；,从0.1MPa开始， 以后每隔8h增加水压0.1MPa；,六个试件中有三个渗水即可停止试验。 PH0.1,6个试件中4个不渗水所能抵抗的最大水压,四、混凝土的耐久性,4. 抗腐蚀性,(1) 试验原理,(3) 试验步骤,(4) 结果与要求,千斤顶压力机(15kN)、抗折机(0.8N/s)、球形拌和锅、三联试模(101060),配料：100g；2.5；0.50； 成型：8MPa5s；6组18个； 养护：湿汽1d，温水养护(501)7d 浸泡：203清水 200ml203硫酸钠溶液(3)，每天一次用1N硫酸中和 破型：0.8N/s,抗折强度取
13、中间7个的平均值，精确到0.01； 抗蚀系数精确到0.01，要求大于0.80,(2) 仪器设备,在Na2SO4溶液中浸泡生成Aft降低抗折强度,4 提高耐久性的综合措施,三、施工控制,四、附加措施,二、原材料,一、设 计,一、设计,提高设计等级 混凝土保护层 防排水 附加保护措施,不是按强度，而是按耐久性进行设计； 根据不同的环境条件和等级进行耐久性设计,碳化环境：T13 氯盐环境：L13 化学侵蚀环境：H14 冻融破坏环境：D14 磨蚀环境：M13,二、原材料,1. 水泥,品种；细度；碱含量；C3A；f-CaO；氯离子,二、原材料,2. 掺合料,早期：一为节约水泥，获取经济效益；二为减小大体
14、积混凝土温升，避免温度裂缝。 今天：改善混凝土的微结构和许多重要性能，而且还具有节约能源、保护资源和减小环境污染等多重意义。,掺合料具有一定的活性，改善过渡区； 体积和形态效应改善混凝土的和易性； 密实效应改善混凝土的耐久性； 对水泥的分散作用，降低水胶比，改善水泥在低水胶比下的水化环境； 延缓初期水化速率，形成较低水胶比、较大水灰比的有利环境； 降低温升，减小早期开裂的风险。,二、原材料,2. 掺合料技术要求-粉煤灰,二、原材料,2. 掺合料技术要求-矿渣粉,二、原材料,3. 外加剂,(1) 减水剂 (2) 缓凝剂 (3) 引气剂,二、原材料,3. 外加剂,二、原材料,3. 外加剂,二、原材
15、料,4. 细骨料,二、原材料,5. 粗骨料,二、原材料,5. 施工用水,三、施工,1. 配合比设计要求,2. 混凝土生产,3. 运输与浇筑,4. 养护及温控,5. 质量控制措施,三、施工,(1) 水胶比和胶材用量、掺合料用量 (2) 核算碱含量和氯离子含量 (3) 坍落度、泌水率、含气量 (4) 强度(56d)、抗裂性、耐久性(电通量等),1. 配合比设计要求,三、施工,(1) 材料管理,2. 混凝土生产,选料与进料 储存标志 防潮、防水,设备要求 计量偏差要求 用水量修正 投料顺序和搅拌时间,细骨料/粉料/外加剂（搅拌均匀）加水搅拌加入粗骨料搅拌,(2) 计量与搅拌,三、施工,3. 运输与浇
16、筑,浇筑混凝土的自由落高不得超过2m，,混凝土浇筑过程中，要防止碰撞模板、钢筋、预埋件；,混凝土振捣要防止漏振，也要避免过振,不宜用翻斗车、手推车，宜用罐车运输；,三、施工,4. 养护及温控,应避免混凝土失水引起早期裂缝； 养护剂的使用； 应注意温度应力产生的开裂问题。,浇筑温度； 养护期间应控制混凝土内部最高温度不超过60； 应采取措施缩小混凝土的内部温差； 防止混凝土表面温度发生剧烈变化。,环境因素（曝晒、气温聚降）； 洒水养护； 拆模。,三、施工,(1) 原材料,5. 质量控制措施,(2) 混凝土,(3) 结构实体,进场检验-质量证明文件 定期检验 常规检验,坍落度、含气量、泌水率、温度 强度、弹模、电通量、抗渗抗冻性,保护层厚度 裂缝宽度 气泡间距系数 温度检测 混凝土强度、电通量,含气量测定,碱骨料反应破坏形式,电通量仪,电通量仪,电通量仪,快冻法检测设备,
