高性能混凝土的配制与应用.docx
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高性能混凝土的配制与应用
高性能混凝土的配制与应用
目录
一、高性能混凝土的基本概念……………………………………………………1
(一)出现背景………………………………………………………………1
(二)定义……………………………………………………………………1
(三)特点……………………………………………………………………1
(四)应用……………………………………………………………………2
二、高性能混凝土的配制…………………………………………………………5
(一)技术要求………………………………………………………………5
(二)技术路线………………………………………………………………5
三、优选原材料……………………………………………………………………6
(一)水泥……………………………………………………………………6
(二)砂子……………………………………………………………………6
(三)石子……………………………………………………………………6
(四)外加剂…………………………………………………………………6
(五)矿物细掺料(掺合料)…………………………………………………7
四、优选混凝土配合比…………………………………………………………11
(一)配合比设计的基本原理………………………………………………11
(二)配合比设计方法……………………………………………………12
(三)配制的三大技术关键………………………………………………13
五、精心施工………………………………………………………………………14
六、技术性能及其检测……………………………………………………………14
(一)工作性………………………………………………………………14
(二)强度…………………………………………………………………18
(三)耐久性………………………………………………………………19
七、发展前景………………………………………………………………………23
青藏线高性能砼的技术要求…………………………………………………25
主要参考文献……………………………………………………………………27
一、高性能混凝土的基本概念
(一)出现背景
当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高要求;
处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重恶果;
原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。
这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能,多使用天然材料及工业废渣保护环境,走可持续发展的道路,高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。
现在全球砼消费量88亿吨/年,约1.5吨/人,其中我国24亿吨/年,房建3.5亿,三峡1600万M3今后若干年仍是热销的大宗材料。
(二)定义
高性能混凝土(HighPerformanceConcrete简写为HPC)一词是20世纪90年代前后提出的,目前尚未统一认识,各国学者各有不同的看法,主要的有:
美、加学派认为:
高性能混凝土是一种符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土,所谓特殊性能组合是指易于浇筑而不离析的工作性,好的长期力学性能、早强、韧性、体积稳定性以及严酷环境下的高耐久性等性能的组合;
欧洲学派认为:
高性能混凝土是一种水胶比小于0.4的新型混凝土;
日本学派认为:
高性能混凝土是一种高流态、自密实、免振的混凝土;
我国学者认为:
高性能混凝土是一种以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土,是一种环保型、集约型的绿色混凝土。
从上可知,欧洲学派强调的是低水胶比条件下高强,高耐久性的特点,而日本学派强调的是良好的工作性能,我国学者则从发展的角度强调可持续发展与工业化生产,各有所侧重而美、加学派阐述的比较全面,总之,高性能混凝土是具有高强度、高耐久、高流动性等多方面优越性能的新型混凝土。
随着高性能混凝土的不断发展和完善,各国学派的观点也会逐步统一起来。
(三)特点
从目前实际应用的高性能混凝土的情况来分析,归纳起来和传统的普通混凝土(简称OPC)相比有以下几个特点:
1.原材料上,除了常规的水泥、水、砂、石四种材料外,必需使用化学外加剂和矿物细掺料,一共是六种必不可少的材料,而且后两种可以是一种也可以是多种复合,这在选材上就要求与水泥具有良好的相容性,多种的外加剂之间(或细掺料之间)要求合理匹配,使具有黄金搭配,叠加效应的效果,增加了选材的复杂性;
2.配比上,为了适应高耐久、高强的要求,使用的是低用水量(<180kg/m3),低水胶比(一般为0.28~0.40),控制胶结材总量≯550kg/m3;
3.性能上,具有高耐久性(抗渗、抗冻、抗蚀、抗碳化、抗碱骨料反应,耐磨等);良好的施工性(大流动,可灌性、可泵性、均匀性等);良好的力学性能,早强后强均高;良好的尺寸稳定性;合理的适用性与经济性等。
总之,具有良好的综合技术性能,能满足各种工程结构的使用要求。
(四)应用
高性能混凝土适用于大跨度桥梁、高层建筑、海洋平台、宇宙航天、核能工程,军事防护,抗害防灾以及载重大处于恶劣环境下的特殊结构,世界各国都相继用于不同的工程结构中,最有代表性的见表1~表4。
表1世界超高层混凝土建筑
名称地点高度(m)强度fcm或等级(MPa)完成年代
双塔大厦吉隆坡城4521001996
中央广场香港374-1992
中天大厦广州322C60
311号塔楼芝加哥292841989
赛格广场深圳292C60
桃树中心亚特兰大263831991
水塔广场大厦芝加哥262C701976
麦色顿大厦法兰克福253-1990
帝国大厦纽约248-1988
Rialto中心墨尔本243-1987
中银大厦青岛238C60
中华广场广州236C70
联合广场西雅图2201151989
世界贸易中心重庆210C60
银行大厦德国186851993
日本中心法兰克福1151051994
表2计划建造的摩天大楼
名称地点高度(m)
伦敦千年中心伦敦376
上海金融中心上海460
纽约存款交易中心纽约546
孟买电视中心孟买560
东京千年大厦东京840
直布罗陀海峡大桥塔门西班牙-摩洛哥1350
表3国内高层建筑
建筑名称层数高度(m)用途强度等级年代
北京新世纪饭店31110RC柱C601998
北京四川大厦32100RC柱C60
青岛中银大厦53238RC柱C60
广州中天大厦80322RC柱C60
海口财政金融中心200钢骨混凝土柱C60
深圳鸿昌广场大厦59218RC柱C6092~94
上海金茂大厦88382钢柱加混凝土C6095~97
辽宁物产大厦27102RC柱、墙C8095
海口868公寓68260RC柱C60
山东齐鲁宾馆44153RC柱C6093~95
济南电力大楼44156RC柱C60
北京航华科贸中心主楼34142.5RC柱C60
深圳彭年广场52186RC柱C60
新疆中亚发展中心27128RC柱C60
西安兴庆二区大厦32108RC柱C60
上海东方实业大厦150RC柱C60
长春英海大厦35132RC柱C6095
南京邮政中心124RC柱C60
长沙国际留易金融中心50171RC柱C60
天津今晚报大厦38137钢管混凝土柱C60
深圳赛格广场72292钢管混凝土柱C60
重庆世界贸易中心55210钢管混凝土柱C60
昆明邦克大厦36126钢管混凝土柱C60
福州环球广场36122钢管混凝土柱C60
广州南航大厦61204钢管混凝土柱C60
广东邮电通讯枢纽综合楼68248钢管混凝土柱C60
广州中华广场65236钢管混凝土柱C70
广州合银广场56213钢管混凝土柱C801998
广州新中国大厦51202钢管混凝土柱C80
沈阳富林大厦32钢管混凝土柱C902001
表4国内铁路工程
建筑名称强度等级年代备注
斜拉桥C50199
东明黄河大桥C601984
京广复线江村南桥C801986
洛阳黄河大桥C60199150m跨度
秦沈高速铁路预
应力24m、32m梁C501999采用粉煤灰与NSF减水剂双掺技术
青藏线24m、32m梁C502001采用粉煤灰与NSF减水剂双掺技术
预应力轨枕C602003
以上说明我国应用高性能混凝土的数量日益增多,技术水平日益提高,可以设想今后我国高性能混凝土的研究与应用会有一个更大的发展。
二、高性能混凝土的配制
(一)技术要求
配制普通混凝土的技术指标是和易性、强度、耐久性与经济四项基本要求,大家已熟悉,但对配制高性能混凝土除了上述四项基本要求外还要加上坍落度的经时损失,可泵性指标以及抗裂性指标等。
(二)技术路线
上述配制要求主要是通过优选原材料、优选配合比与精心施工三条途径来达到。
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三、优选原材料
根据中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会主编的“高强混凝土结构设计与施工指南”(以下简称高强指南)(HSCC-99)第二版中的有关规定,简介如下:
(一)水泥
宜用525#以上硅酸盐水泥或普硅水泥,选用时水泥的流变性比强度更重要,与减水剂相容性要好,因此C3A与含碱量要低,不宜用立窑水泥、早强水泥或其他掺混合材水泥;
(二)砂子
宜用地质坚硬、级配良好的河砂或人工砂,细度模数Mx≮2.6,含泥量≯1.5%(强度>C70级的混凝土≯1.0%且不容许有泥块存在);
(三)石子
宜用质地坚硬,级配良好的石灰岩,花岗岩,辉绿岩等碎石或碎卵石,母岩的立方抗压强度fg>1.2fou以上,针、片状≯5%,不得混入软弱颗粒,一般最大粒径Dmax≯25mm,配制C80~C100级时,Dmax≯20mm,对超过C100级以上时,Dmax≯12mm,因为粒径小时,界面周长小,厚度也小,难以形成大缺陷,不仅有利于界面强度,也有利于抗渗性。
含泥量≯1%,(配制C80级以上时,≯0.5%),吸水率<1%,石子的粒型、表面性质,石粉含量也很重要,应严格控制。
(四)外加剂
常用的有高效减水剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂等。
1.高效减水剂
宜选用减水率高(>20%),与水泥相容性好,含碱低,坍落度经时损失小的品种,如接枝共聚物、聚羟基羧酸系、胺基磺酸盐类等,两种复合的效果比单一的好,掺量一般为胶结材总量的1.5~2.0%,掺量太多,超过饱和点后,不再提高减水率,并延缓凝结时间;
2.缓凝剂
主要用于控制混凝土的凝结时间和硬化速度,以减少坍落度损失,降低放热量,防止早期开裂,对于C3A与含碱量低的水泥,缓凝效果较好,但掺量不宜过多,要严加控制;
3.引气剂
掺入引气剂可提高混凝土的流动性、减少离析、泌水,对保证混凝土拌合物的均匀性和硬化后的耐久性很有利,但引气剂要降低强度,故不宜多加,一般以含气量=3~4%来控制其掺量;
4.膨胀剂
主要是为了补偿水泥的干缩和自收缩,增加抗裂性并在约束条件下增长强度,我国膨胀剂产品主要是钙矾石类的如UEA、EA、明矾石膨胀剂等,有些复配的产品,其中掺有高效减水剂、缓凝剂甚至矿物细掺料等组合,选用时要注意,这类复配的膨胀剂对水泥也有相容性问题,使用前必须严格检验。
另外还要检验掺膨胀剂混凝土,膨胀结束后的收缩量,如果和不掺膨胀剂时的相同,开裂仍然会产生,起不到减缩、防裂作用,因此应选用膨胀结束后收缩量比不掺的小的膨胀剂,掺膨胀剂的混凝土搅拌要均匀,养护要充分,约束条件要保证,否则,也起不到减缩防裂作用,有时反而开裂更甚。
高性能混凝土因水胶比低,早强高,一般不宜掺早强剂,由于防冻剂掺入后,会降低强度,故通常也不宜用。
京沪高速铁路高性能混凝土技术条件(送审稿)(以下简称送审稿)对原材料的品质更有详细的规定,此处从略。
(五)矿物细掺料(掺合料)
常用的有粉煤灰,磨细矿渣、沸石粉、硅灰等活性矿物细掺料,现分别简单介绍如下:
1.粉煤灰(F.A)
主要活性成分是Sio2,Al2O3,含量越多,活性越高。
按CaO含量的多少分为两类,Cao>10%的为高钙灰(C级),具有轻微的自硬性,但因游离Cao高,易造成体积不安定使用时要慎重,故应用不广,Cao<10%的为低钙灰(F级)依其品质又分I、II、III三个级别,见表5。
表5GB1596-91
项目IIIIII
细度(45mm筛余)≯%122045
需水量比≯%95105115
烧失量≯%5815
SO3≯%333
含水率≯%11/
说明:
据初步调查,国内普遍存在的问题是细度不合格,烧失量太大,质量不稳定,正在采取措施加以解决。
用于高性能混凝土的粉煤灰通常是I级灰,质量较好的II级灰也可用,《高强指南》规定的高性能混凝土用粉煤灰技术条件(表5)
强度等级需水量比%烧失量%细度(45mm筛)%SO%含水量%
C50~C60≤100≤3≤15≤3≤1
C70≤95≤2≤12≤3≤1
C80≤90≤1≤10≤3≤1
《送审稿》规定粉煤灰品质指标(表6)
强度等级需水量比%烧失量%细度%SO3%含水量%Cl¢%活性指标%
7d28d
C30≤100≤3≤12≤3≤1≤0.02≥60≥75
>C30≤95≤3≤12≤3≤1≤0.02≥65≥80
其中有两项指标要引起注意,一是需水量比应<100%,因它影响流动性和早期收缩,二是烧失量最好<3%,因烧失量大意味着含碳量高,含碳量高吸水率就大,强度低且易风化。
对高性能混凝土更加敏感,因此要严加控制,只要含碳量低,细度不必苛求,达不到要求时,可通过粉磨提高。
研究表明:
掺入粉煤灰后,它对混凝土有以下四种功效。
(1)火山灰反应,强度效应(活性效应),粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的Ca(OH)2及含有的硫酸盐产生碱性激发与硫酸盐激发两种反应,即:
碱性:
xSiO2+yCa(OH)2+zHzO®yCao•xSiO2•zH2O(CSH)
mAl2O3+nCa(OH)2+iH2O®nCao•mAl2O3•iH2O(CAH)
硫酸盐性:
Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4•2H2O)+19H2O®3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O(AFt)
并能改变CSH相的形貌,降低Ca/Si比,有利于后强的发挥与耐久性的改善。
(2)形态效应,减水作用,粉煤灰多是园珠型颗粒,表面光滑,微珠润滑,且有吸附分散作用对水泥浆起解絮增塑作用,若保持流动性不变即可起到减水作用。
(3)微集料效应,增密作用,研究表明粉煤灰粒度分布合理,总体粒度为0.5~300mm,其中玻璃微珠为0.5~100mm,大部分<45mm,其含量约占50~70%,是粉煤灰中的主体,还有一部分漂珠>45mm,及少量粗粒的海绵颗粒10~300mm,大部分>45mm,可见自身颗粒级配良好,其中比水泥颗粒细的粒子则可填充水泥空隙,增加密实度,细化孔径,改善均匀性。
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(4)稳定效应,益化作用,通过上述的火山灰反应,大量消耗掉自由态的Ca(OH)2,使变成结合态,大大降低液相的碱度,从而提高混凝土的耐蚀性。
另外还可减少放热、收缩和徐变,提高体积稳定性和抗裂性,有利于耐久性。
但却降低了抗碳化的能力。
通过上述分析,充分说明,粉煤灰在混凝土中能发挥四大功效,起着不亚于水泥的胶凝作用,是混凝土必不可少的第六组分。
问题是要选好、用好、控制好粉煤灰,充分发挥它在混凝土中的有利作用。
其掺量通常采用超量取代水泥法(超量系数=1.2)进行配制。
2.粒化高炉矿渣(P.S)
粒化高炉矿渣是炼铁高炉排渣时通过水淬(急冷)成粒后,再经磨细而得,主要化学成分有SiO2,Al2O3,CaO与MgO等,通过水淬可以形成大量的玻璃体,另外还含有少量的硅酸—钙或硅酸二钙结晶组分,因此碱性矿渣具有轻微的自硬性,矿渣的活性与碱度,玻璃体含量及细度等因素有关,
碱度
碱度b越大,活性越高,我国的大多数矿渣b>1.8以上。
玻璃体含量可以用玻璃化率来表达,玻璃化率a可通过x射线衍射法测定结晶化率,再按下式计算。
玻璃化率a=(1-结晶化率)×100%
玻璃化率a越大,活性越高,我国的矿渣多数都在98%以上。
美国对掺入混凝土中矿渣的活性指标是,通过28天胶砂强度比来表示的
活性指标
fp——在硅酸盐水泥:
矿渣:
标准砂=1:
1:
2.75配比下标养28天的抗压强度;
fc——在硅酸盐水泥:
标准砂=1:
2.75配比下标养28天的抗压强度。
用水量均按胶砂流动度为110±5%来决定,根据活性指标的大小把矿渣分为80级、100级与120级三个等级,指标越大,等级越高,表示活性越高。
研究表明,矿渣粒径>45mm的颗粒很难参与水化反应,所以要磨细,用于高性能混凝土的矿渣要磨细到比表面积超过4000cm2/g,才能充分发挥其活性,减小泌水性,细度越大,活性越高,但磨得太细,早期水化热大不利于降低混凝土的温升,而且混凝土早期的自身收缩也会随着磨细矿渣掺量的增加而增大,况且粉磨矿渣要提高成本,所以不宜磨得太细,但磨细矿渣比普通矿渣优越,掺入混凝土中可以取代部分水泥,可提高流动度,降低泌水性,早强相当,但后强高耐久性好,掺30%时,可提高强度22%左右,试验表明,磨细矿渣的最佳掺量是30~50%,最大掺量可到70%,此时水化热可降低,自身收缩也可减小。
《高强指南》规定,用于高强高性能混凝土的磨细矿渣,应符合下列质量要求:
比表面积>4000cm2/g
需水量比≯105%
烧失量≯5%
《送审稿》规定矿渣粉品质指标(表7)
比表面积≥4000cm2/g
流动度比≥100%
烧失量≤1%活性指标
7d28d
≥75%≥95%
《送审稿》规定,掺合料的掺量要求如下表(表8)
强度等级50%粉煤灰+50%矿渣粉%矿渣粉%粉煤灰%
C30~C4520~4025~3520~25
C5020~3020~3015~25
C6025~3530~4020~30
3.沸石粉(F矿粉)
一种天然的碱金属和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物,常用的是斜发沸石与丝光沸石,经磨细而成。
主要成分有SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO等,是一种结晶矿物,其中含部分可溶性SiO2与Al2O3,参予火山灰反应。
构造上具有含水微晶质架状构造,开放性较大,有很多大小均匀的孔道和空腔的特点,因此具有良好的选择吸附,离子交换和催化的特性,其化学活性很大。
其掺量:
最佳15~20%,适宜25~30%,极限35~45%,超过45%强度开始下降。
4.硅粉(S.F):
是生产硅铁,电收尘所得废料。
主要成分是SiO2=86~95%,无定形物质,活性极高。
表观密度250~300kg/m3,密度2.2,空隙率高达90%以上,为细小球状颗粒d平=0.1~0.2mm,比表面积S=18~22m2/g,是水泥的20~30倍,需水量比高达134%,SF取代水泥每增加1%(约5kg),需水量增加7kg,SF取代水泥每增加1%,减水剂增加0.05%。
品质标准可参照我国水工混凝土暂行标准执行
SiO2≥85%,W≤3%,烧失量≤6%
火山灰活性指数≥90%,细度45mm筛余≤10%,比表面积S>15m2/g
均匀性指标,密度与均值偏差≤5%,细度与均值偏差≤5%
掺量:
以7~9%最佳,适宜量5~15%,极限量10~20%,超过20%不经济,作用不大。
研究表明:
上述几种矿物细掺料的使用宜采取以下几种措施效果更好。
即:
超细粉磨,多种复合,开发势能作用,大掺量的应用,建立可持续发展战略。
(1)超细粉磨:
磨细至8000~10000cm2/g,d平=10~8mm.
特点:
充分发挥潜在势能——比表面积大,促进火山灰反应,发挥其潜在活性。
显著提高“三大效应”——即提高“活性、粒形、微集料”三大效应,改善微级配密实化。
充分发挥粉体效应——降低泌水,增加粘稠性,减少坍落度损失改善界面结构。
(2)多种复合:
将粗细不同的不同种类的掺合料复合,利用各自的特点,取长补短,各发挥各自的优势、优势互补。
特点:
改善微结构和微级配——调整相组成和微级配,结构更加密实和强化改善界面结构和孔结构——缩小过渡带,提高均匀性,减小孔径,充分发挥“三大效应”:
①强度效应——W/C<0.4,不能全部水化,若加入超细粉体,可吸收CH,捉进水泥水化,提高水化率。
②粒形效应——硅灰多为球状,掺量≤5%时,是高稀度悬浮体,能阻止水泥沉淀更易于流动,产生“滚珠效应”,可增大流动性,改善可泵性,减少坍落度损失,但掺量太多>5%,将因比表面积太大而增加需水量,使流动性降低,阻力增大,可泵性变差。
③微集料效应——从粒径分析,硅灰最细,磨细粉料次之,水泥最粗,三种材料组合,互相填充,可达到最密实,三者之间存在一个最佳配合可通过试验确定。
《高强指南》与《送审稿》都规定,为了防止产生碱骨料反应,所有原材料中的总含碱量1M3混凝土中不得超过3kg,为了防止钢筋锈蚀,所有原材料中的Cl离子总含量,
对一般条件下的钢筋混凝土结构≯0.2%•C
处于朝湿条件下的钢筋混凝土结构≯0.1%•C
对预应力钢筋混凝土结构≯0.06%•C
对上述所用的六项材料(包括水)初步选定后,需按国家标准或规范严格进行检验,品质合格后方能使用。
四、优选混凝土配合比
(一)配合比设计的基本原理
根据前述配制高性能混凝土的技术路线,混凝土配合比设计的目标,是要确定能满足工程技术要求的各种材料用量,配合比设计原理与普通混凝土基本相同,仍然依据三大法则,但也有不同之处。
1.水灰比(或灰水比)法则
水灰比法则是指混凝土强度与水泥强度成正比,与水灰比成反比,具体可用强度公式表示如根据这一法则确定水灰比,以保证混凝土的强度和耐
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