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1、水工建筑新材料讲义第一讲 高性能混凝土（HPC）一、 高性能混凝土概念1 历史沿革混凝土工艺的历史发展渐进而缓慢。引入注目的事件也就是1919年建立的水灰比定律和1938年产生了引气剂，如今高性能混凝土(HPC)的出现却标志着混凝土工艺正跨入一个新的革命阶段。 过去，混凝土性能常以强度为表征。几乎有一个世纪，按常规生产的结构混凝土28d抗压强度在2030MPa间。30年前，将超过或等于40MPa的混凝土定名为高强混凝土，之后又将界限提到50或60MPa。最近15年内，在高层建筑和桥梁结构中出现了更高的强度如90、100、110MPa，有的达120MPa。片面提高强度而忽视其他性能的倾向造成水泥
2、生产向大幅度增加细度和硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，不断地提高水泥等级。提高混凝土强度的办法除采用高标号水泥外，更多的是增加单位水泥用量，降低水灰比。因此混凝土的流动性随之下降，甚至出现必须依靠强力振捣才能保证密实性和均匀性的干硬性混凝土。到80年代前后，混凝土耐久性问题愈来愈尖锐。在长期的工程实践中，可以看到水工建筑物、桥梁、道路、海洋结构和污水处理厂等设计使用年限较长的基础设施结构，损坏日趋明显。其原因往往不是出于混凝土强度而是耐久性不足。由于维修更新耗资巨大，业主们宁愿加大建设投资，要求提高混凝土结构的耐久性，设计使用年限超过100年。此外，当今有许多重要结构不仅要求其混凝土为高强度，工
3、作性和耐久性好，在超载下有延性，而且还有热反应低，渗透率小，耐火、自重轻、耐磨损、收缩小、内部抗拉性能高、蠕变小、抗疲劳的持久性强和析水少等高性能。因混凝土材质劣化和环境等因素的侵蚀作用，常出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌等事故，造成巨大损失。有鉴于此，加上施工能耗、劳动与环境保护，尤其是均匀性对工程安全所具有的的极端重要性，因此对混凝土的工作性提出了愈来愈高的要求。传统的单一高强化的主流思想受到批判，高性能混凝土逐渐成为合理的、科学的发展路线。高性能混凝土已成为当前的完善混凝土(Perfect concrete)，但它也还不是理想混凝土(Ideal concrete)或理想的水泥基复合材料。
4、另一方面，由于采用新型外加剂和胶凝材料，已能生产出力学性能、耐久性和可浇筑性较高的混凝土，成为产生HPC的技术条件。面对这样的历史使命，在美国建筑界，从学术、研究人员到设计、施工单位迅速作出反应。关于HPC的国家级研究项目已于1992年建立。近年来，设计人员巳将研究成果用于工程设计；混凝土工厂开始与HPC打交道，并且意识到谁能理解并追随这股新潮，谁就将领导混凝土市场。当前，HPC主要用于高层建筑、桥梁和受严重侵蚀的结构。在连接英法海峡的海底隧道衬砌工程中，解决混凝土耐久性的问题主要决定于抗渗性能的提高。经过对混凝土组成材料的精心选择和对混凝土生产工艺的严格控制，使混凝土抗渗率减小为以往混凝土的
5、千分之一。对高层建筑中柱的主要要求是强度高、蠕变小，现在已能使混凝土强度达到96.5MPa以上准备开发的有密度小于1920kgm3、强度为62MPa的轻质混凝土，并要求混凝土在水饱和条件下具有抗冻融，在流水下有抗磨蚀的能力。2.HPC的定义对高性能混凝土的定义，不同的学者提出了不同的观点。综合国内外有关文献资料。HPC定义的内涵主要包括以下几方面： (1)高强度。多数学者认为高性能混凝土首先必须是高强的，甚至具体提出强度不应低于50MPa或60MPa。但也有学者认为，高性能混凝土未必需要界定一个过高的强度低限，而应该根据具体的工程要求，允许向中等强度的混凝土(3040MPa)适当延伸。(2)高
6、耐久性。具有优异的抗渗与抗介质侵蚀的能力。(3)高尺寸稳定性。具有高弹模、低收缩、低徐变和低温度应变。(4)高抗裂性。要求限制混凝土的水化热温升以降低热裂的危险。 (5)高工作性。许多学者认为高性能混凝土应该具有高的流动度，可泵，或者自流、免振。甚至有人具体提出坍落度不应小于某一数值(如120mm或180mm)，不离析不泌水，流动性保持能力好。但也有学者认为，流动度应根据具体的工程结构以及具体的施工机具与施工方法而定，而不能认为流动度小于某一数值的混凝土就不属于高性能混凝土。 (6)经济合理性。认为高性能混凝土除了确保所需要的性能之外，应考虑节约资源、能源与环境保护，使其朝着“绿色”的方向发展
7、。 综上所述，对HPC很难给出一个使大家都认可并满意的定义，而且也不应该设置一个大而全的框框，甚至设定具体的数值低限去限制高性能混凝土。高性能混凝土更应该成为一个努力的方向而不是教条。况且每一个特定的工程与其工作环境都存在对混凝土某些方面性能的特殊要求，而对另一些方面的性能要求则可能不需要太高，企望设计出一种任何方面都具有优异性能的混凝土是不切实际的。在此，作者推荐吴中伟教授提出的关于高性能混凝土的定义： 高性能混凝土是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，选用优质材料，在严格的质量管理的条件下制成的；除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与
8、高效外加剂；高性能混凝土重点保证下列诸性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济合理性。二、 高性能混凝土配制技术1设计思路HPC是基于混凝土结构耐久性设计的概念提出来的，它不同于传统的混凝土配合比设计思路，把混凝土结构的耐久性作为一个重要的技术指标，根据混凝土在不同阶段对其性能要求也有所不同的特点，设计配制出能满足各阶段性能要求的特殊混凝土。设计HPC的目的，在于通过对混凝土材料诸多性能的改善，提高混凝土结构的耐久性和可靠性。2实现水工混凝土高性能的技术途径中国的高性能混凝土与国际上的一样，一般水灰比在35以下，采用525#硅酸盐水泥或普通水泥，以矿物质超细粉取代部分水泥
9、，掺入高效减水剂，使坍落度适合施工要求。混凝土的强度一般为70MPa左右。HPC的技术途径归纳如图1所示。具体讲主要有以下几条：（1）必须优选优质原材料，如优质水泥与粉煤灰，超细矿渣与矿粉，与所选水泥具有良好适应性的优质高效减水剂，具有优异的力学性能且粒形级配良好的骨粒等。（2）配合比设计方面，应在满足设计要求的情况下，尽可能降低水泥用量并限制水泥浆体的体积，根据工程的具体情况掺用一种以上矿物掺合料，在满足流动度要求的前提下，通过优选高效减水剂的品种与剂量，尽可能降低混凝土的水胶比，一般在0。4以下。（3）正确选择施工方法，合理设计施工工艺并强化质量控制意识与措施，则是高性能混凝土由试验室配合
10、比转变为满足实际工程结构需求的重要保证。3高性能混凝土的原材料(1)水泥 不是所有的水泥都可以用来配制高性能混凝土，高性能混凝土使用的水泥必须是：标准稠度用水量要低，从而使混凝土在低WC时也能获得大流动性；水化放热量和放热速度要低，以避免因混凝土的内外温差大而造成混凝土产生裂纹；水泥的强度要高，以保证使用较少的水泥用量获得高强混凝土。中热硅酸盐水泥，球状水泥、调粒水泥等均可用来配制高性能混凝土 (2)矿物质掺合料 在完全水化的水泥石中，Ca(OH)约占25，Ca(OH)2属三方晶系，在显微镜下，Ca(OH)2 为六角形片状晶体，其层状构造为彼此联结的Ca(OH)2”八面体，结构层内为离于键，结
11、构层之间为结合微弱的分子键由于Ca(OH)：的可溶性，在硬化混凝土中Ca(OH) 2的分布是极不均匀的，从骨料与胶结料之间的界面看，界面过渡层的一定区域内，Ca(OH) 2富集及定向排列，与其它部分的水泥石相比，是一种多孔质的结构，强度很低，从而影响砂浆与粗骨料之间的帖结强度为了改善其界面结构，在混凝土中掺入超细矿物质掺合料，使其与界面上的Ca(OH)2进行二次反应生成难溶的水化硅酸钙凝胶沉积在界面的孔隙内，降低Ca(OH)2的富集及定向排列，因而可以提高界面强度，同时，还有利于提高混凝土的抗渗性常用的矿物质掺合料主要有：硅粉；磨细矿渣；优质粉煤灰；超细沸石粉等它们的主要活性成分都是活性SiO
12、，其主要反应过程为：xCa(0H) 2+SiO2+mH2O=xCaOSiO2nH20 (3)粗细骨料细骨料宜选用石英含量高、颗粒浑圆洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂，细度模数在2632之间。粗骨料的形状和表面特征对混凝土强度影响很大，在高强混凝土中，骨料的形状和表面特征影响更大。表面较粗糙的结构结果可能在骨料颗粒和水泥石之间形成较大粘着力。同样具有较大表面积的角状骨料也意味着将会得到较大的粘结强度。但是，针片状骨料将会影响混凝土的流动性和强度，因此其含量不宜大于5。由于混凝土内各个颗粒接触点的实际应力可能会远远超过所施加的名义压应力，所以要求骨料的强度大大高于混凝土的通常范围。一般而言，强度和弹
13、性模量高的骨料可以制得质量好的混凝土，但过强、过硬的骨料不但没有必要，相反，还可能在混凝土因温度和湿度的原因发生体积变化时，使水泥石受到较大的应力而开裂，所以从耐久性意义上说，强度中等的或适当低的骨料反而有利，试验证明，其压碎指标值宜在1015之间高性能混凝土粗骨料的最大粒径的选择与普通混凝土不同，普通混凝土粗骨料最大粒径的控制主要是由构件断面尺寸及钢筋间距决定，粒径的大小对其强度的影响不大但对高强混凝土来说，最大粒径的大小对混凝土强度的影响就较大，加大骨料尺寸会使混凝土强度下降，且强度等级愈高愈明显。主要原因是骨料尺寸愈大，粘结面积愈小，造成混凝土的不连续性的不利影响愈大，特别是水泥用量多的
14、高性能混凝土更为明显因此，高性能混凝土的粗骨料宜选用最大粒径大于15mm的碎石。另外，有试验证明，细化粗骨料粒径可有效地降低高强混凝土的脆性。(4)高性能减水剂 为了获得高强度，高性能混凝土的胶凝材料用量大，wC低，混凝土拌合物粘性大，要获得高工作性，就必须采用高性能减水剂。配制高性能混凝土的减水剂，在日本称之为高性能AE减水剂，其特点是既具有高的减水率(2030)，又有控制塌落度损失的性能，从而使混凝土能按指定性能进行设计和控制，目前，我国生产的普通高效减水剂都不同时具备高性能AE减水剂的性能，因此，通常将普通高效减水剂与缓凝剂复合起来使用，如将萘磺酸盐甲醛缩合物与多羟羧酸盐复合以后基本上就
15、可具备高性能AE减水剂的性能。4高性能混凝土配合比设计传统的普通混凝土以考虑强度为主，配合比设计相对简单，根据保罗米公式计算出水灰比，根据经验选择用水量、砂率，得出试拌配合比。而高性能混凝土需要考虑的因素多得多，除了强度以外，耐久性必须重点考虑，而不同工作环境的混凝土对耐久性的具体要求又大不相同，需分别考虑。此外，还需顾及到体积稳定性、工作性(不同的施工方法对工作性有明显不同的要求)及经济合理性等等。因此，要真正设计出一个符合高性能混凝土定义要求的配合比并不是一件轻而易举的事情。 国内外目前尚无一个关于高性能混凝土配合比设计的程式化的方法(目前也不可能有，因为对高性能的认识与理解尚存在差异)。
16、实践经验以及试验是高性能混凝土配合比设计的主要依据。在此，仅根据有关文献及作者的经验对配合比殳计原则、参数选择及范围作些简介。 (一)配合比设计原则 (1)正确选用原材料是配合比优化设计的前提，详见前述。 (2)满足设计强度情况下，水泥用量与胶凝材料浆体体积应尽可能低。 (3)必须选用减水效果及流动性保持能力好的高效减水剂，通常应根据需要采用复合型外加剂。 (4)应根据耐久性的不同要求，选用一种以上的掺合料，几种掺合料复合使用(如硅粉与粉煤灰、矿渣或其他掺合料共掺，粉煤灰与矿渣共掺等)通常能取得更好的效果。应尽可能多地使用掺合料以降低水泥用量，在诸种掺合料中，应考虑多掺粉煤灰与矿渣，少掺硅粉。 (5)采
