高性能混凝土技术

1、高性能混凝土技术 报告人：报告人： 赵庆新赵庆新 2013年2月26日 1. 1. 高性能混凝土定义高性能混凝土定义 2. 2. 冻融作用导致混凝土劣化机制冻融作用导致混凝土劣化机制3. 3. 氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透导致混凝土劣化机制4. 4. 硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制 5. 5. 碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制 6. 6. 碱碱- -骨料反应导致混凝土劣化机制骨料反应导致混凝土劣化机制7. 7. 混凝土高性能化的措施混凝土高性能化的措施8. 8. 高性能混凝土存在的问题高性能混凝土存在的问题1.1.高性能混凝土定义高性能混

2、凝土定义高性能混凝土（High performance concrete,简称HPC）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制作的混凝土。1990年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。但是到目前为止，各国对高性能混凝土提出的要求和涵义完全不同。1.11.1自密实混凝土自密实混凝土自密实混凝土的概念自密实混凝土(Self compacting concrete，简称 SCC)，也有人称为免振捣混凝土，指混凝土拌合物依靠自重，不需要振捣即可充满模型和包裹钢筋的混凝土。 日本学派认为，高性能混凝土是一种

3、具有高填充能力的的混凝土，在新拌阶段不需要振捣就能完成浇注；在水化、硬化的早期阶段很少产生由水化热或干缩等因素而形成的裂缝；在硬化后具有足够的强度和耐久性，即自密实混凝土。1.11.1自密实混凝土自密实混凝土自密实混凝土的自密实性能主要包括流动性、抗离析性和填充性，测试方法有坍落度与坍落扩展度试验、Orimet流速试验、V型漏斗试验（或T50试验）、J环试验、L型流动仪试验、U型试验、倒坍落度试验、牵引粘度计试验等。自密实混凝土的性能及测试方法1.11.1自密实混凝土自密实混凝土Orimet流速试验 L型流动仪试验U型试验 倒塌落度试验欧美学派认为：高性能混凝土是一种易于浇注、捣实、不离析，能

4、长期保持高强、韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长的混凝土，即高耐久性混凝土。1.21.2混凝土耐久性混凝土耐久性混凝土耐久性的概念混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。 1.21.2混凝土耐久性混凝土耐久性混凝土耐久性指标混凝土材料的耐久性指标一般包括： 抗冻性 抗渗性 抗侵蚀性 混凝土的碳化 碱-骨料反应冻融作用、氯离子渗透、硫酸盐腐蚀、碳化作用、碱-骨料反应等均会导致混凝土劣化，对耐久性造成不利影响。2.2.冻融作用导致混凝土劣化机制冻融作用导致混凝土劣化机制 冻融破坏是混凝土建筑物在自然条件下经受干湿、冷热

5、、冻融交替等作用造成的破坏，影响建筑物的使用，降低建筑物的寿命。在我国北方地区，由于混凝土建筑物冬季气温经常在0以下或正负温度交替，很容易使建筑物发生冻融破坏，冻融剥蚀导致结构的承载能力和耐久性下降，危及建筑物的安全运行。因此，冻融破坏是我国北方混凝土的主要破坏形式之一。 2.2.冻融作用导致混凝土劣化机制冻融作用导致混凝土劣化机制桥底面冻融破坏高速路路面盐冻破坏混凝土冻融破坏机制混凝土孔隙中的自由水是导致混凝土遭受冻害的主要原因： 膨胀压力 水结冰时体积增大9%，使毛细管壁受到拉应力，导致混凝土产生膨胀破坏。 渗透压力 混凝土内部变相产生的膨胀压力，使孔壁受到拉应力，造成材料体积膨胀。解冻后

6、，材料体积收缩，产生冻融劣化，硬化水泥石的组织结构发生破坏，经多次冻融后，损伤不断积累及扩大，发展成许多大的裂缝 。2.2.冻融作用导致混凝土劣化机制冻融作用导致混凝土劣化机制2.2.冻融作用导致混凝土劣化机制冻融作用导致混凝土劣化机制影响混凝土抗冻性的主要因素 含气量 在混凝土中加入一定量的引气剂，可使混凝土中形成一些细小的圆形封闭气孔，进一步提高混凝土的流动性，减少拌合物的离析和泌水，提高混凝土的均匀性，改善混凝土的耐久性（抗渗性、抗冻性），最佳含气量约为5%-6% 。 水灰比 水灰比直接影响混凝土的孔隙率及结构，同时间接影响混凝土抗冻性能。在同样良好成型条件下，水灰比不同，混凝土密实程度

7、、孔隙结构也不同，其抗冻性能也不同 。水灰比越小，抗冻性越好。2.2.冻融作用导致混凝土劣化机制冻融作用导致混凝土劣化机制抗冻试验方法 慢冻法 本方法适用于测定混凝土试件在气冻水融条件下，以经受的冻融循环次数来表示混凝土抗冻性能。 快冻法 本方法适用于测定混凝土试件在水冻水融条件下，以经受的快速冻融循环次数来表示混凝土抗冻性能。 单面冻融法（或称盐冻法） 本方法适用于测定混凝土试件在大气环境中且与盐接触的条件下，以能够经受的冻融循环次数或表面剥落质量或超声波相对弹性模量来表示混凝土抗冻性能。3.3.氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透导致混凝土劣化机制 我国海域辽阔，沿海地区集中了大规模的基

8、础设施，沿海地区混凝土结构耐久性失效的主要原因是混凝土中的钢筋锈蚀，而氯离子的侵蚀是引起钢筋锈蚀的直接原因。近年来由于氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀，从而导致混凝土结构耐久性失效的事故时有发生。国外事故情况国内事故情况3.3.氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透导致混凝土劣化机制 20世纪60年代建造的美国旧金山San Mateo-Hayward大桥在混凝土浇注养护时预制横梁产生了微裂缝，给氯离子的侵入提供了便捷通道，因此钢筋发生了严重锈蚀。 英国英格兰岛中部环行线上的混凝土高架桥，建成两年后受氯离子腐蚀出现混凝土顺筋裂缝现象，修补费高达4500万英镑，有报道称，英国为解决海洋环境下混凝土建筑的腐蚀

9、与防护问题，每年就花费近2000万英镑。 葡萄牙海洋环境下的船坞、码头、桥梁等由于氯离子侵蚀造成钢筋锈蚀、混凝土剥落，在服役较短时间即发生严重损伤。3.3.氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透导致混凝土劣化机制 1980年由交通部四航局科研所对华南地区18座码头的调查结果表明，80%以上都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的时间有的仅为510年。 2002年对浙江舟山159座码头进行了调查，潮汐区的混凝土构件处于最恶劣的氯离子侵蚀环境，已经工作二三十年的码头普遍存在严重的保护层开裂、混凝土剥落等问题，从而导致氯离子加速渗透，钢筋锈蚀。3.3.氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透

10、导致混凝土劣化机制 通常，混凝土暴露于氯盐环境中时，氯离子在混凝土内部的传输机制很复杂，主要包括：扩散、渗透、对流、毛细吸附等，对于不存在宏观裂缝的混凝土，扩散是氯离子侵蚀的主要方式；而混凝土中裂缝大大加快了氯离子的侵蚀速度，裂纹处(裂缝宽度120500m)氯离子浓度为相同浸泡龄期无裂纹处的23倍。氯离子渗透机制氯离子氯离子渗透渗透钢筋钢筋锈蚀锈蚀混凝土混凝土耐久性耐久性变差变差3.3.氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透影响因素 氯离子在混凝土中的传输过程受混凝土材料组成和周围环境等许多因素的影响，如水灰比、骨料级配、外加剂、养护条件、暴露时间、暴露环境、是否受

11、荷等。归根结底，取决于混凝土的密实性，密实性越好，抗渗透凝立越强。3.3.氯离子渗透导致混凝土劣化机制氯离子渗透导致混凝土劣化机制抗氯离子渗透试验方法 快速氯离子迁移系数法（或称RCM法） 本方法适用于以测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来确定混凝土抗氯离子渗透性能。 电通量法 本方法适用于测定以通过混凝土时间的电通量为指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能。本方法不适用于掺有亚硝酸盐和钢纤维等良导电材料的混凝土抗氯离子渗透试验。4.4.硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制硫酸盐腐蚀机理 环境中的硫酸根离子通过混凝土中的孔隙渗入到其内部，与混凝土的某些成分发生化学反应，产生

12、膨胀应力，当其超过混凝土的抗拉强度时，就会使混凝土强度下降，甚至开裂，导致混凝土性能逐渐退化，耐久性变差。4.4.硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制硫酸盐腐蚀的影响因素 硫酸盐腐蚀导致混凝土性能的退化过程主要受两方面因素影响，即自身材料组成、混凝土的工作条件和周围环境中侵蚀溶液。其中，环境因素对混凝土在硫酸盐中性能退化的影响是至关重要的。4.4.硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制硫酸盐腐蚀导致混凝土劣化机制抗硫酸盐腐蚀试验方法 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验主要有两种方法：现场试验方法和实验室加速试验方法。由于现场试验的试验周期较长，目前主要采用实验室加速试验方法来研究混凝土抗硫酸盐腐

13、蚀。实验室加速途径通常有以下5种：增加试件的反应面积增大侵蚀溶液的浓度采用干湿循环交替法提高侵蚀溶液温度增大试件的渗透性5.5.碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制混凝土碳化的概念 混凝土碳化是指混凝土本身含有大量的毛细孔,空气中二氧化碳与混凝土内部的游离氢氧化钠反应生成碳酸钙,造成混凝土中性化。 硅酸盐水泥水化后生成约20%的Ca(OH)2，由于其溶解度很低，除少量溶于孔隙液中，大部分以结晶状态存在，这时孔隙液中的PH值呈碱性。混凝土碳化就是水泥石中的水化产物Ca(OH)2与空气中的CO2发生化学反应后生成碳酸钙，使混凝土的碱度降低的过程。当PH值达到某一阈值时，这种中和反应

14、将不再进行。此时，混凝土已经被碳化了。 混凝土碳化机理5.5.碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制钢筋腐蚀原理 当碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，由于溶入孔隙液中少量的Ca(OH)2与CO2发生化学反应生成CaCO3和H2O，孔隙液中的PH值大大降低，这时钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，导致钢筋锈蚀。 混凝土混凝土中性化中性化混凝土混凝土碳化碳化钢筋钢筋锈蚀锈蚀混凝土混凝土耐久性耐久性变差变差5.5.碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制国家美术馆山东潍坊白浪河大桥5.5.碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制影响混凝土碳化的因素 水灰比对混凝

15、土碳化的影响 混凝土的碳化速度与它的结构及透气性关系密切。水灰比基本决定了混凝土的孔结构，水灰比越小，混凝土内部孔隙率越小，抗碳化性能就越好。 水泥品种对混凝土碳化的影响 矿渣水泥中有活性氧化硅和活性氧化铝，它们与氧化钙结合形成具有胶凝性的活性物，降低了混凝土的PH值，使得碳化速度加快。一般掺用优质减水剂或引气剂，可以大大改善混凝土的和易性，减小水灰比，制成密实的混凝土，减慢碳化速度。 5.5.碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制 环境对混凝土碳化的影响 环境对混凝土碳化速度有很大影响，主要受温度、湿度及CO2浓度的影响。一般当相对湿度为50%-75%时，即可以保证CO2向混凝

16、土内自由扩散，又能为反应提供足够的水分条件，该湿度条件下混凝土最容易碳化。 施工质量对混凝土碳化的影响 混凝土浇筑、振捣和养护不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实度。密实的混凝土表面孔隙率小，因此，抗碳化性能好。 影响混凝土碳化的因素5.5.碳化作用导致混凝土劣化机制碳化作用导致混凝土劣化机制影响混凝土碳化的因素 养护对混凝土碳化的影响 在潮湿养护条件下，养护期越长，则混凝土的强度越高，抗碳化能力好。龄期也影响混凝土的抗碳化能力，随着养护龄期的延长水泥颗粒的进一步水化，内部孔隙减少，水泥微观结构得到改善，密实度提高，强度增加，碳化速度下降，混凝土的抗碳化能力得到了改善。6.6.碱碱-

17、 -骨料反应导致混凝土劣化机制骨料反应导致混凝土劣化机制碱-骨料反应（Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR）是指混凝土中的碱（K+、Na+）或由外界环境渗入混凝土中的碱金属离子与骨料（砂、石）中的某些有害成分（碱活性矿物）发生化学反应，生成遇水具有膨胀性质的凝胶，使混凝土内部产生膨胀应力，造成混凝土开裂破坏。碱-骨料反应的概念6.6.碱碱- -骨料反应导致混凝土劣化机制骨料反应导致混凝土劣化机制碱-骨料反应的机理 碱-骨料反应发生必须具备三个条件：碱，活性集料和水。国际上已发现的碱-骨料反应按有害矿物种类的不同有三类 ： 碱-硅酸反应（Alkali-Silicate

18、Reaction，简称ASR） 碱-碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR） 碱-硅酸盐反应（Alkali-Silicate Reaction，简称L-ASR）其中碱-硅酸（ ASR ）反应最普遍 。 6.6.碱碱- -骨料反应导致混凝土劣化机制骨料反应导致混凝土劣化机制碱-骨料反应的机理 碱-硅酸反应（ASR）一般指混凝土中的碱（K+、Na+）与骨料中的活性SiO2发生化学反应，生成碱的硅酸盐凝胶，胶体吸水后膨胀，产生很大的膨胀压力，从而引起混凝土的开裂。 Na+（K+）+SiO2+OH Na（K）SH 碱-硅酸凝胶，其吸水后产生很大的体积膨胀，体积约增大

19、可达3倍以上，从而导致混凝土开裂。 6.6.碱碱- -骨料反应导致混凝土劣化机制骨料反应导致混凝土劣化机制碱-骨料反应的预防措施碱-骨料反应（AAR）必须具备三个条件： 混凝土中的碱达到一定含量 使用集料含有活性SiO2及SiO2类物质 混凝土所处环境水份足够。预防措施： 使用非活性集料 控制混凝土总碱量 1. 控制混凝土湿度 7.7.混凝土高性能化的措施混凝土高性能化的措施 混凝土高性能化主要体现在三个方面： 高流动性 高耐久性 均质性 为此，制备高性能混凝土的通用措施是：采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。7.17.1提高混凝土流动性的措施提高混凝土流

20、动性的措施 提高混凝土流动性的主要措施为在混凝土中加入超塑化剂。超塑化剂的概念 高效减水剂，国外一般称超塑化剂，能产生具有很好的和易性（高流动性、保水性、粘聚性）便于浇注的流态混凝土，但不降低水泥用量和强度的添加剂，在中国主要分为高效减水剂和高性能减水剂等。7.17.1提高混凝土流动性的措施提高混凝土流动性的措施第一代：普通减水剂（减水率第一代：普通减水剂（减水率8%)8%) 木质素磺酸盐木质素磺酸盐 糖蜜类糖蜜类第二代：高效减水剂（减水率第二代：高效减水剂（减水率12%) 萘磺酸盐甲醛缩合物（萘磺酸盐甲醛缩合物（19621962年服部健一博士）年服部健一博士） 多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物多环芳

21、烃磺酸盐甲醛缩合物 三聚氰胺（密胺）系减水剂（三聚氰胺（密胺）系减水剂（19641964年德国年德国SKW)SKW) 氨基磺酸盐减水剂氨基磺酸盐减水剂 脂肪族羟基磺酸盐减水剂脂肪族羟基磺酸盐减水剂( (丙酮类减水剂丙酮类减水剂) )第三代：高性能减水剂第三代：高性能减水剂 聚羧酸类接枝共聚物聚羧酸类接枝共聚物（19861986年日本触媒）年日本触媒）RM=Na or CaSO3MnR=H or CH3CH2NNNNHONH*CH2*HNCH2SO3Nan混凝土减水剂的发展历程7.17.1提高混凝土流动性的措施提高混凝土流动性的措施高性能减水剂的要求v大减水、高增强(混凝土强度持续增长)v优异的

22、坍落度保持性能v良好的和易性（不泌水、不离析）v气泡质量好（气泡间隔系数小,含气量损失小），且含气量可调v不增大混凝土收缩v对砼性能副作用小v材料组成和生产工艺对环境影响小v对水泥、工业废渣、集料和气温具有广泛的适应性7.17.1提高混凝土流动性的措施提高混凝土流动性的措施高性能减水剂的作用节能、环保节能、环保 我国可持续发展的要求我国可持续发展的要求延长建筑物使用寿命延长建筑物使用寿命节省水泥用量节省水泥用量综合利用工业废渣综合利用工业废渣具有最大的节能、环保效应提升混凝土流动性最经济有效的途径之一7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施 提高混凝土耐久性的主要措施为在混凝土

23、中加入优质矿物掺合料。矿物掺合料的概念 矿物掺合料是混凝土中除水泥、水、砂、石及化学外加剂外的第六组分，高性能混凝土大量使用了矿物掺合料作为辅助胶凝材料。这些矿物掺合料加入到混凝土后不仅可以替代水泥，改善新拌混凝土的工作性，而且可以提高硬化后混凝土的耐久性。优质矿物掺合料包括级粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等。7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施矿物掺合料在混凝土中的作用效应火山灰效应 形态效应 微集料效应 界面效应 矿物掺合料对混凝土微观结构与水胶比存在交互作用。7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施 一种材料与石灰或与水泥水化生成的Ca(OH)2 作用生成水化

24、硅酸钙和含铝水化物，这个反应称为火山灰反应。 由外观形貌、表面性质、颗粒级配等产生的效应。 掺和料中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充毛细孔，改善混凝土孔结构和增大密实度的效应。 掺 和 料 与 水 泥 水 化 产 生 的Ca(OH)2发生火山灰反应，使其含量降低，从而改善界面过渡区的结构，使浆体界面的粘接力增强。7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施矿物掺合料的设计理念低水胶比，大掺量高水胶比，小掺量 由矿物掺合料掺量与水胶比对混凝土的性能的耦合作用，可得出以下结论：7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施矿物掺合料在混凝土中产生的积极作用 节约水泥 增大混

25、凝土的后期强度 改善新拌混凝土的工作性 降低混凝土水化热 提高混凝土抗硫酸盐性能 提高混凝土抗渗性 抑制碱-骨料反应7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施粉煤灰粉煤灰是煤粉燃烧后，随烟气自锅炉中带出的粉状残留物，大部分粒度较细，与未燃烧的碳粒一起随废气排出，这部分尘粒经烟道收尘得到。粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO和未燃碳粒，它是一种硅质或硅铝质人工火山灰质材料。 图1 粉煤灰形貌 粉煤灰混凝土具有早期强度低、 抗冻性差、抗碳化能力差等缺点。7.27.2提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施矿渣粒化高炉矿渣简称矿渣，是炼钢时产生的一种工业废料在水淬时形

26、成的玻璃体，含有钙镁铝黄长石和少量的硅酸一钙或硅酸二钙等结晶组分，具有潜在水硬性。图2 矿渣形貌 矿渣具有潜在的水硬性，单独加水可以缓慢水化硬化，化学活性高，在盐类激发下，可提高活性；能提高抗化学侵蚀性，后期强度增长率高；化学收缩和自收缩较大； 比粉煤灰抗抗碳化性能较好。7.37.3提高混凝土均质性的措施提高混凝土均质性的措施 提高混凝土均质性的主要措施为在混凝土中加入保塑剂。在混凝土中加入保塑剂，新拌混凝土和易性好、粘聚性好、不离析、不泌水，很好地改善混凝土均质性；同时，混凝土抗渗、抗冻融、抗碳化等耐久性指标大大提高。总结：7.7.混凝土高性能化的措施混凝土高性能化的措施3170kg mW

27、水3=+400530kg m胶凝材料 水泥 矿物掺合料，约为0.37W B水胶比 =30%50%SFB粉胶比（矿胶比）=0.380.45sp砂率max25mmD集料最大粒径x=2.83.0M砂子细度模数，属于中偏粗砂减水剂选用萘系减水剂或聚羧酸减水剂8.8.高性能混凝土存在的问题高性能混凝土存在的问题水泥中掺合料偏多 矿物掺合料价格相对水泥较低，为了降低水泥的生产成本，商品水泥中掺合料掺量日趋最大化。掺合料能改善混凝土的内部结构，在一定程度上可提高混凝土的密实性、流动性，但掺合料等量取代水泥量越多，胶凝材料中总的CaO含量越少，吸收二氧化碳的能力越差，对混凝土的抗碳化性能影响越大。8.8.高性能混凝土存在的问题高性能混凝土存在的问题商品混凝土只考虑强度，再加掺合料 矿物掺合料作为高性能混凝土必不可少的组分之一，已广泛应用于整个商品混凝土行业，其掺量呈不断增加趋势。在矿物掺合料中粉煤灰及矿渣的价格相对较低，因而在商品混凝土中被广泛应用。随着商品混凝土的不断发展及广泛应用，也出现了一些工程问题，如早期强度低、易发生离析、易产生收缩裂缝等现象，尤其是商品混凝土的抗碳化能力差，极大地影响了建筑结构的耐久性。 8.8.高性能混凝土存在的问题高性能混凝土存在的问题 实际工程中，施工单位为赶工期，商品混凝土的养护时间不足，