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1、高性能混凝土,罗健林 E-mail. 0532-85071275,High performance concreteHPC,迪拜哈利法塔，塔高828m， C80一次泵送601m,绪论,本章主要内容：,一、混凝土的定义与分类 二、水泥混凝土的发展 三、高性能混凝土的定义 四、高性能混凝土的特点 五、高性能混凝土的研究现状 六、高性能混凝土需进一步研究的问题,一、混凝土的定义与分类,（一）定义： 混凝土：混凝土是由胶凝材料，水和粗、细骨料按适当比例，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的具有所需形状、强度和耐久性的人造石材。 胶凝材料：能将散粒材料或块状材料粘结成整体并具有一定强度的材料称为胶凝材料
2、。,按表观密度分：,普通混凝土（1900 2500kg/m3）,轻混凝土（1900 kg/m3 ）,重混凝土（ 2600kg/m3）,按强度等级分：,低强度混凝土（20MPa）,中强度混凝土（20MPa50MPa）,高强度混凝土（50MPa）,（二）分类,超高强度混凝土（100MPa）,普通混凝土：一般在C50MPa以下。,按胶结材料分： 水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土、聚合物混凝土 按用途分： 钢筋混凝土、防水混凝土、装饰混凝土、道路混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土等 按混凝土流动性可分为： 塑性混凝土、低流动性混土、干硬性混凝土,（三）水泥混凝土的优缺点 优点： 有较高抗压强度:有一定的
3、承载能力; 有较好的耐久性:用得越久,强度越高； 有较好的可塑性:可以浇筑成任意形状、不同强度、不同性能的建筑物; 原材料来源广泛，价格低廉。 缺点： 抗拉强度低,受拉时容易受温度变化而开裂； 自重大。,（四）对混凝土的基本要求 具有符合设计要求的强度; 具有与施工条件相适应的施工和易性； 具有与工程环境相适应的耐久性； 价格低廉的经济性。 注重节约资源、能源、减少工业废料排放和保护环境绿色HPC。节能环保 此外，随着人们物质生活条件的改善，功能混凝土的开发受到重视 （如抗菌、环境调节、变色、智能混凝土等）。,二、水泥混凝土的发展,粘土：是天然的胶凝材料，最早被用来加水铺筑地坪，胶结石块。 考
4、古学家从先民遗址中转发现大量用粘土胶结卵石作为居室木柱的基础(如西安半坡遗址)，还发现过用草筋增强泥土抹平的洞室墒面、灶台与火塘。,半坡遗址照片,石灰： 二合土：石灰+粘土， 三合土：石灰+粘土+砂石 石灰+一些有机材料（如桐油、糯米汁等）可以提高耐久、防潮、抗水、抗冲击等性能。 例如：曹操用植物油掺入石灰中建造了铜雀台； 明代南京城墙也使用糯米汁石灰，并用桐油石灰封顶以增强防水抗渗的能力； 清乾隆年间用糯米、石灰加牛血建造了永定河河堤，长达数百里。,明代南京城墙：糯米汁加石灰,安徽寿县古城墙,石膏：作为储藏量丰富的矿石，在古埃及就得到了广泛使用。金字塔等古建筑曾用石膏砌筑(ps),火山灰混凝
5、土： 古罗马人、亚述人和巴比伦人也都将石灰和熟土混合用于建筑中。 他们把这种火山造成的粉末与石灰混合料浆加入加工石料的残渣、砖块、天然卵石等，就会凝固成坚实的磐石，并且不透水。这就是最早的混凝土。 使用石灰火山灰这种水硬性胶凝性材料，使气硬性石灰的功能大大提高，是胶凝材料史上的一次大突破。,罗马大圆剧场：长轴188m，短轴156m，承重墙上面是非常复杂的混凝土筒形拱和交叉拱。,古罗马万神庙,古罗马万神庙圆形平面环形混凝土基础上是厚6.2m的凝灰岩和火山灰的混凝土墙，混凝土筑的弯隆顶直径达43.2m；基础中用凝灰岩，穹顶中用浮石轻混凝土,从波特兰水泥到HPC： 18世纪后，火山灰石灰体系的混凝土
6、因凝结缓慢和早期强度低而逐渐不能适应。出现了一系列新的胶凝材料及生产方法： 水硬性石灰：用含较多熟土质的石灰石粉燃烧得到具有一定水硬性的石灰。 煅烧+粉磨：后来又有人发现，如提高煅烧温度将不能消解的石灰碴块磨细，能够得到强度与水硬性更好的胶凝材料。,天然水泥：1796年，英国Parker用粘土质石灰石煅烧而制得水硬性水泥。 与此同时，在美国罗森代尔和路易斯维尔也发现了一种粘土含量适当的石灰石，被用来烧成天然水泥并称为罗森代尔水泥。 波特兰水泥：1913年法国的Vicat用石灰石和粘土加水湿磨成均匀的混合物，经过煅烧制成了人工水硬性石灰，被认为是近代波特兰水泥的雏形。,1824年，英国里兹的As
7、pdin取得了波特兰水泥的专利。尽管当时的煅烧并未达到能够生产出真正的硅酸盐水泥的温度，但是他首创了波特兰水泥的名称。 波特兰水泥工业化：1885年，IsaaJohnson主张将生料的煅烧温度提高到熟料烧结的温度。1886年美国首先用回转窑煅烧熟料，使波特兰水泥进入大规模工业化。,钢筋混凝土：自从水泥问世以后，快出现了水泥砂浆和水泥混凝土，并在其中配置钢筋，用钢筋来增强混凝土以弥补混凝土抗拉强度和抗折强度低的缺陷。1850年前后，法国人取得了钢筋混凝土的专利权。 随后，在欧美几个国家通过试验逐步建立了钢筋混凝土结构的计算公式。钢筋混凝土计算方法的建立，则大大促进了混凝土的应用范围。 到19世纪
8、末，出现了钢筋混凝土设计规范，分别用于各自国家设计钢筋混凝土工程,混凝土设计：1896年。法国Feret最早提出了以孔隙含量为主要因素的强度公式。 1919年，美国Abrams通过大量试验提出了著名的水灰比定则，成为混凝土材料性能研究的一次重要发展。 随后出现了配合比设计法和各种工艺规程，使混凝土强度、耐久性以至均匀性得到了保证，为混凝土材料可靠地在工程中广泛应用提供了依据。,预应力钢筋混凝土：1928年，法国的Freyssune发明了预应力锚具，创造了预应力钢筋混凝土技术。 它充分利用了近代提供的混凝土抗压能力与钢筋的抗拉、抗压等优越性能，发挥了两种材料共同作用的复合功能，为减小结构断面、增
9、大荷载能力、提高抗裂和耐久性能等起了卓越的作用，使长跨、高耸、重载等结构使用钢筋混凝土作为主体材料成为可能。,水泥混凝土外加剂：水泥混凝土外加剂使用的历史很长。 如：古罗马人用动物油脂、乳液和动物血来改善混凝土的工作性和耐久性； 我国很早就在使用动物血、桐油、糯米汁等来改善砂浆的性能； 20世纪30年代末，美国发明的松脂类引气剂和纸浆废液减水剂使混凝土的耐久性、流动性得到极大提高，在工程中迅速得到采用；,德国在纸浆废液中提取出了木质素磺酸盐减水剂。 在水泥生产中偶然发现，用牛油作助磨剂，所制混凝土有非常好的抗冻性，美国就发明了松脂皂引气剂； 此后，萘磺酸盐甲醛缩合物、三聚氰胺等高效减水剂先后制
10、成并得到应用。 这些化学外加剂现已成为混凝土的必要组分，被认为是预应力混凝土技术以后的又一次技术大突破。现已很少有不使用外加剂(做菜调料)的混凝土。,预拌混凝土： 1930s，美国为开发中西部水利而兴建不少混凝土大坝工程时，采用集中拌和的大型化工厂生产方式，为近代盛行的预拌混凝土工业奠定了基础。 水泥基复合材料： 1940s，德国将聚氯乙烯(PVC)掺入混凝土中以改善其脆性，提高抗渗、抗蚀能力，首创了聚合物混凝土。1960s，美国发明了聚合物浸渍混凝土。,发展趋势： 不能单独过分强调高强度，要注重耐久性、工作性。HPC逐渐成为合理的、科学的发展路线。 HPC已成为当前的完善混凝土，但它也还不是
11、理想混凝土或理想的水泥基复合材料。,三、HPC的定义,对HPC有不同的定义和解释，例如： 1美同国家标准与技术研究所与美国混凝土协会(ACI) 提出： HPC是具有某些性能要求的均质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，便于浇捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。,21990年美国Mehta P K认为：HPC不仅要求高强度，还应具有高耐久性(抵抗化学腐蚀)等其他重要性能，例如高体积稳定性(高弹性模量、低干缩率、低徐变相低的温度应变)、高抗渗性和高工作性。 31992年法国Malie
12、r Y A认为：HPC的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。,41992年日本的小泽一雅和冈村商认为：HPC应具有高工作性(高的流功性、粘聚性与可浇筑性)低温升、低缩率、高抗渗性和足够的强度。 51992年日本Sarkar S L提出：HPC具有较高的力学性能(如抗压、抗折、抗拉强度)、高耐久性(如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀)、高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土家族,不同的工程和应用部门对于HPC也有不同的要求，会提出不同的性能指标，例如： 1美国战略公路研究计划(SW)提出HPC用于公路工程应
13、满足下列要求； (1)水胶比0.35； (2)耐久性指数大于80； (3)4h抗压强度高于17.2MPa，24h抗压强度高于34.5MPa，或28d抗压强度高于68.9MPa。,2用于桥梁，尤其是大跨度桥梁的HPC应满足下列要求： (1)水胶比0.4； (2)强度高于41.4MPa； (3)徐变率低。 3高层建筑要求混凝土具有高强度、高弹性模量、轻质、低徐变率、较高的工作性、早期强度与耐久性高的特性，使长期以来的建筑物安全使用期从3050年提高到100年以上。 4港工工程坚求混凝土具有高耐久性(抗腐蚀、抗冻融循环等)、高抗渗性、体积稳定性好、强度与抗冲击疲劳性高。,5重要水工建筑物(包括大体积
14、混凝土工程（1）对耐久性与体积稳定性有很高的要求，而对于强度和早期强度要求不高； （2）水工建筑常要求有很长的安全使用期； （3）在寒冷、干热以及高速水流冲刷等条件下应用的HPC，尤其需要某些特殊性能； （4）水工混凝土的工程量常较大，工作性对均匀性、工程安全性以及施工经济性有极大影响，因此对工作性常有较高的要求。,法国为发展HPC而设立的“混凝土新方法”国家科研目中提出：“HPC应该是要求长期耐久性的一切工程所必须采用的，即使结构上不要求应用高强度混凝土。”这说明HPC不一定要求高的强度指标。 中国在HPC应用技术规程（CECS207-2006）对HPC定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混
15、凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。,我国高性能砼的应用实例 ：,上海广播电视塔（东方明珠）：9194年，C60泵送至96m， 坍落度160200mm，（525号 380kg/m3）,上海金茂大厦 楼高420.5m，整体结构分地上、地下二个部分：主楼基础底板为C50高强大体积混凝土。主楼88层，其中核心筒、巨型柱、楼面三部分由钢筋混凝土组成，其强度等级随高度上升由C60过渡到C50直至C40。预拌混凝土采用普茨曼固定泵，最高泵送高度382.5m。,新上海国际大厦 9194年：C80泵送高度96m，坍落度200mm，（ 725号水泥480kg/m3 ）,首都
16、国际机场：97年： C65泵送砼，水平距离260m，垂直距离30m，坍落度160225mm，（525号450kg/m3）,沈阳和态大厦： 97年： C80泵送，坍落度120160mm，（625号水泥550kg/m3 ）,湖南省图书城： 98年： C80泵送高度78m，坍落度190230mm，（普通525号水泥350kg/m3 ）,四、HPC的特点,（1）自密实性 HPC的用水量较低，流动性好，抗离析性高，从而具有较优异的填充性。因此，配好恰当的大流动性HPC有较好的自密实性。 （2）体积稳定性 HPC的体积稳定性较高，表现为具有高弹性模量、低收缩与徐变、低温度变形。采用高弹性模量、高强度的粗集料并降低混凝土中水泥浆体的含量，选用合理的配合比配制的HPC，90天龄期的干缩值低于0.04%。,
