新型建筑材料課件 高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土

一.必要性1.土木工程發(fā)展的需要：(1)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展要求：①高層大樓和超高層大樓:

經(jīng)歷三十年改革開放的中國,伴隨經(jīng)濟(jì)實(shí)力的迅速提升,城市榮譽(yù)感也在迅速“膨脹”,高樓似乎也被賦予代言經(jīng)濟(jì)奇跡的“標(biāo)識功能”。在經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和城市榮譽(yù)的雙重作用下,中國用摩天大樓這種最外顯、最質(zhì)樸、同時也是最淺表的形式表明自己正在向著國際化大步邁進(jìn)。

“發(fā)展中國家希望通過超級摩天大樓,使得它們能夠在地圖上崛起。它們希望向發(fā)達(dá)國家顯示它們已經(jīng)趕上來了,它們現(xiàn)在也同樣擁有修建摩天大樓的財力和技術(shù)?！泵绹ゼ痈绺邩呛统鞘猩瞽h(huán)境委員會負(fù)責(zé)人安東尼·伍德不無刻薄地說。更多的專家開始質(zhì)疑這種對摩天大樓的競爭。他們用了一個專業(yè)術(shù)語:“高度癡迷癥”,浪漫,但透出著苦楚。在他們看來,高樓之爭也被概括成“陳舊的時尚”。在此評價之下,有關(guān)摩天大樓的種種弊病被集中起來進(jìn)行“暴曬”:巨大的投資、高額的運(yùn)營管理成本、高于普通建筑的危險系數(shù)、難于維系的生態(tài)與環(huán)保等。

成本——由于抗震、防火等需要,超高建筑一般全部使用鋼結(jié)構(gòu),建造成本往往是一般的磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)倍,再加上維護(hù)費(fèi)用,代價驚人。以金茂大廈為例,這座420米高的建筑,總投資50億,每平方米造價達(dá)2萬元,每天開門的維護(hù)費(fèi)用就高達(dá)100萬元人民幣。而據(jù)專家測算,300米以上的超高建筑,其象征意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在功能上的需求和經(jīng)濟(jì)效益的平衡

2008年11月29日清晨，總投資額預(yù)估高達(dá)148億元人民幣，主樓設(shè)計為127層,結(jié)構(gòu)高度為565.5米,總高為632米的上海中心大廈正式破土動工，有望于2013年竣工。建成后,它當(dāng)之無愧地成為未來的中國第一高樓。

②大跨和超大跨橋梁（高效預(yù)應(yīng)力）③交通建設(shè)與城市建設(shè):高等級公路、鐵路、城市輕軌、地鐵、高架橋及海港、碼頭等需要。（2）預(yù)拌（商品）混凝土和施工技術(shù)的進(jìn)步；（3）經(jīng)濟(jì)性（強(qiáng)度價格比）要求：采用高強(qiáng)混凝土可以減小截面尺寸、減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省材料用量和運(yùn)輸成本。同時調(diào)查表明，混凝土的強(qiáng)度價格比隨強(qiáng)度而提高，但超過C60后反而降低，經(jīng)濟(jì)效益陡降。（4）節(jié)能、環(huán)保要求金茂大廈立交橋鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋采用高性能混凝土建造的青藏鐵路混凝土橋墩香港青馬大橋日本明石跨海大橋各時期最高建筑的高度年份大廈名稱層數(shù)高度(m)備注1870紐約公正大廈7約251885芝加哥家庭保險大廈551902紐約大都會保險大廈871913紐約伍爾沃斯大廈2411930紐約克萊斯勒大廈773191931紐約帝國大廈1023811973紐約世界貿(mào)易中心1104179.11被毀1974芝加哥西爾斯大廈1094421997馬來西亞吉隆坡石油大廈884502003中國臺北金融大廈101508含天線,結(jié)構(gòu)頂高455m2007上海環(huán)球金融中心101492已建成2013上海中心大廈127632結(jié)構(gòu)高度為565.5m

2010韓國仁川大廈1516102006年開工2008阿聯(lián)酋比斯迪拜大廈1607002006年已開工日本空中城市----1000設(shè)想上海仿生大廈3001250設(shè)想日本X-SEED4000----4000設(shè)想今上海仿生大廈迪拜大廈

日本X-SEED4000大跨和超大跨大橋

國家

名稱

跨度/m

類型

日本明石海峽大橋1991(1號)

懸索橋

中國潤陽長江大橋1490

中國江陰長江大橋1385

中國香港青馬大橋1377

日本多多羅斜拉橋890斜拉橋

法國諾曼底橋856

中國南京長江二橋638

中國武漢長江三橋618

中國上海楊浦大橋602

中國江蘇蘇通大橋(2009年)1088克羅地亞KAK-II號橋390拱橋

中國萬州長江大橋420

中國巫山長江大橋4602.普通混凝土存在的主要缺點(diǎn):(1)脆性大,特別是隨著強(qiáng)度的提高,脆性隨之增大,表現(xiàn)為混凝土的拉壓比小(1/20～1/10)。這是由于混凝土在微觀結(jié)構(gòu)上為共價鍵所主導(dǎo),且難以從原材料和配比上給以明顯的改變。此乃混凝土的本質(zhì)缺陷。只有采取與金屬材料或有機(jī)材料復(fù)合的途徑,才能得以顯著的改善,所以才有了鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土的出現(xiàn)。(2)自重大、強(qiáng)度低或承載力低,由此導(dǎo)致建筑構(gòu)件斷面增大,建筑物自重升高,運(yùn)輸成本增多,材料與能源消耗大,最后導(dǎo)致建筑成本提高。這就是通常所說的肥梁、胖柱、深基礎(chǔ)弊端。

鋼材、木材、普通混凝土與超高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量比強(qiáng)度材料表現(xiàn)密度(千克/米3)抗壓強(qiáng)度(MPa)質(zhì)量比強(qiáng)度/MPam3

千克-1低碳鋼78604200.053木材(松)500350.070普通混凝土2400300.012超高強(qiáng)混凝土26001500.058輕骨料混凝土1400-190015-500.011-0.0263.解決問題的途徑:(1)減輕混凝土的自重;(2)混凝土高強(qiáng)化與超高強(qiáng)化二.定義沒有一個確切的定義,只是相對概念,世界各國的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。中國專家認(rèn)為:

高強(qiáng)混凝土(HSC)：抗壓強(qiáng)度=60～100MPa；超高強(qiáng)混凝土(SHSC)：抗壓強(qiáng)度=100～150MPa。根據(jù)近年的工程調(diào)查，我國超過C60的高強(qiáng)混凝土實(shí)際應(yīng)用并不多。21世紀(jì)以來，歷年累計的總用量還不足每年產(chǎn)量的1%。C100的超高強(qiáng)混凝土偶有工程應(yīng)用，但更是鳳毛麟角。

三.混凝土高強(qiáng)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益減少結(jié)構(gòu)斷面尺寸-節(jié)約材料、降低建筑自重、節(jié)約能源、降低成本;有效地利用高強(qiáng)度鋼筋;增加建筑的抗震能力;加快施工進(jìn)度,降低工程造價;滿足特種工程要求。120MPa各種型式柱的相對費(fèi)用普通混凝土、高強(qiáng)混凝土、超高強(qiáng)混凝土橋梁比較我國混凝土強(qiáng)度發(fā)展歷程年代強(qiáng)度等級20世紀(jì)50年代C2020世紀(jì)60年代C3020世紀(jì)70~80年代C6020世紀(jì)90年代C80本世紀(jì)C90、C100

沈陽遠(yuǎn)吉大廈30層,設(shè)計使用C100混凝土,實(shí)際達(dá)到C110。2003年,我國C40及以下混凝土用量為89.7%，C45以上混凝土為9.39%，強(qiáng)度超過C50的混凝土不足混凝土總量的5%，使用較多的還是C50以下的中低強(qiáng)度混凝土。四.關(guān)鍵技術(shù)硅酸鹽水泥+活性礦物摻和料+高效減水劑最為通用的技術(shù)路線水泥產(chǎn)生水化產(chǎn)物;高效減水劑降低水膠比,提高流動性,提高強(qiáng)度,提高耐久性;礦物摻和料改善膠凝物質(zhì)組成,增加其數(shù)量,進(jìn)一步提高混凝土流動性和強(qiáng)度,降低水化溫升,進(jìn)一步提高耐久性。磨細(xì)礦渣+堿組分(堿礦渣混凝土技術(shù))

強(qiáng)度可達(dá)160MPa，耐久性優(yōu)異水淬高爐礦渣基本上為CaO-Al2O3-SiO2

系統(tǒng)的玻璃體,由于CaO/SiO2

比低,水硬活性微弱。當(dāng)用石灰、石膏或硅酸鹽水泥激發(fā)時,能產(chǎn)生一定的強(qiáng)度,但不能制出高強(qiáng)和超高強(qiáng)混凝土。然而,當(dāng)用第一族元素(Li，Na，K)的化合物進(jìn)行激發(fā)時,礦渣的水硬活性極佳。由于堿金屬化合物能在水中水中迅速溶解,離解成大量具有強(qiáng)大離子力的OH-離子,在這些離子的離子力作用下,礦渣玻璃體很快解體,發(fā)生水化,產(chǎn)生大量的低堿性水化硅酸鈣和堿金屬水化鋁硅酸鹽膠凝物質(zhì),進(jìn)而形成水泥石硬化體。硅酸鹽水泥+高效減水劑+磨細(xì)石英砂+蒸壓處理——適宜于在制品工廠中生產(chǎn)超高強(qiáng)混凝土樁、電線桿、軌枕、橋梁及其他特種制品。砂雖為結(jié)晶態(tài)SiO2,但磨細(xì)后在高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下,可以較快溶解,并與水泥水化時產(chǎn)生的游離石灰和高堿性水化硅酸鈣反應(yīng),生成低堿性水化硅酸鈣,從而獲得高強(qiáng)度。這一路線的原理與第一條路線有相似之處,不同之處就是應(yīng)用磨細(xì)砂代替活性礦物摻和料,并用蒸壓養(yǎng)護(hù)取代常溫養(yǎng)護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是砂的資源豐富,價格便宜。優(yōu)質(zhì)石灰+高效減水劑+磨細(xì)石英砂+蒸壓處理——適宜于預(yù)制,不適用于現(xiàn)澆工程與第3條路線相似,只是用優(yōu)質(zhì)石灰替代硅酸鹽水泥,這對于節(jié)約水泥是有利的。五.原材料的選擇水泥品種與強(qiáng)度等級:42.5級、52.5級的P·Ⅰ(Ⅱ)、P·O;礦物成分:如早期強(qiáng)度要求高-使用C3S含量高的水泥;如對早期強(qiáng)度無特殊要求-應(yīng)使用C2S含量高的水泥;由于C3A、C4AF的早強(qiáng)和后強(qiáng)均較低，所以應(yīng)對C3A、C4AF含量嚴(yán)格控制。用量:一般在500千克/米3

左右,最多不超過550千克/米3

。國內(nèi)外大量試驗(yàn)表明:如果水泥用量過多,不僅使其產(chǎn)生大量的水化熱和較大的溫度應(yīng)力,而且還會使混凝土產(chǎn)生較大的收縮等質(zhì)量問題。工程成功經(jīng)驗(yàn)證明:如果高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級在(C50～C80)，則C=400～500千克/米3；如果混凝土的等級大于C80，則C=500～550千克/米3

。骨料:石子-要優(yōu)先選用抗壓強(qiáng)度高的碎石,最大粒徑一般應(yīng)控制在20～30毫米，采用連續(xù)級配。砂子級配要符合要求,細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2.4,最好控制在2.7～3.1范圍。外加劑－高效減水劑礦物摻和料六.配合比設(shè)計-參考原則必須滿足混凝土的強(qiáng)度及施工要求,混凝土的強(qiáng)度保證率不得小于95%。如無統(tǒng)計數(shù)據(jù),可按實(shí)際強(qiáng)度的平均值達(dá)到設(shè)計要求的1.15倍進(jìn)行配合比設(shè)計。對于50～70MPa的混凝土的水膠比宜小于0.35,對于80MPa的混凝土的水膠比宜小于0.30,對于100MPa的混凝土的水膠比宜小于0.26,對于大于100MPa的混凝土的水膠比宜小于0.22左右。必須選用高強(qiáng)度等級的優(yōu)質(zhì)水泥,每1m3

混凝土中的水泥用量應(yīng)在400～500千克范圍內(nèi)。對于80MPa的混凝土可達(dá)500千克/米3，大于80MPa的混凝土也不宜超過550千克/米3

范圍。應(yīng)選擇高強(qiáng)度、低吸水率的碎石,粗骨料的粒徑不宜過大。C60及以上的混凝土最大粒徑不宜超過15毫米，C60以下的混凝土最大粒徑可放寬到25毫米。為提高高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度,改善混凝土拌和料的工作性,必須摻加適宜品種和適量的高效減水劑。除泵送高強(qiáng)混凝土外,配制高強(qiáng)混凝土的砂率盡量要低,一般以控制在Sp=24%～28%為宜。若摻加粉煤灰等活性礦物摻和料時,不能等量取代水泥,要采用超量取代法計算高強(qiáng)混凝土的配合比。七.施工工藝與配制途徑施工工藝混凝土的攪拌工藝:混凝土攪拌是影響其施工工藝的主要影響因素?；炷翑嚢璧哪康?除了達(dá)到拌和物的均勻混合之外,還要達(dá)到強(qiáng)化、塑化的作用。但是,不同的投料程序與拌和方式,對混凝土的均勻性和工作性都有較大影響。采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)、二次投料工藝(先拌和水泥砂漿,再投入粗骨料)拌和干硬性混凝土,是配制高強(qiáng)混凝土重要工藝措施之一?；炷恋某尚凸に?采用振動加壓、高頻電磁振動、離心成型或真空吸水、聚合物浸等成型技術(shù)?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)工藝:應(yīng)加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù),可采用蒸壓養(yǎng)護(hù)、干-濕熱養(yǎng)護(hù)等養(yǎng)護(hù)工藝。配制途徑無坍落度高強(qiáng)混凝土——是一種水膠比較小的混凝土,主要用于現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土,如生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力空心樓板等,生產(chǎn)時便于施以強(qiáng)烈的振動。但同樣也可用于現(xiàn)場澆灌的混凝土,特別適合滑模工藝,如各種滑模鋪砌作業(yè),在這種施工中,混凝土在凝結(jié)以前必須保持其形狀而不致坍落。其配合比設(shè)計的習(xí)慣做法:將正常坍落度的混凝土所用的絕對體積法改成干硬混凝土法,通過減少用水量和增加粗骨料的用量來降低坍落度。低水膠比高強(qiáng)混凝土高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計工程實(shí)踐證明:具有適當(dāng)工作性混凝土的水膠比,一般為0.35,無坍落度高強(qiáng)混凝土大約為0.30,超高強(qiáng)混凝土的水膠比則小于0.30。技術(shù)途徑:1)摻加高效減水劑;2)用機(jī)械壓實(shí)振搗工作性差而又非常干硬的混凝土。

堿礦渣混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn):水泥石結(jié)構(gòu)致密,孔隙率低,且孔隙多為封閉的微孔;水泥石與骨料的粘結(jié)十分牢固;

組成特點(diǎn):除了CaO-SiO2-H2O系統(tǒng)的水化產(chǎn)物外,還有大量的R2O-CaO-SiO2-H2O系統(tǒng)的水化產(chǎn)物。性能特點(diǎn):集高強(qiáng)、高抗?jié)B、高抗凍、高耐久、快硬、低熱等優(yōu)越性能于一體,是使用硅酸鹽水泥混凝土難以達(dá)到的,被稱之為高級混凝土。技術(shù)關(guān)鍵:水玻璃模數(shù)及摻量的選擇、凝結(jié)時間的調(diào)整。配合比設(shè)計:1)需水量(W)2)確定水渣比(W/S)和礦渣用量(S);3)用堿量(A);4)骨料用量的確定(X-粗骨料,Y-細(xì)骨料)F礦粉高強(qiáng)混凝土以天然沸石為主要原料,摻入其它礦物質(zhì)材料磨細(xì)而成。

特點(diǎn):以5%～10%的F礦粉,置換相應(yīng)的水泥配制而成。當(dāng)水泥用量500千克/米3左右,水膠比為0.28～0.30，混凝土強(qiáng)度可達(dá)80MPa，比相應(yīng)的普通混凝土強(qiáng)度提高10%左右。F礦粉還可防治混凝土離析分層與泌水,可配制T=20厘米左右、強(qiáng)度為80MPa的高強(qiáng)高流態(tài)混凝土,同時還可抑制建-骨料反應(yīng)。F礦粉對混凝土的增強(qiáng)機(jī)理:1)能與Ca(OH)2

發(fā)生反應(yīng)而增強(qiáng);2)能改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)(細(xì)化)而增強(qiáng);3)能改善混凝土界面結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)。硅灰高強(qiáng)混凝土超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土八.性能特點(diǎn)力學(xué)性能由于膠凝材料用量較大，所以早期強(qiáng)度增長較快，但28天齡期以后的強(qiáng)度增長率通常低于普通混凝土（約為普通混凝土的75％～80％），且在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍存在著未水化的水泥顆粒（由于用水量少，進(jìn)一步水化所需的自由水含量較少）與普通混凝土相比，彈性模量略高，應(yīng)力～應(yīng)變曲線中的直線段更長些，在達(dá)到最大應(yīng)力時的應(yīng)變量稍有增大；由于高強(qiáng)混凝土中水泥石的強(qiáng)度較高，與骨料的應(yīng)力～應(yīng)變曲線差別較小，因此內(nèi)應(yīng)力分布比較均勻，微裂縫的形成與發(fā)展可相應(yīng)減少，因而混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分配的能力也減弱，使混凝土在極限荷載下變形量較小，并發(fā)生脆性突然破壞。隨著抗壓強(qiáng)度的增大，抗拉強(qiáng)度雖有所增長，但拉壓比低于普通混凝土。結(jié)構(gòu)中混凝土強(qiáng)度的提高對絕大多數(shù)受彎構(gòu)件（梁、板）效果并不明顯。高強(qiáng)混凝土伴隨的脆性不利于結(jié)構(gòu)抗震，還容易引起裂縫，是高強(qiáng)混凝土的致命缺點(diǎn)！

高強(qiáng)混凝土在長期荷載下的承載能力約為短期荷載下的80％～85％，略高于普通強(qiáng)度等級的混凝土。體積穩(wěn)定性初始收縮率較大：由于膠凝材料用量大，骨料在水泥漿相中呈懸浮狀態(tài)，所以較普通混凝土的初始收縮率大；自收縮：由于高效減水劑會引起水化收縮增大，同時由于高強(qiáng)混凝土水膠比低，硬化后水泥凝膠體中的凝膠孔和毛細(xì)孔處于干燥或未飽和狀態(tài)，將產(chǎn)生較大的毛細(xì)孔負(fù)壓力所致－這是高強(qiáng)混凝土存在的特殊問題，因此要特別注意早期養(yǎng)護(hù)。耐久性由于采用低水膠比，且摻有磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰等活性、超細(xì)礦物摻和料，因此高強(qiáng)混凝土內(nèi)部密實(shí)、毛細(xì)孔和氣孔數(shù)量減少，抗?jié)B性、抗凍性等性能明顯優(yōu)于普通混凝土。經(jīng)濟(jì)性（強(qiáng)度價格比（m3MPa/元）—每元錢可以購買到單位體積混凝土的強(qiáng)度）由于高強(qiáng)混凝土對于原材料、施工工藝、設(shè)備、技術(shù)的要求比較苛刻，導(dǎo)致成本大幅度增加。調(diào)查表明，混凝土的性能價格比隨強(qiáng)度而提高，但超過C60后反而降低，經(jīng)濟(jì)效益陡降。只有在高層建筑底柱、人防工程、鋼管混凝土等必要部位，采用C60以上的高強(qiáng)混凝土才有實(shí)際意義。專家認(rèn)為，根據(jù)我國國情，暫時不必追求超過C80更高的強(qiáng)度等級，重點(diǎn)應(yīng)放在普遍提高強(qiáng)度等級1-2級，使C30-C60級混凝土成為工程應(yīng)用的主流。例如：深圳京基金融中心A座主塔樓高441.8m，地下4層，地上98層，，建筑面積24萬平方米，位于深圳市羅湖區(qū)金融中心區(qū)。本工程混凝土強(qiáng)度設(shè)計情況如下表：

結(jié)構(gòu)部位混凝土強(qiáng)度等級

-18.7m至7.07mC80

7.07m至126.27mC70

126.27m至421.98m

C60

核心筒剪力