高性能混凝土讲课材料

高性能混凝土讲课材料第一页，共七十三页，编辑于2023年，星期六高性能混凝土

(HighPerformanceConcrete)1概述3HPC的性能要求及检测方法4提高混凝土耐久性的措施2混凝土结构的劣化形式5生产及检测设备要求第二页，共七十三页，编辑于2023年，星期六1概述一、HPC的相关概念二、HPC的结构特点三、国内外现状四、推广HPC的意义第三页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念1.背景混凝土结构的破坏，更多的不是因为强度不足；而是因为抵抗自然环境劣化条件的耐久性不足。(1)国外情况(2)国内情况第四页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念2.HPC概念的发展(1)美国1984年，法国发表第一篇关于HPC的论文；1990年5月，在美国马里兰州由NIST和ACI主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关于HPC的定义。高性能混凝土——具有所要求的性能和匀质性的混凝土。例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。第五页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念(1)美国(2)日本(3)欧洲(4)中国……2.HPC概念的发展第六页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念CECS207-2006高性能混凝土应用技术规程：采用常规材料和生产工艺，能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。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。高强混凝土就是高性能混凝土？高性能混凝土一定高强？2.HPC概念的发展第七页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念3.全寿命经济分析(LCCA)全寿命经济分析理念诞生于19世纪中期，但直到20世纪30年代才被公众所接受。20世纪60年代，美国经济学家和美国州立高速公路协会发布的红皮书将全寿命设计概念引入到交通工程中；1983年，美国公路研究基金立项推动道路和桥梁结构全寿命设计方法的研究；1996年，美国联邦公路局正式颁布了“道路和桥梁结构全寿命设计指南。美国：“它是一个程序和方法，用于评价可行计划项目的总经济价值。包括初始成本和经折现的进一步成本——整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理成本”。第八页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念3.全寿命经济分析(LCCA)全寿命周期成本(1)机构成本：规划与设计；施工及管理；检查；维护与维修；大修、更换、更新；残值交通阻塞延误；交通绕道；环境损害；其它……荷载导致的损害；碰撞损害；地震、洪水；其它……(2)使用者成本：(3)意外与风险成本第九页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念3.全寿命经济分析第十页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、HPC相关概念4.耐久性及耐久性设计CECS207∶2006高性能混凝土应用技术规程混凝土在所处工作环境下，长期抵抗劣化外力与劣化内因的作用，维持其应有性能的能力。耐久性设计：指设计中为抵抗环境因素的作用、提高设计寿命而增加的一系列技术要求。例如材料的耐久性要求，结构的耐久性构造，附件的可更换性及桥梁施工的质量要求。第十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、HPC的结构特点1.水泥石的孔结构类别名称直径对浆体性能影响粗孔球形大孔1000～15μm强度、渗透性毛细孔大毛细孔10～0.05μm强度、渗透性小毛细孔50～10nm强度、渗透性、高湿度下的收缩凝胶孔胶粒间孔微孔层间孔10～2.5nm2.5～0.5nm﹤0.5nm湿度50%以下时的收缩收缩、徐变收缩、徐变第十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、HPC的结构特点2.界面过渡区(1)过渡区的形成水灰比梯度CH取向生长水灰比高孔隙率大CH、Aft多，结晶颗粒大CH取向生长(2)过渡层的特点第十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、HPC的结构特点(1)孔隙率低，基本上不存在100nm以上的大孔；(2)水化物中CH减少，CSH和Aft增多；(3)未水化颗粒多，中心质效应增强；(4)界面过渡区得到优化。第十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、国内外现状ACI-201：1957成立，负责混凝土耐久性方面的研究，1992年编制了耐久性混凝土指南；RILEM：1960成立钢筋锈蚀技术委员会；1996提出基于破坏概率设计理论的混凝土结构耐久性设计概念；ASTM：每三年召开一次建筑材料耐久性研讨会；日本、挪威、印度等国的研究机构。1.国外情况第十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、国内外现状七五(1986-1990)：大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及使用年限；八五(1991-1995)：预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术、工业厂房混凝土结构耐久性研究、重大土木与水利工程安全性与耐久性基础研究九五(1996-2000)：重点工程混凝土安全性研究十五(2001-2005)：青藏铁路十一五(2006-2010)：客运专线/高速铁路相关标准：CCES01-2004混凝土结构耐久性及耐久性设计指南CECS207-2006高性能混凝土应用技术规程CECS220-2007混凝土结构耐久性评定标准GB50476-2008混凝土结构耐久性设计规范1.国外情况2.国内情况第十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、国内外现状3.当前的严峻形势建设速度；新材料、新工艺；大型工程建设；特殊环境开发利用1.国外情况2.国内情况第十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、推广HPC的意义普通砼工程的维修费用急剧增大，使用寿命受到影响；传统砼的强度及性能越来越难以满足要求，水泥用量增大使砼的体积稳定性变差，容易开裂；混凝土施工要求越来越高，要求和易性好、可泵性好；发展HPC是保护生态环境，保证可持续发展道路的需要。第十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期六2混凝土的劣化形式二、冻融破坏三、化学侵蚀四、碱骨料反应一、钢筋锈蚀五、磨蚀、风蚀、冲刷第十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期六2混凝土的劣化形式Metha：当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。(1991年第二届混凝土耐久性会议主题报告：混凝土耐久性-50年的进展)第二十页，共七十三页，编辑于2023年，星期六2混凝土的劣化形式Metha：当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。(1991年第二届混凝土耐久性会议主题报告：混凝土耐久性-50年的进展)本地的具体情况：温度低；温差大；风沙大；雨量少；撒盐除冰。钢筋锈蚀；冻融破坏及盐冻；风蚀。第二十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、钢筋锈蚀电化学腐蚀：Fe-2e=Fe2+H2O+O2+4e=4OH-发生条件阳极反应：脱钝阴极反应：H2O、O2离子和电子通路1.锈蚀机理第二十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、钢筋锈蚀1.锈蚀机理第二十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、钢筋锈蚀pH值；氯离子浓度；环境温湿度；混凝土饱水度、电阻抗；保护层渗透性2.影响因素1.锈蚀机理减少氯离子含量和侵入；保护层厚度及质量3.预防措施第二十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、冻融破坏(1)静水压假说(2)渗透压假说(3)盐冻1.破坏机理第二十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、冻融破坏(1)静水压假说(2)渗透压假说(3)盐冻初始饱水度提高：盐类的吸湿性和保水性渗透压、结晶压结冰速度和降温速度加快使静水压增大1.破坏机理第二十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、冻融破坏2.影响因素(1)气泡间距；(2)饱水程度；(3)骨料特性；(4)混凝土强度；(5)冻结温度、速度1.破坏机理3.预防措施适当引气第二十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、化学侵蚀(1)环境水(2)酸碱(3)硫酸盐(4)结晶侵蚀2.影响因素(1)侵蚀介质(2)渗透性能(3)水化产物Ca(OH)2溶出水泥石分解(稳定浓度1.3g/L)其它腐蚀性介质E盐腐蚀(Ettringite)>250mg/LG盐腐蚀(Gypsm)>1000mg/L碳硫硅钙石DEF1.侵蚀机理第二十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、碱骨料反应(1)ASR2.发生条件骨料具有碱活性可溶性碱(Na2O+0.658K2O)潮湿环境(2)ACR1.AAR机理3.预防措施非活性集料减少可溶性碱(Na2O+0.658K2O)减少与水接触引气第二十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期六3HPC的性能要求及检测方法二、混凝土的体积稳定性三、混凝土的力学性能四、混凝土的耐久性一、新拌混凝土的性能第三十页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、新拌混凝土的性能1.和易性(1)和易性的概念坍落度/扩展度坍流时间坍落度损失泌水率流动性粘聚性保水性(2)和易性的要求第三十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、新拌混凝土2.含气量(1)测定原理(2)测定方法(3)要求环境条件无抗冻要求有抗冻要求D1D2、D3D4含气量≥2.0≥4.0≥5.0≥5.5测定混凝土的含气量Ac；测定骨料含气量Ag；A=Ac-Ag第三十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、体积稳定性1.混凝土开裂的原因(1)外界荷载(2)次应力(3)膨胀(4)收缩恒载、活载、风雪、吊车、地震水化热、温度变化、地基变形f-CaO、AAR、化学腐蚀、冻融、DEF混凝土凝结硬化后，抵抗收缩开裂，保持原有体积稳定的性能。化学收缩干缩和自收缩温度收缩碳化收缩塑性收缩第三十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、体积稳定性2.抗裂性检测方法(1)收缩率(2)抗裂性第三十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、混凝土力学性能1.抗压强度试验龄期：56d养护要求：标准养护、同条件养护2.弹性模量第三十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、混凝土的耐久性1.电通量60V6h0.3MNaOH、3%NaCl养护(钻芯)→侧封→真空(5kPa3h)→注水浸泡1h→常压饱水18h读数：5min/10min/30min(1)原理及设备(2)试验步骤(3)电通量计算(4)结果处理积分（时间:s）；以直径95mm为基准有1个超差15％剔除，有2个超出取中间值。第三十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、混凝土的耐久性2.抗冻性(1)原理及设备(2)等级评定快速冻融机、动弹模测定仪、台秤(20kg、感量5g)抗冻等级：5%；60%相对耐久性系数Kn：第三十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、混凝土的耐久性3.碱骨料反应(1)技术要求TB/T3054-2002铁路混凝土工程预防碱—骨料反应技术条件首先用岩相法检测，碱碳酸盐反应活性骨料不能使用；对于碱硅反应的骨料：膨胀率0.1％膨胀率0.1％～0.2%膨胀率0.2％～0.3%可以使用限制碱含量附加预防措施(2)相关检测方法检测ASR的砂浆棒法检测抑制措施有效性的方法碱含量检测方法第三十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、混凝土的耐久性4.抗渗性(1)试件制作(2)试件密封(3)加压制度(4)等级评定圆台型（175×185×150）拆模后用钢丝刷刷去端面水泥浆膜；试验前1d取出试件晾干，刷毛密封；从0.1MPa开始，以后每隔8h增加水压0.1MPa；六个试件中有三个渗水即可停止试验。P＝H－0.16个试件中4个不渗水所能抵抗的最大水压第三十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、混凝土的耐久性5.抗腐蚀性(1)试验原理(3)试验步骤(4)结果与要求千斤顶压力机(15kN)、抗折机(0.8N/s)、球形拌和锅、三联试模(10×10×60)配料：100g；2.5；0.50；成型：8MPa5s；6组18个；养护：湿汽1d，温水养护(50±1℃)7d浸泡：20±3℃清水200ml20±3℃硫酸钠溶液(3％)，每天一次用1N硫酸中和破型：0.8N/s抗折强度取中间7个的平均值，精确到0.01；抗蚀系数精确到0.01，要求大于0.80(2)仪器设备在Na2SO4溶液中浸泡生成Aft降低抗折强度第四十页，共七十三页，编辑于2023年，星期六4提高耐久性的综合措施三、施工控制四、附加措施二、原材料一、设计第四十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、设计提高设计等级混凝土保护层防排水附加保护措施不是按强度，而主要是按耐久性进行设计；根据不同的环境条件和等级进行耐久性设计碳化环境：T1～3氯盐环境：L1～3化学侵蚀环境：H1～4冻融破坏环境：D1～4磨蚀环境：M1～3第四十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、设计使用环境调查：气候条件：大气历史温度和冻融循环交替的情况；地质条件：地下水位，土质及水质化学成份和含量、水文、河流冲刷情况等；大气环境：空气相对湿度情况，侵蚀性气体（二氧化硫、酸雨、二氧化碳）的成份含量。环境等级评价：环境等级的不同决定了不同的耐久性设计内容。根据环境状况类型的不同，预计会发生不同类型的侵蚀作用。对于特定的部位，可以确定可能发生的环境耐久性问题的类型及严重程度。第四十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期六一、设计耐久性材料选择：确定桥位环境等级后，可以有针对性的选择相应的桥梁结构材料。例如防冻混凝土、耐腐蚀混凝土、高性能混凝土、环氧涂层钢筋、耐候钢、涂层或涂料等。耐久性构造细节设计：合适的混凝土护层厚度；有效合理的伸缩缝、排水管道、通气孔等；可检性、可换性和可加固性。第四十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料1.水泥品种；细度；碱含量；C3A；f-CaO；氯离子项目技术要求细度≤350m2/kgf-CaO≤1.0%碱含量≤0.80%，0.60%（AAR或C40及以上）C3A含量非氯盐环境下≤8%，氯盐环境下≤10%，预制梁≤6%氯离子含量≤0.10%（钢筋混凝土）≤0.06%（预应力混凝土）第四十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料2.掺合料早期：一为节约水泥，获取经济效益；二为减小大体积混凝土温升，避免温度裂缝。今天：改善混凝土的微结构和许多重要性能，而且还具有节约能源、保护资源和减小环境污染等多重意义。

掺合料具有一定的活性，改善过渡区；体积和形态效应改善混凝土的和易性；密实效应改善混凝土的耐久性；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；延缓初期水化速率，形成较低水胶比、较大水灰比的有利环境；降低温升，减小早期开裂的风险。第四十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料2.掺合料技术要求-粉煤灰项目C50以下C50及以上细度≤25≤12需水量比≤105≤95烧失量≤8.0≤5.0氯离子≤0.02≤0.02SO3≤3.0≤3.0CaO≤10≤10f-CaO≤1.0≤1.0第四十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料2.掺合料技术要求-矿渣粉矿渣粉GB/T18736高性能混凝土密度≥2.80细度350~500流动度比

≥95烧失量3.0≤3.0MgO≤14.0≤14.0SO3≤4.0≤4.0氯离子≤0.02≤0.06含水量

≤1.0活性指数

7d≥75/28d≥95第四十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料3.外加剂宜掺用减水剂、缓凝剂、引气剂等或其复合制剂；不得采用氯盐类、硫酸盐类的早强剂及与其复配的早强减水剂，尽量避免使用防冻剂；必须注意外加剂的相容性问题。第四十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料3.外加剂项目

早强型标准型缓凝型减水率

含气量

1h坍落度保留值

//150常压泌水率比

202020压力泌水泵送909090

1d180170/抗压强度比3d170160/

7d145150140

28d130140130凝结时间差

90/12090/12090收缩率比

125125125甲醛

0.050.050.05硫酸钠

101010氯离子

0.60.60.6碱含量

101010减水剂缓凝剂引气剂第五十页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料4.细骨料

JGJ52高性能混凝土项目≥C60

≤C25＜C50≥C50梁颗粒级配

2.6~3.0含泥量2.03.05.02.52.0

泥块含量0.5120.50.5

云母2/12/12/10.50.5

轻物质1.01.01.00.50.5

有机物0.950.950.950.950.95

吸水率

22

坚固性8/108/108/1088

氯离子0.06/0.020.020.02

硫1.01.01.00.50.5

碱活性

0.100.10

第五十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料5.粗骨料

JGJ52

高性能

≥C60

≤C25＜C50

≥C50梁含泥量0.51.02.01.00.5

泥块含量0.20.50.70.20.2

抗压强度1.21.21.21.51.5压碎指标

同JGJ10针片状8152585

空隙率

4040

吸水率

2/12/1

坚固性8/128/128/128/5(预)8/5(预)

氯离子

0.020.02

硫1.01.11.20.50.5

碱活性

0.100.10

第五十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期六二、原材料5.施工用水水JGJ63-2006高性能混凝土预应力普通砼预应力普通砼pH4.54.56.56.5

不溶物2000500020002000

可溶物50001000020005000

氯化物100050005001000

200200氯盐环境硫酸盐200020006002000

碱含量//15001500

强度比

9090

凝时差

≤30≤30

第五十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、施工1.配合比设计要求2.混凝土生产3.运输与浇筑4.养护及温控5.质量控制措施第五十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、施工(1)水胶比和胶材用量、掺合料用量；(2)核算碱含量和氯离子含量；(3)坍落度、泌水率、含气量；(4)强度(56d)、抗裂性、耐久性(电通量等)1.配合比设计要求第五十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、施工(1)材料管理2.混凝土生产选料与进料；储存标志；防潮、防水设备要求；计量偏差要求；用水量修正；投料顺序和搅拌时间细骨料/粉料/外加剂（搅拌均匀）→加水搅拌→加入粗骨料搅拌(2)计量与搅拌第五十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、施工3.运输与浇筑浇筑混凝土的自由落高不得超过2m；混凝土浇筑过程中，要防止碰撞模板、钢筋、预埋件；混凝土振捣要防止漏振，也要避免过振不宜用翻斗车、手推车，宜用罐车运输；第五十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、施工4.养护及温控应避免混凝土失水引起早期裂缝；养护剂的使用；应注意温度应力产生的开裂问题。浇筑温度；养护期间应控制混凝土内部最高温度不超过60℃；应采取措施缩小混凝土的内部温差；防止混凝土表面温度发生剧烈变化。环境因素（曝晒、气温聚降）；洒水养护；拆模。第五十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期六三、施工(1)原材料5.质量控制措施(2)混凝土(3)结构实体进场检验-质量证明文件定期检验常规检验坍落度、含气量、泌水率、温度强度、弹模、电通量、抗渗抗冻性保护层厚度；裂缝宽度；气泡间距系数；温度检测；混凝土强度、电通量第五十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期六四、附加措施阻锈剂；环氧涂层钢筋；电化学保护；防护涂层第六十页，共七十三页，编辑于2023年，星期六生产及检测设备要求序号项目仪器设备名称规格数量备注1搅拌站搅拌机不小于1m3水泥筒仓2配1套计量设备粉煤灰筒仓1配1套计量设备矿渣