高性能混凝土幻灯

*1铁路客运专线高性能混凝土*2总目录一、混凝土发展历史及相关问题二、客运专线高性能混凝土相关技术标准三、客运专线高性能混凝土质量控制要求四、客运专线高性能混凝土的配制技术五、高性能混凝土施工控制及质量检验六、高性能混凝土尚存问题及改善途径七、其它*中铁一局郑西客运专线中心试验室3一.混凝土发展历史及相关问题：混凝土(定义---类别—水泥,沥青,聚合物,硫磺)5000年前，甘肃省秦安县大地湾地区（草筋墙.炕）2000年前，古罗马（地下水道.剧场、万神庙等）建筑发展：宋代明代安徽和州城墙、南京城墙、河堤、桥等1824年，英国工人烧制出“波特兰水泥”——硅酸盐水泥原型(石灰石.粘土混合锻烧~~生成硅酸二钙.硅酸三钙)上天、入地、下水近代误区：片面追求强度——力学性能返回主目录*4

1987年美国材料顾问委员会提交的一篇报告引起了轰动，统计表明：美国近期混凝土腐蚀损失每年2760亿美元（中国约2000亿人民币），约25.3万座桥梁的混凝土桥面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破坏，且每年还将新增3.5万座。

由于混凝土桥面板开裂普遍，因此转向使用高强混凝土，但是看来这无济于事。根据美国国家公路合作研究计划1995年检查的结果表明：10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔1~3米的贯穿性裂缝。1.近代误区—后遗症*5★据统计：在正常工作条件下，混凝土结构从建成到拆除重建的周期平均为40～50年。*6正常情况下，混凝土建筑40—50年毁坏非正常情况--------日本沿海港湾建筑、桥梁——10年开裂、剥落、钢筋锈蚀外露中国——安徽佛子岭水库(年亏1700万)北京西直门桥返回主目录*7石家庄百孔桥大桥—盐的腐蚀青藏公路桥梁墩柱冻融剥蚀*8*9一座桥何以只有二十年寿命？拆除前的西直门桥*10*11为什么混凝土结构不耐久？◆水泥质量—过细、水化过快（C3A）◆水泥用量—过多◆水灰比—过大◆混凝土早期强度—过高◆外加剂—过乱◆施工质量—较差*12古罗马万神殿：公元128年(哈德联)大帝时期建造的一座建筑物，它的圆形壁厚6.1m;穹顶的直径43.3m、高21.6m，使用了12000吨轻混凝土。*13万神殿内景

*14古罗马圆形剧场*15

当代也有历时100多年的波特兰水泥混凝土建筑物

●英国南安普墩海港工程●美国西雅图海滨海上水泥船●大连、厦门的混凝土炮台●沿海、沿江商埠大量保存的混凝土建筑物*16这些建筑物耐久的共同特点：●采用符合现代耐久要求的胶凝材料(培烧粘土.石灰.石膏.火山灰.糯米汁.羊桃藤汁等)●复合使用有机外加剂（动物油脂~牛油.桐油.乳液.动物血~牛.猪血等）●低水灰比●工作性好，易于施工●匀质性好●具有合理的孔结构和密实度●采用严格的施工工艺*17

20世纪80年代，美国国家材料委员会提出：要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、塑料等。(挪威)

1990年5月，在美国马里兰州由美国国家标准与技术研究院(NIST)和美国混凝土学会(ACI)主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义。(美国及日本学派)2.高性能混凝土的提出：*18国内2000年建设部委托中国土木工程学会与清华大学土木系就建筑物耐久性与使用年限的课题进行研究。2001年、2002年两次学术会议上并在会后广泛征求意见并多次修改，2003年6月对《混凝土结构耐久性设计与施工指南》进行审查和鉴定并获得通过。该《指南》作为中国土木工程学会技术标准。铁道部也同期进行研究，(2001年6月29日开工修建的青藏线---50年耐久性混凝土）并于2005年开始在铁路系统大面积推广高性能混凝土。*19高性能混凝土以耐久性为基本要求并用常规材料和常规工艺制造的水泥基混凝土。这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制作上通过严格的质量控制，使其达到良好的工作性、均匀性、密实性和体积稳定性。

2005年中国土木工程学会标准:混凝土结构耐久性设计与施工指南（CECS2004-01）*20混凝土高性能化的途径和方法a降低水胶比：可大量减少水泥石的孔隙。水泥完全水化时结合水量占水泥质量的0.227。水泥完全水化而无毛细孔时水胶比为0.379。水泥完全水化并具有最低毛细孔孔隙率时的水胶比为0.437。在无外加剂掺入的情况下，水灰比大于0.5时混凝土才具有可施工的流动性。 水胶比越大，水化越充分，凝胶量越大，硬化后收缩越大。方法：掺入高效减水剂

*21

方法：掺入矿物质掺合料:减少Ca(OH)2生成,并与其生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化硫铝酸钙(AFt)

普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的Ca(OH)2；

Ca(OH)2在界面上的结晶与定向排列，是混凝土强度与耐久性低下的主要原因。改善砼中骨料与水泥石之间的界面结构，是高性能砼必须解决的关键技术。b

改善砼中水泥石与粗骨料之间的界面结构*22c

改善混凝土中水泥石的孔结构

引入封闭孔（<200μm）。在相同的孔隙率下，封闭孔的渗透系数最低。（封闭孔可切断毛细孔的通路，提高抗渗性；同时对结冰水结晶压力起缓冲作用）方法：掺入优质引气剂(混凝土孔隙每增加1%,抗压强度下降4%~5%,抗折强度下降2%~3%)*233.影响混凝土性能的因素（1）水泥特性对混凝土影响含碱量、比表面积、C3S、C3A、SO3(如后)（2）骨料特性对混凝土影响（3）矿物掺和料对混凝土性能的影响（4）拌和物特性对混凝土耐久性的影响水泥用量、用水量、掺和料的细度、外加剂

（5）浇筑特性对混凝土耐久性影响材料温度及环境温度、工作性、表面水分、养护（6）环境对混凝土耐久性的影响*24

粉煤灰（FA）：发电厂煤粉燃烧后的未燃尽无机残渣。磨细矿渣粉（BFS）：主要成份为CaO、Al2O3和SiO2等。来自于铁矿石炼铁高炉。硅粉（SF）：硅和含硅合金时所产生的副产品。(一般掺5%~~10%,价高,国内用于C80及以上混凝土)偏高岭土粉（MK）：黏土经煅烧生成的无定形铝硅酸盐。天然沸石粉（NZ）：矿物掺合料的功能不同，起着不同的作用。重点讨论磨细矿渣粉和粉煤灰。(3.)矿物掺合料*25矿物掺合料一般具有如下作用：四个效应1填充效应：填充骨料的间隙及形成润滑膜；2强度效应：对水泥的分散作用，降低水胶比，改善水泥在低水胶比下的水化环境；3流化效应：形成较低水胶比、较大水灰比的有利环境；4耐久效应：延缓初期水化速率，降低温升，改善徐变能力，减小早期形成热裂缝的危险；消纳氢氧化钙，改善过渡区（火山灰反应），同时生成胶凝性产物；*26掺入高效活性矿物掺和料作用：a、*矿物掺合料的细微颗粒（其平均粒径小於水泥粒子的平均粒径）能填充水泥粒子间空隙，使水泥石更致密，并阻断可能形成的渗透通路。

b、*降低水化热和需水量减少了水泥用量，从而减少了需水量、混凝土犮热量及减少不稳定物Ca(OH)2生成量；（掺用30％粉煤灰的水泥比100％的硅酸盐水泥温度约降低7度；掺用75％矿碴時，温度约降12度而且峰值推迟；掺硅灰不降且峰值提前。)C、水泥石中水化物稳定性不足，水泥水化后主要化合物是硷度较高的高硷性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。在水化物中还有数量很大的游离石灰，强度极低，稳定性极差极易受侵蚀。要提高混凝土稳定性须减少或消除这些稳定性低的组分（主要Ca(OH)2），特别是游离石灰。*活性矿物掺和料（硅灰、矿碴、粉煤灰等）中含大量Sio2及活性AI2O3，它们能与上述物质及Ca(OH)2二次反应生成生成强度较高，稳定性较好的水化硅酸钙(C-S-H)和Aft(水化硫铝酸钙)；达到改善水化胶凝物质组成，消除游离石灰目的。又：掺和料除限制有害成分外，主要是检测活性和需水量(粉煤灰尚应限制含碳量)*27粉煤灰

粉煤灰的密度只有水泥的2/3（水泥密度一般为3.15，粉煤灰密度一般为2.3左右），因此采用大掺量粉煤灰混凝土，同时添加高效减水剂时，可以大幅度降低水胶比，获得普通混凝土条件下无法达到的使用效果。(掺粉煤灰的混凝土干燥收缩小、需水量小，但抗碳化性能较差，90d以后，对混凝土强度的贡献和水泥相近）相同水胶比，掺量不超过20%,对混凝土影响不大（超过20%时对过量SO3引起的膨胀有抑制作用），温升稍微降低；30％粉煤灰温升降低约７℃．掺量超过25%，粉煤灰对混凝土性能才会有比较明显的改善；应根据粉煤灰掺量和水胶比关系来确定混凝土配合比（掺量根据工程性质而定，大掺量粉煤灰水胶比应低于0.40）。*28*29扫描电镜下粉煤灰的形貌*30粉煤灰对混凝土性能的影响1.新拌混凝土

1）增加浆体含量、增大粘聚性、不易离析，改善可泵性，容易振实；

2）延缓拌合物凝结时间，减小坍落度损失；

3）减小泌水速率，凝结时间延长(尤其低温季节），需要及早覆盖养护；

4）降低水化热。*312.硬化混凝土

1）早期强度发展速率延缓（程度取决所用水泥），但也随温度升高加快；

2）早期应力松弛作用强，抗裂性能好；

3）后期微结构密实、强度增长幅度大，耐久性良好；

4）预防混凝土的耐久性病害发生，如碱—骨料反应。

5）提高混凝土抵抗环境因素劣化破坏的能力。抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透等。*32*33

目前，国内外绝大多数有关粉煤灰混凝土的研究，都是在相同胶凝材料用量前提下，变化水泥与粉煤灰掺量，而不调整混凝土水胶比；以等坍落度评价拌合物的工作度；以检测普通水泥混凝土的20℃养护试件进行比较研究，其结果必然是随着粉煤灰掺量增大、水泥用量减少，混凝土的强度发展速率和抗碳化等耐久性能指标下降。实际上，在骨料、粉煤灰的质量改善的前提下，变化拌合物的水胶比、适当调整混凝土拌合物的坍落度，完全可以配制出粉煤灰掺量大、强度发展满足工程要求，且其他性能优异的高性能混凝土。*34大掺量粉煤灰混凝土强度发展规律水泥150kg/m3;粉煤灰200kg/m3；水胶比0.29混凝土抗压强度：3天22MPa

（试件）7天34MPa28天52MPa90天70MPa365天100MPa*35杭州湾大桥C40承台海工HPC配合比

编号水泥+矿粉+粉煤灰砂石减水剂阻锈剂水胶比H013162+122+121=40578310394.868.10.33H014122+162+121=40577510274.868.10.33H015162+81+162=40578810324.868.10.33编号坍落度(mm)流动性粘度抗裂性抗压强度（MPa）84d氯离子扩散系数(×10－12m2/s)7d28dH013190较好稍大无裂纹43.961.70.77H014190较好较大无裂纹40.155.30.54H015200较好一般无裂纹42.457.40.71*36磨细高炉矿渣1）需要干燥后粉磨，使用成本较高；2）密度（密度为2.85～2.95g/m3）、需水量不大，与水泥接近，需水量随粉磨细度变化小，对强度有利，但自干燥收缩较大；过粗泌水;过细发粘;3）随细度增大，混凝土早期强度发展加快，适用于蒸养制品；4）开始水化后呈加速，比水泥快，掺量在70%以上，才能起明显降低温升效果（一般降低12℃左右）。

5)单掺最佳掺量为30～50%。一般比表面积不超过500m2/Kg。比表面积或者掺量过大，则混凝土粘稠。*37水泥颗粒微矿粉颗粒微矿粉颗粒*38水化硅酸钙凝胶氢氧化钙晶体

无微矿粉混凝土的水化产物*39掺加微矿粉混凝土的水化产物致密的水化硅酸钙凝胶*407.1减水剂

品种性能第一代减水剂第二代减水剂第三代减水剂木钙、木钠、木镁等萘系、密胺系、氨基磺酸系、脂肪系等聚羧酸系减水率一般掺量：5%~8%饱和掺量：12%左右一般掺量：15%~20%饱和掺量：30%左右一般掺量：25%~30%饱和掺量：大于45%对混凝土拌合物综合性能的影响超掺时，缓凝严重，引气量大，强度下降严重，单用时易引起混凝土质量事故掺萘系混凝土拌合物的坍落度损失大、易泌水掺密胺系混凝土拌合物坍落度损失大、粘度大混凝土拌合物流动性和流动性保持好，很少发生泌水、分层、缓凝等现象强度发展28d强度比一般在115%左右28d强度比一般在120%~135%左右28d强度比一般在140%以上对混凝土体积稳定性的影响对混凝土的体积稳定性影响不大萘系增加混凝土塑性收缩，一般也增加混凝土28d的收缩率。密胺系可降低混凝土28d