高性能混凝土幻燈

*1鐵路客運專線高性能混凝土*2總目錄一、混凝土發(fā)展歷史及相關問題二、客運專線高性能混凝土相關技術標準三、客運專線高性能混凝土質量控制要求四、客運專線高性能混凝土的配制技術五、高性能混凝土施工控制及質量檢驗六、高性能混凝土尚存問題及改善途徑七、其它*中鐵一局鄭西客運專線中心試驗室3一.混凝土發(fā)展歷史及相關問題：混凝土(定義---類別—水泥,瀝青,聚合物,硫磺)5000年前，甘肅省秦安縣大地灣地區(qū)（草筋墻.炕）2000年前，古羅馬（地下水道.劇場、萬神廟等）建筑發(fā)展：宋代明代安徽和州城墻、南京城墻、河堤、橋等1824年，英國工人燒制出“波特蘭水泥”——硅酸鹽水泥原型(石灰石.粘土混合鍛燒~~生成硅酸二鈣.硅酸三鈣)上天、入地、下水近代誤區(qū)：片面追求強度——力學性能返回主目錄*4

1987年美國材料顧問委員會提交的一篇報告引起了轟動，統(tǒng)計表明：美國近期混凝土腐蝕損失每年2760億美元（中國約2000億人民幣），約25.3萬座橋梁的混凝土橋面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破壞，且每年還將新增3.5萬座。

由于混凝土橋面板開裂普遍，因此轉向使用高強混凝土，但是看來這無濟于事。根據美國國家公路合作研究計劃1995年檢查的結果表明：10萬座混凝土橋面板是在混凝土澆筑后一個月內就出現間隔1~3米的貫穿性裂縫。1.近代誤區(qū)—后遺癥*5★據統(tǒng)計：在正常工作條件下，混凝土結構從建成到拆除重建的周期平均為40～50年。*6正常情況下，混凝土建筑40—50年毀壞非正常情況--------日本沿海港灣建筑、橋梁——10年開裂、剝落、鋼筋銹蝕外露中國——安徽佛子嶺水庫(年虧1700萬)北京西直門橋返回主目錄*7石家莊百孔橋大橋—鹽的腐蝕青藏公路橋梁墩柱凍融剝蝕*8*9一座橋何以只有二十年壽命？拆除前的西直門橋*10*11為什么混凝土結構不耐久？◆水泥質量—過細、水化過快（C3A）◆水泥用量—過多◆水灰比—過大◆混凝土早期強度—過高◆外加劑—過亂◆施工質量—較差*12古羅馬萬神殿：公元128年(哈德聯)大帝時期建造的一座建筑物，它的圓形壁厚6.1m;穹頂的直徑43.3m、高21.6m，使用了12000噸輕混凝土。*13萬神殿內景

*14古羅馬圓形劇場*15

當代也有歷時100多年的波特蘭水泥混凝土建筑物

●英國南安普墩海港工程●美國西雅圖海濱海上水泥船●大連、廈門的混凝土炮臺●沿海、沿江商埠大量保存的混凝土建筑物*16這些建筑物耐久的共同特點：●采用符合現代耐久要求的膠凝材料(培燒粘土.石灰.石膏.火山灰.糯米汁.羊桃藤汁等)●復合使用有機外加劑（動物油脂~牛油.桐油.乳液.動物血~牛.豬血等）●低水灰比●工作性好，易于施工●勻質性好●具有合理的孔結構和密實度●采用嚴格的施工工藝*17

20世紀80年代，美國國家材料委員會提出：要為新世紀的基礎設施建設開發(fā)高性能的建筑材料，包括鋼材、混凝土、塑料等。(挪威)

1990年5月，在美國馬里蘭州由美國國家標準與技術研究院(NIST)和美國混凝土學會(ACI)主辦了第一次關于HPC的國際研討會，會議首次提出關于高性能混凝土的定義。(美國及日本學派)2.高性能混凝土的提出：*18國內2000年建設部委托中國土木工程學會與清華大學土木系就建筑物耐久性與使用年限的課題進行研究。2001年、2002年兩次學術會議上并在會后廣泛征求意見并多次修改，2003年6月對《混凝土結構耐久性設計與施工指南》進行審查和鑒定并獲得通過。該《指南》作為中國土木工程學會技術標準。鐵道部也同期進行研究，(2001年6月29日開工修建的青藏線---50年耐久性混凝土）并于2005年開始在鐵路系統(tǒng)大面積推廣高性能混凝土。*19高性能混凝土以耐久性為基本要求并用常規(guī)材料和常規(guī)工藝制造的水泥基混凝土。這種混凝土在配比上的特點是摻加合格的礦物摻和料和高效減水劑，取用較低的水膠比和較少的水泥用量，并在制作上通過嚴格的質量控制，使其達到良好的工作性、均勻性、密實性和體積穩(wěn)定性。

2005年中國土木工程學會標準:混凝土結構耐久性設計與施工指南（CECS2004-01）*20混凝土高性能化的途徑和方法a降低水膠比：可大量減少水泥石的孔隙。水泥完全水化時結合水量占水泥質量的0.227。水泥完全水化而無毛細孔時水膠比為0.379。水泥完全水化并具有最低毛細孔孔隙率時的水膠比為0.437。在無外加劑摻入的情況下，水灰比大于0.5時混凝土才具有可施工的流動性。 水膠比越大，水化越充分，凝膠量越大，硬化后收縮越大。方法：摻入高效減水劑

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方法：摻入礦物質摻合料:減少Ca(OH)2生成,并與其生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硫鋁酸鈣(AFt)

普通混凝土粗骨料與水泥石之間的界面上積滯著大量的Ca(OH)2；

Ca(OH)2在界面上的結晶與定向排列，是混凝土強度與耐久性低下的主要原因。改善砼中骨料與水泥石之間的界面結構，是高性能砼必須解決的關鍵技術。b

改善砼中水泥石與粗骨料之間的界面結構*22c

改善混凝土中水泥石的孔結構

引入封閉孔（<200μm）。在相同的孔隙率下，封閉孔的滲透系數最低。（封閉孔可切斷毛細孔的通路，提高抗?jié)B性；同時對結冰水結晶壓力起緩沖作用）方法：摻入優(yōu)質引氣劑(混凝土孔隙每增加1%,抗壓強度下降4%~5%,抗折強度下降2%~3%)*233.影響混凝土性能的因素（1）水泥特性對混凝土影響含堿量、比表面積、C3S、C3A、SO3(如后)（2）骨料特性對混凝土影響（3）礦物摻和料對混凝土性能的影響（4）拌和物特性對混凝土耐久性的影響水泥用量、用水量、摻和料的細度、外加劑

（5）澆筑特性對混凝土耐久性影響材料溫度及環(huán)境溫度、工作性、表面水分、養(yǎng)護（6）環(huán)境對混凝土耐久性的影響*24

粉煤灰（FA）：發(fā)電廠煤粉燃燒后的未燃盡無機殘渣。磨細礦渣粉（BFS）：主要成份為CaO、Al2O3和SiO2等。來自于鐵礦石煉鐵高爐。硅粉（SF）：硅和含硅合金時所產生的副產品。(一般摻5%~~10%,價高,國內用于C80及以上混凝土)偏高嶺土粉（MK）：黏土經煅燒生成的無定形鋁硅酸鹽。天然沸石粉（NZ）：礦物摻合料的功能不同，起著不同的作用。重點討論磨細礦渣粉和粉煤灰。(3.)礦物摻合料*25礦物摻合料一般具有如下作用：四個效應1填充效應：填充骨料的間隙及形成潤滑膜；2強度效應：對水泥的分散作用，降低水膠比，改善水泥在低水膠比下的水化環(huán)境；3流化效應：形成較低水膠比、較大水灰比的有利環(huán)境；4耐久效應：延緩初期水化速率，降低溫升，改善徐變能力，減小早期形成熱裂縫的危險；消納氫氧化鈣，改善過渡區(qū)（火山灰反應），同時生成膠凝性產物；*26摻入高效活性礦物摻和料作用：a、*礦物摻合料的細微顆粒（其平均粒徑小於水泥粒子的平均粒徑）能填充水泥粒子間空隙，使水泥石更致密，并阻斷可能形成的滲透通路。

b、*降低水化熱和需水量減少了水泥用量，從而減少了需水量、混凝土犮熱量及減少不穩(wěn)定物Ca(OH)2生成量；（摻用30％粉煤灰的水泥比100％的硅酸鹽水泥溫度約降低7度；摻用75％礦碴時，溫度約降12度而且峰值推遲；摻硅灰不降且峰值提前。)C、水泥石中水化物穩(wěn)定性不足，水泥水化后主要化合物是鹼度較高的高鹼性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。在水化物中還有數量很大的游離石灰，強度極低，穩(wěn)定性極差極易受侵蝕。要提高混凝土穩(wěn)定性須減少或消除這些穩(wěn)定性低的組分（主要Ca(OH)2），特別是游離石灰。*活性礦物摻和料（硅灰、礦碴、粉煤灰等）中含大量Sio2及活性AI2O3，它們能與上述物質及Ca(OH)2二次反應生成生成強度較高，穩(wěn)定性較好的水化硅酸鈣(C-S-H)和Aft(水化硫鋁酸鈣)；達到改善水化膠凝物質組成，消除游離石灰目的。又：摻和料除限制有害成分外，主要是檢測活性和需水量(粉煤灰尚應限制含碳量)*27粉煤灰

粉煤灰的密度只有水泥的2/3（水泥密度一般為3.15，粉煤灰密度一般為2.3左右），因此采用大摻量粉煤灰混凝土，同時添加高效減水劑時，可以大幅度降低水膠比，獲得普通混凝土條件下無法達到的使用效果。(摻粉煤灰的混凝土干燥收縮小、需水量小，但抗碳化性能較差，90d以后，對混凝土強度的貢獻和水泥相近）相同水膠比，摻量不超過20%,對混凝土影響不大（超過20%時對過量SO3引起的膨脹有抑制作用），溫升稍微降低；30％粉煤灰溫升降低約７℃．摻量超過25%，粉煤灰對混凝土性能才會有比較明顯的改善；應根據粉煤灰摻量和水膠比關系來確定混凝土配合比（摻量根據工程性質而定，大摻量粉煤灰水膠比應低于0.40）。*28*29掃描電鏡下粉煤灰的形貌*30粉煤灰對混凝土性能的影響1.新拌混凝土

1）增加漿體含量、增大粘聚性、不易離析，改善可泵性，容易振實；

2）延緩拌合物凝結時間，減小坍落度損失；

3）減小泌水速率，凝結時間延長(尤其低溫季節(jié)），需要及早覆蓋養(yǎng)護；

4）降低水化熱。*312.硬化混凝土

1）早期強度發(fā)展速率延緩（程度取決所用水泥），但也隨溫度升高加快；

2）早期應力松弛作用強，抗裂性能好；

3）后期微結構密實、強度增長幅度大，耐久性良好；

4）預防混凝土的耐久性病害發(fā)生，如堿—骨料反應。

5）提高混凝土抵抗環(huán)境因素劣化破壞的能力?？沽蛩猁}侵蝕、抗氯離子滲透等。*32*33

目前，國內外絕大多數有關粉煤灰混凝土的研究，都是在相同膠凝材料用量前提下，變化水泥與粉煤灰摻量，而不調整混凝土水膠比；以等坍落度評價拌合物的工作度；以檢測普通水泥混凝土的20℃養(yǎng)護試件進行比較研究，其結果必然是隨著粉煤灰摻量增大、水泥用量減少，混凝土的強度發(fā)展速率和抗碳化等耐久性能指標下降。實際上，在骨料、粉煤灰的質量改善的前提下，變化拌合物的水膠比、適當調整混凝土拌合物的坍落度，完全可以配制出粉煤灰摻量大、強度發(fā)展?jié)M足工程要求，且其他性能優(yōu)異的高性能混凝土。*34大摻量粉煤灰混凝土強度發(fā)展規(guī)律水泥150kg/m3;粉煤灰200kg/m3；水膠比0.29混凝土抗壓強度：3天22MPa

（試件）7天34MPa28天52MPa90天70MPa365天100MPa*35杭州灣大橋C40承臺海工HPC配合比

編號水泥+礦粉+粉煤灰砂石減水劑阻銹劑水膠比H013162+122+121=40578310394.868.10.33H014122+162+121=40577510274.868.10.33H015162+81+162=40578810324.868.10.33編號坍落度(mm)流動性粘度抗裂性抗壓強度（MPa）84d氯離子擴散系數(×10－12m2/s)7d28dH013190較好稍大無裂紋43.961.70.77H014190較好較大無裂紋40.155.30.54H015200較好一般無裂紋42.457.40.71*36磨細高爐礦渣1）需要干燥后粉磨，使用成本較高；2）密度（密度為2.85～2.95g/m3）、需水量不大，與水泥接近，需水量隨粉磨細度變化小，對強度有利，但自干燥收縮較大；過粗泌水;過細發(fā)粘;3）隨細度增大，混凝土早期強度發(fā)展加快，適用于蒸養(yǎng)制品；4）開始水化后呈加速，比水泥快，摻量在70%以上，才能起明顯降低溫升效果（一般降低12℃左右）。

5)單摻最佳摻量為30～50%。一般比表面積不超過500m2/Kg。比表面積或者摻量過大，則混凝土粘稠。*37水泥顆粒微礦粉顆粒微礦粉顆粒*38水化硅酸鈣凝膠氫氧化鈣晶體

無微礦粉混凝土的水化產物*39摻加微礦粉混凝土的水化產物致密的水化硅酸鈣凝膠*407.1減水劑

品種性能第一代減水劑第二代減水劑第三代減水劑木鈣、木鈉、木鎂等萘系、密胺系、氨基磺酸系、脂肪系等聚羧酸系減水率一般摻量：5%~8%飽和摻量：12%左右一般摻量：15%~20%飽和摻量：30%左右一般摻量：25%~30%飽和摻量：大于45%對混凝土拌合物綜合性能的影響超摻時，緩凝嚴重，引氣量大，強度下降嚴重，單用時易引起混凝土質量事故摻萘系混凝土拌合物的坍落度損失大、易泌水摻密胺系混凝土拌合物坍落度損失大、粘度大混凝土拌合物流動性和流動性保持好，很少發(fā)生泌水、分層、緩凝等現象強度發(fā)展28d強度比一般在115%左右28d強度比一般在120%~135%左右28d強度比一般在140%以上對混凝土體積穩(wěn)定性的影響對混凝土的體積穩(wěn)定性影響不大萘系增加混凝土塑性收縮，一般也增加混凝土28d的收縮率。密胺系可降低混凝土28d