高性能与超高性能混凝土的发展与应用演示文稿

高性能与超高性能混凝土的发展与应用演示文稿第一页，共八十二页。

第七届HS/HPC国际会议上，认为超高性能混凝土是混凝土技术突破性进展，UHPC应用的强度高达250MPa，而且耐久性比HPC大幅度提高，说明混凝土材料和技术已进入了高科技时代。第二页，共八十二页。1、世界上最古老的混凝土

将含僵石的粘土煅烧，压碎之后得到胶凝材料，其中有石灰、烧粘土及粘土。把砂石胶结起来，或把僵石胶结起来，做成房屋的地面，经长期碳化，表面坚硬，像石材。这就是5000年前中国最古老的混凝土。5000年前的混凝土

我国甘肃大地湾发现的遗址中，有许多住宅群。这些住宅群地面是一种很坚硬的混凝土材料，颜色灰白。距今已有5000年的历史。第三页，共八十二页。2、古罗马的混凝土

古罗马利用火山灰、石灰为胶凝材料，将火山渣或砂石胶结起来，得到了古罗马时代的混凝土，他们利用这种混凝土建造了教堂、斗兽场等建筑物。比较著名的有古罗马的万神庙。距今2000年前古罗马colosseo（公元72~80年）复原图第四页，共八十二页。古罗马神殿第五页，共八十二页。3、英国人发明的现代混凝土1824年英国的阿斯普丁发明了波特兰水泥（Portlandcement）。因这种水泥凝结硬化后颜色与英国波特兰的石头颜色相同，故有此命名。波特兰水泥将砂、石粘结在一起，就得到了现代混凝土。1824年1835年修建的全混凝土房屋第六页，共八十二页。4、钢筋混凝土发明

1875年威廉·拉塞尔斯申请了钢筋混凝土专利，并用钢筋混凝土预制件建造了低层住宅。第七页，共八十二页。5、预应力钢筋混凝土的发明

1917年法国人欧仁、弗雷西内开发了预应力混凝土结构体系。到了19世纪90年代，混凝土已广泛应用于各种工程项目，如码头、桥梁、河岸护坡及建筑等。第八页，共八十二页。6、普通混凝土的组成根据社会发展，工程需要，除上述四种主要成分外，还有其它材料用于混凝土中，如化学外加剂、矿物掺合料、金属或聚合物纤维等。胶凝相水泥+水（胶凝相）砂、碎石或卵石水泥浆骨料岩石相混凝土水+水泥+砂+石第九页，共八十二页。7、硬化后混凝土结构构造水泥浆粗骨料气孔细骨料第十页，共八十二页。（胶凝材料相）硬化水泥浆（水泥石）（骨料相）骨料两者之间的粘结面（界面）可以把混凝土看成三相结构水泥石界面骨料

水泥石、骨料身的特性及两者之间的界面结构性能决定了混凝土硬化后的性能。第十一页，共八十二页。8、通过元素分析（EPMA）了解混凝土的结构和组成硬化混凝土抛光面的EPMAA—骨料；C—Ca(OH)2;h—C-H-S；m—硫铝酸钙水化物(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O);u—未水化水泥粒子第十二页，共八十二页。9、水泥浆—骨料界面微观结构水泥浆—骨料界面的微观结构模型图在接触层与骨料表面处几乎是垂直板状或层状的Ca(OH)2结晶。（以CH代表）定向结晶，在中间层则分布着CH及钙矾石的粗大结晶及少量的C-H-S，呈现出一种强度不好的状态。硅酸盐水泥混凝土中，大量的CH结晶在骨料的表面形成一个粗糙的结构。强度低、抗渗性及耐久性不好。第十三页，共八十二页。10、界面结构骨料与水泥浆之间的界面上：水膜层Ca(OH)2富集及结晶的定向排列对策：①抑制混凝土泌水②掺入超细粉（如硅粉），提高拌合物粘度，与Ca(OH)2反应，生成Ｃ－S－H相。第十四页，共八十二页。11、20世纪混凝土材料的重大突破超高性能混凝土（UHPC）。基本前提：新型高效减水剂的发明与应用德国：三聚氰胺高效减水剂日本：萘系高效减水剂美国：改性木质素磺酸盐聚羧酸高效减水剂的发展与应用，使混凝土从干硬性—半干硬性—塑性—流态化方向发展。第十五页，共八十二页。超细粉的回收、加工与应用挪威、瑞典、冰岛与丹麦对硅粉的开发应用。日本等国对超细矿渣的开发应用。美国等对偏高岭土超细粉应用。中国对天然沸石超细粉应用。使混凝土从高强—超高强—超高性能方面发展。金属纤维、有机纤维及无机纤维的发明与应用，使混凝土向ECC方向发展。第十六页，共八十二页。12、新型高性能水泥基材料的发明（1）MDF水泥基材料（macro-defectfree）（无宏观缺陷的水泥材料）

Birchall提出，1979年英国化学工业公司和牛津大学研究。随后，美国、日本、瑞典也开展了该项研究。第十七页，共八十二页。MDF(macro-defectfree)

（无宏观缺陷水泥）Birchall提出：高标号硅酸盐水泥或铝酸盐水泥（90～99％）水溶性树脂（4～7％）水灰比≤20％强制式高效剪切搅拌机热压成型工艺。能得到的MDF的性能：抗压300Mpa，抗弯150Mpa。弹模50Gpa例：原材料：硅酸盐水泥（水泥）水溶性聚乙烯醇（PVA）（有机物）丙三醇（外加剂）制备工艺：(水泥+PVC+外加剂）→制成混凝土→剪切搅拌→热压成型→养护→制品

日本大学教授笠井芳夫评价：无流动性，成型困难，耐水性差，收缩大。至今仍未实用。第十八页，共八十二页。（2）DSP水泥基材料（densifiedsystemcontaininghomogenouslyarrangedultra-fineparticles）（超细粒子密实填充的水泥材料）由Bache详细阐述（专利）。是在瑞典、挪威、冰岛等国家对硅粉开发与应用的基础上发展起来的。日本电气化学工业公司将该项技术引入日本。基本组成：水泥、硅粉、聚羧酸高效减水剂。第十九页，共八十二页。DSP模样图及性能第二十页，共八十二页。Bache强调密实填充重要性。DSP的重要特征就是密实填充→密实度最大填充，孔隙率最低。分散剂（聚羧酸系高效减水剂）的掺入，使相邻颗粒之间表面力的连接作用消除，粘性物质的应力场降低。20～25％SF代替相应的硅酸盐水泥，W/B=0.12～0.22,抗压强度≥500Mpa，弹模≥80Gpa，抗弯75Mpa。今后用高C2S水泥+硅粉+聚羧酸系高效减水剂效果更好。该项技术成为HPC、UHPC的基础。第二十一页，共八十二页。13、在DSP的基础上开发HPC、UHPC

混凝土材料DSPECC，（UHPC）（DSP+S+F）抗压强度＞200MPa（达到250MPa）HPC，UHPC（DSP+S+G）抗压强度＞150MPa（达到180MPa）第二十二页，共八十二页。14、HPC、UHPC应用实例高度超过400m（435m）的超高层建筑，大量使用了C70、C80、C90、C100的HPC和UHPC。第二十三页，共八十二页。明石大桥（海上最大跨度2km）第二十四页，共八十二页。明石大桥的结构构造图。海水中2个桥墩基础（2p、3p）（主塔基础）混凝土35~36万m3HPC第二十五页，共八十二页。超高层大跨度钢筋混凝土结构住宅

应用UHPC，抗压强度超过180MPa第二十六页，共八十二页。UHPC结构特点梁的跨度增大，柱子断面减小，可利用空间增大增多第二十七页，共八十二页。UHPC在大跨度过街桥梁（人行天桥）中应用

跨度＞30m，厚度由2.0m→1.2m第二十八页，共八十二页。15、ECC（Engineeredcementitionscomposites）（UHPC）DSP+S+F+高效减水剂→ECCECC及应用实例第二十九页，共八十二页。ECC及应用实例新材料、新技术、新结构工法、抗震、舒适的居住空间第三十页，共八十二页。ECC及应用实例ECC抗震结构构造；ECC人行天桥；ECC复合桁架第三十一页，共八十二页。ECC及应用实例

建造在德国及法国的ECC收费站及行人桥第三十二页，共八十二页。16、UHPC用的纤维纤维一般用于UHPC的纤维有碳纤维、钢纤维、有机纤维等。第三十三页，共八十二页。UHPC的特点之一是低水灰比，为了确保流动性，必须加入高效减水剂。因此：

1）适宜于水灰比低特性的水泥，细度及粒子组成：粒子形状系数NC:0.67(w/c:0.18~0.20)，BC:0.8~0.9→(w/c:0.14)，加水后早期水化性能（希望C3A↓，C2S↑，C3S↓

）17、UHPC用的水泥第三十四页，共八十二页。2）球状水泥：将水泥粒子加工成球状，而普通水泥粒子为碎石状。普通水泥球状水泥第三十五页，共八十二页。球状水泥和普通水泥混凝土相比：水泥种类坍落度(cm)含气量(%)W/C(%)砂率(%)单方混凝土用量（kg）水泥水砂粗骨料外加剂O.P.C1821214115432204945373104925171671571158827856609369781143P(0.75)A(1.5)M(6.0)M(23.0)SF(58)S.C1821214114927144945373104925171521338190281667395710171182P(0.75)A(1.5)M(6.0)M(23.0)SF(58)第三十六页，共八十二页。球状水泥与普通水泥混凝土强度的比较图17-1球状水泥与普通水泥混凝土强度的比较第三十七页，共八十二页。3)调整粒子（级配）水泥

将水泥组成中粒度分布进行调整，使胶凝材料填充率提高，并使水泥粒子的最大粒径增大，粒度分布向粗方向转移，同时掺合超细粉，以获得最密实的填充。材料相对密度比表面积（cm2/g）体积加权平均粒径（μm）细度模量硅酸盐水泥硅水生产时回收粗粉石灰石粉硅粉细骨料粗骨料3.173.172.712.262.582.6234006001800020000019.5790.746.042.736.63调粒水泥原料及物性表第三十八页，共八十二页。代号混合比例（%）填充率普通水泥粗粉重质碳酸钙硅粉A10000.5B70300.57C7020100.55D7020100.55E7020550.55调粒水泥粉体的配比、符号及填充率第三十九页，共八十二页。试验代号W/B(%)s/a(%)重量（kg/m3）化学外加剂（B×%）含气量（%）单位水量水泥粉体细骨料粗骨料高减水性外加剂含气量调节剂A2525.039.61656606189501.80.0082.0A3030.043.81555337369501.40.0062.1B2020.033.81658254829502.40.0152.4B2525.040.71606406479501.40.0072.5B3030.044.71555177629501.40.0062.2C17.517.530.21609144099503.50.0181.7C2020.036.31557765379502.40.0121.1C2525.042.61506007009501.80.0081.9C3030.046.31454838129501.50.0062.5D2020.030.61708504179503.20.0182.5D2525.038.71656605949502.30.0122.8D3030.043.21605337189502.00.0152.5E17.517.527.01659433489504.00.0281.9E2020.034.21608004909503.00.0181.5E2525.041.11556206589502.00.0142.7E3030.045.31505007819502.00.0142.9使用调粒水泥混凝土的配合比第四十页，共八十二页。试验代号W/B(%)混凝土物性砂浆的物性抗压强度坍落度(cm)坍落度流动值(cm)粘度(s)屈服值(Pa)3d7d28d91dA2525.026.06116.167.576.592.7105.3118.3A3030.026.56511.944.263.677.892.6103.0B2020.027.06324.691.177.293.7110.1117.2B2525.025.06810.827.864.880.694.7110.9B3030.026.56411.938.345.664.578.692.4C17.517.526.56054.0161.886.096.3108.3121.3C2020.0-7418.517.686.795.4109.8122.9C2525.028.07113.615.963.277.691.2100.0C3030.025.5598.943.555.069.784.297.2D2020.027.06438.1111.776.895.8124.5135.3D2525.027.56617.241.958.880.5107.9127.1D3030.027.06413.940.551.271.6101.0109.4E17.517.527.06259.7158.382.699.1125.0133.7E2020.0-7026.628.688.0102.9124.8143.1E2525.0-6816.527.465.984.5106.8117.1E3030.027.06613.124.753.670.996.6113.3使用调粒水泥混凝土的性能第四十一页，共八十二页。18、UHPC中的骨料

正确选择粗骨料的岩种、粒径、粒型及良好的级配是配制UHPC的重要环节。1）不同品种粗骨料与混凝土抗压强度第四十二页，共八十二页。2）粗细骨料品种与混凝土抗压强度第四十三页，共八十二页。3）岩石与水泥石粘结强度第四十四页，共八十二页。4）细骨料种类与砂浆抗压强度5）粗骨料表观密度与混凝土抗压强度第四十五页，共八十二页。6）吸水率与抗压强度7）体积含量与抗压强度第四十六页，共八十二页。8）骨料对耐久性能影响第四十七页，共八十二页。9）粒径大小的选择如以E=4.5×104MPa，γ=10×103erg/cm2,v=0.2,潜在缺陷尺寸（椭圆形孔半径a）可以看孔是骨料的D。D=10mm时断裂应力σ10；D=20mm时断裂应力σ20；σ20=0.7σ10，也即骨料粒径增大断裂应力降低，故Dmax≤10mm的断裂应力大于Dmax≤20mm的断裂应力。第四十八页，共八十二页。19、超细粉

利用超细粉与水泥之间的填充效应，使胶凝材料达到空隙率最低，得到最密实的水泥石结构。图19-1粒子组合与空隙率变化第四十九页，共八十二页。20、高效减水剂

当前高效减水剂主要有四大类：聚羧酸系，萘系，胺基磺酸盐系及三聚氰胺系，由于功能不同，发展如20-1.1）分类与发展图20-1各种高效减水剂的变迁第五十页，共八十二页。2）掺量与减水率图20-2各种减水剂的掺量和减水率第五十一页，共八十二页。3）保塑图20-3(1)聚羧酸高效减水剂的分子构造第五十二页，共八十二页。图20-3(2)吸附基(m)与分散基(n)之比(m/n)对吸附速度的影响图20-3(3)吸附基(m)与分散基(n)之比(m/n)对流动性经时影响第五十三页，共八十二页。4）载体硫化剂与保塑图20-4含与不含载体硫化剂混凝土坍落度经时变化第五十四页，共八十二页。UHPC组成材料M1M1QM2QB1B1QB2QB3Q水泥kg/m3900733832800630723580砂0/1mmkg/m310161008975440433425354玄武岩2/8kg/m3——————870867850711硅粉kg/m3225230135200197118177钢纤维2.5voL%kg/m3192192192192192192194石英粉Ⅰkg/m3————183207158181325石英粉Ⅱkg/m3————————————131超塑化剂kg/m328.228.228.629.424.725.630.4水9/m3185161161166151157141（W/C）W/B(0.23)0.18(0.24)0.19(0.22)0.19(0.23)0.18(0.27)0.20(0.24)0.21(0.28)0.21坍落度cm5555556555656521、UHPC配合比UHPC与ECC配比实例第五十五页，共八十二页。UHPC配合比胶结料：水泥+硅粉+矿渣超细粉等。高效减水剂用量为水泥质量百分数。不同强度等级不同龄期强度第五十六页，共八十二页。22、UHPC配制技术及特点22-1新拌混凝土（1）评价新拌混凝土两个指标剪切力：两不同流速平行流动液体，流层间产生的内摩擦力。结构粘度：粘性液体由于搅动作用粘性减退，停止搅动后粘性又增大；这种可变性粘度，称结构粘度。第五十七页，共八十二页。（2）UHPC的流动特性NC与HPC流动特性各种混凝土流动度性质范围第五十八页，共八十二页。（3）坍落度及倒坍落度筒流下时间塌落度损失以及倒坍落度筒流下时间倒坍落度筒流下时间反映混凝土在锥形管流动情况。高层超高层泵送希望倒筒时间10～12秒范围。倒筒时间太长（例如20秒以上），泵送困难。例如：倒筒时间（秒）初始1h后9～1220～25（超高泵送难）第五十九页，共八十二页。（4）解决方法单方用水量控制聚羧酸高效减水剂骨料品种、级配和用量粉体效应（包括水泥品种）第六十页，共八十二页。（5）单方用水量控制Marushima：单方用水量是评估新拌混凝土性能的一种方法。例如：W/B=0.18，Fc130Mpa的混凝土，聚羧酸系掺3.0％。水150Kg/m³，拌合2m³混凝土，搅拌机电负荷60Kw。坍落度流动值740mm，流动值500mm时，T8～10秒。水150Kg/m³↑搅拌负荷↓流动值500mm时,T↓水150→140Kg/m³，搅拌机负荷＞60Kw坍落度流动值500mm时T↑。而且坍落度损失快。第六十一页，共八十二页。（6）坍落度损失控制①通过吸附基单体m与分散基单体n之比控制流动度损失。控制聚羧酸高效减水剂中单体比值。第六十二页，共八十二页。第六十三页，共八十二页。通过掺入糖钠与减水剂载体控制流动度损失糖钠与载体控制坍落度损失编号倒筒时间（s）坍落度（mm）扩展度（mm）0h1h2h0h1h2h0h1h2h②787270265265730690675③767.5265255255700640590第六十四页，共八十二页。（7）粉体效应的利用（微填充效应的利用）不同品种矿物超细粉的细度、掺量与浆体流动性（石云兴等）1-磷渣；2-矿渣；3-沸-磷粉；4-沸-矿粉；5-沸-硅粉W/B=0.29,NF0.9％,水泥100％，浆体流动度240mm不同超细粉水泥浆流动度第六十五页，共八十二页。同品种不同细度的矿渣对UHPC流动性影响（徐文彬等）比表面积（㎡/Kg）SL(mm)KJD(mm)DT(s)400265670/63018.36800275660/6707.891000265630/6208.36W/B=0.20，C=500Kg/m³，BFS=212.5，GP=12.5，SF=25，W=150Kg/m³第六十六页，共八十二页。不同矿物质超细粉搭配提高UHPC流动性（冯乃谦）粉体组合SL(mm)KJD(mm)DT(s)C+BFS265650/63018C+BFS+SF275660/6709W/B=20%，W=150Kg/m³，C=500Kg/m³，①BFS+GP=250Kg/m³，②BFS+GP+SF=250Kg/m³（SF=25）第六十七页，共八十二页。22-2UHPC早期性能UHPC中W/B↓↓，对早期和后期性能影响均大。（1）第六十八页，共八十二页。（2）（3）由于W/B↓↓，水泥用量大，W/C↓↓，故造成自收缩。第六十九页，共八十二页。(4)自收缩开裂及不同W/C混凝土的自收缩裂缝长度（mm/mm2）第七十页，共八十二页。（5）UHPC施工中注意事项水泥用量大水化大易出现温度开裂。要控制入模温度和温度差。

W/C↓→混凝土泌水量↓→相应混凝土浇注面容易干燥而产生塑性变形开裂。浇注完后立即把浇注面用湿草席盖上进行养护。第七十一页，共八十二页。22-3硬化混凝土性能（1）强度压缩强度（N/mm2）使用各种骨料的混凝土强度每组左边为标养试件，右边为简易绝热养生第七十二页，共八十二页。硅粉置换率与抗压强度比第七十三页，共八十二页。不同骨料不同C/W强度不同W/C不同龄期强度不同养护条件不同龄期强度第七十四页，共八十二页。强度与水灰比（水胶比）的数学模型W/B与强度关系的线性模型R2fc（1d,MPa）=111.0-2191(w/cm)0.293fc(28dMPa)=165.1-257.2(w/cm)0.535fc(56d,MPa)=177.2-279.3(w/cm)0.512W/C与强度关系的线型数学模型R2fc(1d,MPa)=151.0-311.0(w/c)0.530fc(28d,MPa)=171.1-242.6(w/c)0.409fc(56d,MPa)=181.7-257.7(w/c)0.366W/B和W/C与强度关系的多重线性回归模型R2fc（1d,MPa）=156.2-65.27(w/cm)-269.5(w/c)0.546fc(28d,MPa)=185.6-191.0(w/cm)-119.1(w/c)0.598fc(56d,MPa)=194.8-216.7(w/cm)-107.7(w/c)0.550第七十五页，共八十二页。（2）HPC、UHPC与NC相对比所用材料对强度的影响很大；因UHPC强度往往大于骨料强度。在UHPC和HPC中，薄弱环节是骨料与砂浆界面。

W/B=20％，砂浆强度R1。粗骨料强度R2，粗骨料本身无缺陷。

R1>R2，粗骨料与砂浆界面无缺陷。在UHPC中骨料起增强作用。骨料的体积V≤400L/m³；Dmax=10～20mm•

UHPC抗压强度与抗拉强度、抗弯强度相比低于NC比值。（R拉/R压）UHPC<(R拉/R压）NC

（R弯/R压）UHPC<(R弯/R压）NC

脆性增大第七十六页，共八十二页。（3）耐久性硅粉置换率和CL-扩散深度经时变化第七十七页，共八十二页。各种矿物质超细粉置换率和水渗透深度关系第七十八页，共八十二页。