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1、高性能混凝土研究与应用,苏笮斌 西南交通大学,Tel: +86-139 8065 6368,教授级高工多项国家重点工程技术顾问中国建材工业联合会混凝土外加剂协会会员四川省土木建筑学会会员四川省专业防水委员会委员自主研发并获中华人民共和国知识产权局发明专利 “聚羧酸系高性能减水剂、高性能抗冲耐磨剂、碱骨料活性反应抑制剂、防裂抗蚀增塑剂、防水防腐胶粉”等15项编制的“高效砂浆增塑剂、抗蚀防腐剂”等4产品质量标准，被应用为国家产品行业标准多项研发成果通过省（部）级科技成果鉴定，并成功配制成果转化,个人简介,一 普通混凝土与高性能混凝土的区别 高性能混凝土的技术指标 实现高性能混凝土的途径 高性能混凝
2、土存在的问题二 混凝土常见问题及解决办法三 混凝土的发展方向,目录,一 高性能混凝土,高性能混凝土（缩写为HPC）是最近十多年才出现的新型高技术混凝土。它以混凝土耐久性作为设计的主要指标，保证混凝土有良好的工作性、适用性、力学强度、体积稳定性和经济性，采用现代混凝土技术制作的混凝土。,高性能混凝土必须具备的性能：（1）针对具体环境下的高耐久性 ；（2）不易开裂性（特别是早期抗裂性） ；（3）适当的较高强度 ；（4）良好的工作性 。（3）和（4）两个要求，目前混凝土技术都能达到，因此所谓高性能主要是耐久性和抗裂性。,配比特点：掺加合格的矿物掺和料和功能型外加剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，
3、并在制备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。,一 高性能混凝土,1.1 混凝土耐久性介绍,【高性能混凝土组成】,一 高性能混凝土,【高性能混凝土组成】,一 高性能混凝土,1.1普通混凝土与高性能混凝土的区别,1、普通混凝土是以抗压强度作为最基本的特征；高性能混凝土则是以耐久性为主要指标，同时还有强度、工作性、体积稳定性等。 2、普通混凝土是以水泥和粗、细骨料、水四大组分为原材料；高性能混凝土则在前者的基础上增加了大量的外加剂和掺合料，使其性能得到质的变化。3、普通混凝土一般采用0.40.8的水胶比；高性能混凝土因掺入功能型外加剂使水胶比减少即不大于0.38。
4、 4、普通钢筋混凝土使用寿命只有4050年；高性能混凝土设计使用年限为100年，,相比普通混凝土，采用低水胶比高性能混凝土，硬化后毛细孔数量显著减少，而超细掺合料又改善粉体集料级配，大幅减少毛细孔数量，毛细孔越少，混凝土越密实， 耐久性越好。,一 高性能混凝土,1.2 高性能混凝土技术指标,抗渗性 抗冻性 耐腐蚀性抗碳化性碱骨料反应耐冲磨性抗冻融性其他指标,【技术指标】,一 高性能混凝土,1.2高性能混凝土技术指标,【抗渗性 】,硬化水泥浆体或混凝土因毛细作用(而不是压力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性质，称为吸水性。试验表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表层的抗渗性。,混凝土抵抗压力水(油
5、、液体)渗透的能力，称为抗渗性。评价指标：抗渗标号P以28d龄期的混凝土标准试件，按标准方法进行抗渗试验，以6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压确定，计算式如下： P=10H-1 式中：P抗渗标号； H6个试件，3个试件出现渗水时的水压力(MPa)。,影响因素： 混凝土的配合比：水灰比、胶凝材料用量 浇注成型工艺：混凝土的搅拌、混凝土的震捣 养护条件：湿度、温度、龄期,一 高性能混凝土,【抗冻性 】,在吸水饱和状态下，混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏，也不显著降低其强度的性能，称为混凝土的抗冻性。 评价指标：以强度降低不超过25%、质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数N为抗冻指
6、标抗冻标号F或耐久性系数Km： Km=PN/300 式中：N混凝土试件冻融循环试验至相对弹性模量下降到60%以下时的冻融循环次数； P经N次冻融循环后试件的相对弹性模量。,水结冰产生压力的机理：水压;渗透压;毛细孔中冰结晶生长压,实验表明：冻结对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力及冰水蒸气压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果。,1.2高性能混凝土技术指标,一 高性能混凝土,【耐冲磨性】,混凝土能够抵抗挟砂、石、水流、汽蚀、风蚀等冲磨破坏的能力，称为耐冲磨性。 评价指标：以单位面积的磨损量来评价。磨损量Gc计算方法如下： Gc=(m1-m2)/0.0125 (T 0567
7、-2005)式中：Gc-单位面积的磨耗量（kg/m2） m1-试件的初始质量（kg） m2-试件磨耗后的质量（kg）,影响因素：水泥的品种、强度等级，砂石的级配，含泥量，掺合料的质量，外加剂的品种和质量，骨料粒径、施工工艺等。,实验表明：混凝土抗压强度越高,磨损系数越低。骨料最大粒径应选择在2.02.5 cm磨损系数最低。,1.2高性能混凝土技术指标,一 高性能混凝土,【耐蚀性】,混凝土在腐蚀体系环境中，具有的抗腐蚀能力，称为耐磨性与抗冲刷性。 评价指标：通常用快蚀系数开来评价混凝土的抗蚀性能。抗蚀系数计算方法如下：其中： K抗蚀系数，% R液试件在溶液中侵泡28天抗折强度，MPa R水试件在
8、水中养护同龄期抗折强度，MPa,影响因素：以氯盐、硫酸盐和镁盐为代表的化学侵蚀破坏、以气候因素和盐类结晶为代表的物理因素作用、以自身结构的密实程度与收缩变形为代表的自身因素是影响混凝土抗蚀性的3大主要因素。其中，混凝土自身的密实程度和微裂缝是影响其耐蚀性的关键因素。,1.2高性能混凝土技术指标,一 高性能混凝土,【碱骨料反应】,碱骨料反应是指水泥中的碱性氧化物含量较高时，会与骨料中所 含的二氧化硅发生化学反应 ，并在骨料表面生成碱-硅酸凝胶，吸水后会产生较大的体积膨胀，导致混凝土 胀裂现象，该现象称为混凝土碱骨料反应。 评价指标：常用混凝土中碱含量来衡量能否发生碱骨料反应。,影响因素：水泥或混
9、凝土的含碱量 、活性氧化硅含量 、骨料粒径 、水分来源 、环境温度。,1.2高性能混凝土技术指标,一 高性能混凝土,【抗碳化性】,碳化是指环境中的CO2与混凝土水泥石中的Ca(OH) 2作用生成碳酸钙和水，从而降低混凝土中碱度的现象。,影响因素： CO2浓度、相对湿度、混凝土的密实度、水泥品种和掺和料等。,危害：由于碱度的降低，混凝土中的钢筋失去保护膜，引起钢筋锈蚀；混凝土表面出现碳化收缩，导致微裂缝的产生，降低混凝土的强度和耐久性。,1.2高性能混凝土技术指标,一 高性能混凝土,1.3实现高性能混凝土的途径,组成材料,浇筑/密实/养护,架构和构件设计,配合比,高性能混凝土,一 高性能混凝土,
10、【减少拌和水及胶凝材料浆体的用量】,为达到减少拌和水与水泥浆量的目的，主要途径有：选用良好级配和粒形的粗骨料添加功能型外加剂或高性能减水剂添加低需水量比的矿物掺和料降低水固比（W/S）和浆骨比,对混凝土整体而言，降低拌和水量而增加固态材料的重量，是有益的建议，在高性能混凝土建议水固比（W/S）0.08；控制浆骨比在较低的水平例如中低等级混凝土在0.32以下，高等级混凝土在0.35以下。,1.3实现高性能混凝土的途径,将拌和水的最大用量作为控制混凝土耐久性质量要求的一种标志，要比用最大水胶比（或水灰比）更为适宜。依靠水胶比的控制尚不能解决混凝土中因浆体过多，而引起收缩和水化热增加的负面影响。,一
11、 高性能混凝土,在胶凝材料体系中，降低混凝土的水泥用量，增大矿物细粉掺合料的用量，可以提高混凝土结构的化学稳定性和抵抗化学侵蚀的能力，降低内部缺陷，提高密实性。,在新的世纪，无论是为了低碳发展模式配制可持续发展还是为了提高混凝土的耐久性，延长使用寿命，我们都必须给水泥重新定位：在今后相当长的时期内，水泥仍然是胶凝材料中的重要组分，但不会是绝对组分，更不可能是唯一组分。由水泥和大比例矿物细粉掺合料共同组成合理胶凝材料体系的时代即将到来。,1.3实现高性能混凝土的途径,【选择合理的胶凝材料体系 】,一 高性能混凝土,【控制混凝土总碱含量和氯离子含量】,1.3实现高性能混凝土的途径,控制混凝土组成材
12、料中的碱含量，混凝土结构耐久性设计规范中规定： 对骨料无活性且处于干燥环境条件下的混凝土构件，含碱量不应超过3.5 kg/m3 ； 对于设计使用年限为100年的结构物，宜限制混凝土的含碱量不超过3 kg/m3 ； 对于骨料无活性但处于潮湿环境（相对湿度75%）条件下的混凝土构件，含碱量不超过3 kg/m3 。,含量和卤化物（尤其是氯盐）是混凝土发生碱骨料病害和钢筋腐蚀的主要原因，因此应注意：,一 高性能混凝土,1.3实现高性能混凝土的途径,（2） 控制混凝土中的氯离子含量，GB50476-2008混凝土结构耐久性设计规范中规定见下表：,【控制混凝土总碱含量和氯离子含量】,含量和卤化物（尤其是氯
13、盐）是混凝土发生碱骨料病害和钢筋腐蚀的主要原因，因此应注意：,一 高性能混凝土,【掺用功能型高性能外加剂】,1.3实现高性能混凝土的途径,掺入功能型高性能外加剂的目的是：改善工作性，增加强度，提高混凝土抗渗性、抗冻性、抗裂性、抗蚀性、耐磨性，明显提高混凝土耐久性能。,配制高性能混凝土时，常用的功能型外加剂有：高性能减水剂、抗裂防水膨胀剂、抗蚀防腐剂、抗裂纤维、减缩剂、增效剂、气密剂、防冻剂、抗冲耐磨剂、碱骨料活性抑制剂、缓凝剂、引气剂、水下不分散剂、阻锈剂等等。,一 高性能混凝土,【其他措施】,1.3实现高性能混凝土的途径,（1）合理使用水泥： 选用低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早
14、强水泥、细度过细和高C3A含量的水泥。（2）加强混凝土质量的生产过程控制：在混凝土施工中，应当均匀搅拌、灌注和振捣密实及加强养护以保证混凝土的施工质量。,混凝土的原料及选用-化学外加剂,化学外加剂外加剂是为了改善和调节混凝土的某些性能，在混凝土搅拌室加入的不超过水泥用量 的5%（特殊情况除外）的物质。分类-按主要功能分1 调节混凝土拌合物流变性能的外加剂，如减水剂、泵送剂、引气剂等；2调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂，如早强剂、缓凝剂、速凝剂等；3 改善混凝土耐久性的外加剂，如引气剂、防水剂、防冻剂和阻锈剂；4 改善混凝土其他性能的外加剂，如加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、脱模剂；,22,
15、预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂,减水剂,减水剂作用机理：表面活性剂机理减水剂的作用：湿润、乳化分散、润滑 减水剂的经济效果在配合比不变的条件下，可以增加混凝土拌合物的流动性，且不影响其强度在保持流动性及水泥用量不变的条件下，能减少混凝土拌合物的用水量，降低水灰比，提升混凝土的强度及耐久性在保持流动性及水灰比不变的条件下 ，可以减少拌合物的用水量，同时相应的减少水泥用量，降低混凝土成本，且不改变混凝土强度,引气剂,引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂加入引气剂的主要作用：改善混凝土的拌合物的和易性 显著提高混凝土的抗冻性和抗渗性 气泡可使混凝土弹性模量有
16、所降低，对提高混凝土抗裂性有利 加入引气剂的缺点：掺用引气剂使混凝土强度及耐磨性有所降低，所以掺量不宜过高,23,预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂,早强剂,早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂 类别：氯盐类、硫酸盐类、有机胺类以及他们组成的符合早强剂,缓凝剂,缓凝剂是指能延长混凝土凝结时间而又不会显著降低混凝土后期强度的外加剂。作用机理是延缓混凝土凝结时间和水泥水化热释放速度。主要类别：无机盐类、羟基羧酸盐类、多羟基碳水化合物类、木质素磺酸盐类。主要用途：多用于大体积混凝土，以及混凝土地夏季施工或其他远距离运输的商品混凝土,24,预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂,防冻剂,防冻剂是为了使混
17、凝土在环境温度为低温或负温下达到规定强度而使用的外加剂。类别：无机盐类、水溶性有机化合物类、有机化合物和无机盐复合类；通常情况下，组合防冻剂的效果比单一组分的 防冻剂好。,防水剂,防水剂指能降低混凝土在静水压力下渗透性的外加剂。主要类别：水性环氧树脂防水剂、水性渗透型无机防水型、机硅类防水剂、硅酸质粉末系列防水剂作用机理：掺入微细颗粒,充填混凝土内部孔隙与水泥水化产物结合，形成稳定的产物混入憎水性物质或生成憎水性组分形成防水性的薄层,25,预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂,膨胀剂,膨胀剂是指能使混凝土经水化后产生膨胀的外加剂。 类别：硫铝酸钙类、氧化钙类、硫铝酸钙类-氧化钙类；主要用于补偿收
18、缩混凝土、自应力混凝土和有较高抗裂防渗要求的 混凝土工程,速凝剂,速凝剂指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。主要类别：常用的速凝剂是无机盐类的铝氧熟料,26,一 高性能混凝土,第一类、由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入混凝土的速率所决定。 化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀、碳化； 物理的：冻融、盐结晶、火灾等。第二类、是磨耗、冲磨、汽蚀、风蚀，涉及一些另外的机理。,【普通混凝土劣化因素】,上述原因引起或产生的有害作用是导致混凝土耐久性劣化的重要原因。,1.4高性能混凝土存在的问题,一 高性能混凝土,一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构,环境作用(第一阶段)
19、(无可见损伤)1、侵蚀作用： 冷热循环、干湿循环2、荷载作用： 循环荷载、冲击荷载,由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失,环境作用(第二阶段)(损伤的开始与扩展)水的渗入；O2、CO2渗入；酸性离子(Cl- 、SO4-)渗入,A：以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀;B：混凝土强度与刚度降低,开裂、剥落与整体性丧失,1.4高性能混凝土存在的问题,一 高性能混凝土,1.4高性能混凝土存在的问题,【对规范的理解偏差】,寿命：100年？大于100年？大于120年？最小胶凝材料用量：最小水泥用量？（否）,【高性能混凝土的经济性】,造价：高？（否）同等
20、设计条件下：工期长？（否）,【设计人员常出现的问题 】,新规范理解不透？（是）耐久性指标设计不全面？（是）,一 高性能混凝土,1.4高性能混凝土存在的问题,【材料选用出现的问题】,1、混凝土中掺入掺合料和外加剂就是高性能混凝土？（否）。2、外加剂怎么选用？多而单一性能？复合性能？,【施工常出现的问题】,【现行规范问题】,1、以28天强度表征高性能混凝土是科学吗？（否，90天）2、耐久性指标以28天龄期试验？（须修订）,1、为方便施工而掺水？（否）。2、与普通混凝土养护条件相同？ （否）,一 高性能混凝土,1.4高性能混凝土存在的问题,【外加剂】,1、由于低价中标，导致外加剂掺量提高，成本加大。
21、2、为节约成本，供应商用低浓单组分外加剂代替高浓多组分外加剂，混凝土敏感性较强，板结、泌水。3、保坍剂不足，坍落度损失快，用缓凝剂代替保坍剂。4、为改善拌合物性能，掺加过量增稠剂，导致气泡封闭在混凝土内，不能排出，致使混凝土强度降低约25%左右。,【其他】,施工控制不细、养护不好、对外部环境评估不足等。,混凝土浇筑混凝土的浇筑包括：布料、摊平、捣实和抹面修整等工序，它对混凝土的密实性、耐久性，以及结构的整体性和外形的正确性等有重要影响浇筑过程中，需要控制：混凝土的均匀性、密实性和整体性，还要保证结构的尺寸准确和钢筋、预埋件的位置正确，并保证结构的外观性、整体性和耐久性符合设计的要求。混凝土拌合
22、物从搅拌站搅拌机卸出后到浇筑完毕的延续时间：环境温度 25 ，不易超过150min环境温度 25 ，不易超过120min,32,常见问题及处理一,混凝土普通浇筑施工过程中的常见问题,混凝土坍落度损失大，施工现场二次加水现象严重混凝土施工速度慢，混凝土进入初凝期前，不能完成混凝土浇筑振捣,混凝土普通浇筑施工过程中常见问题的处理方法,明确混凝土的初凝时间，混凝土必须在初凝前浇筑使用完毕混凝土单车最大运送量控制小于6m3混凝土掺加剂减水剂，提高混凝土出厂坍落度，施工现场混凝土严禁二次加水根据天气情况，尤其是夏季施工，混凝土掺加缓凝剂，适当延长混凝土的初凝时间控制混凝土的施工浇筑时间，一般不得超过2H
23、,33,四,常见问题及处理二,泵送混凝土泵送过程中的常见问题,泵送过程中中途停泵时间过长；泵送时水箱或活塞清洗室中未保持充满水，造成机械故障；泵送混凝土坍落度过大或过小；泵送混凝土和易性差,可泵性差混凝土泵送困难，堵管；泵送过程中随意向搅拌运输车或输送泵受料斗内加水；,泵送混凝土泵送过程中常见问题的处理方法,检查水箱等设备，避免中途停泵等故障；泵送时，打开输送管上的气阀，防止管内混凝土的流动受到阻碍；接长输送管泵送之前，用水泥砂浆进行润滑管道内壁，减少混凝土在管壁内的摩擦；控制粗骨料最大粒径与管径之比；集料采用中砂且有良好的级配；检测泵送剂与水泥相容性；控制混凝土运送时间间隔；卸料前采用二次掺
24、加外加剂；,34,常见问题及处理三,混凝土堵管原因,混凝土拌合物质量不合要求骨料粒径大混凝土离析泵送润滑砂浆离析砂率不合格坍落度不符合要求管件质量不好，布置不合理管路留存残渣管道漏浆、漏气管径变异堵管输送管布置不合理管道润滑不好，并有剧烈振动,混凝土堵管处理方法,控制粗骨料最大粒径的比例和输送管道的最小内径；根据泵送高度要求，控制混凝土坍落度；确定最佳砂率(最宜比例3845%)；泵送前，认真检查、清洗管件，确保管件使用有效；其他方法,35,典型通病问题及防治措施坍落度损失,原因,水泥水化产生水化产物水泥水化耗用拌合水混凝土中水分蒸发水泥矿物和水化产物吸附减水剂,处理方法,原材料方面不选用C3A
25、、C4AF含量高和细度大的水泥,选用含有二水石膏的水泥；降低砂率,采用级配,采用较粗骨料调节水泥、水、外加剂的用量不宜采用温度高于70的水泥水泥混合材用矿渣、粉煤灰等生产方面稳定控制原料质量、原料计量、混凝土搅拌时间等其他方法,36,典型通病问题及防治措施泌水、离析,原因,水泥方面的原因粉煤灰的影响骨料方面的原因外加剂方面的原因混凝土配合比原因含气量对泌水和离析的影响混凝土生产管理方面的原因施工导致的混凝土泌水、离析,处理方法,配合比方面：适当增加胶凝材料用量、提高砂率、减少单位用水量原材料方面：掺加优质粉煤灰和高品质引气剂减水剂方面：选用泌水较少的减水剂施工方面：样控制振捣时间,37,典型通
26、病问题及防治措施混凝土裂缝,原因,塑性收缩裂缝塑性沉降裂缝温度裂缝干缩裂缝混凝土化学自收缩,处理方法,塑性、沉降裂缝：优化选材优化配合比尽量安排夜间施工混凝土二次抹面混凝土中加入合成纤维充分湿润模板和底板温度裂缝选用低热水泥降低混凝土入模温度掺加缓凝型减水剂保温,减小内外温差,降温速度其他,38,三 混凝土的发展方向,【绿色混凝土】,绿色高性能混凝土：将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑。再生骨料混凝土：以废混凝土、废砖块、废砂浆作骨料，加入水泥砂浆拌制的混凝土。环保型混凝土：既要满足现代人的需求，又要考虑环境因素，有利于资源、能源的节省和生态平衡。如低碱混凝土，透水混凝土、光催化混凝土。,主要有:绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土等。,三 混凝土的发展方向,【智能混凝土】,根据功能主要分为：损伤自诊断混凝土、自调节智能混凝土、自修复智能混凝土根据加入的机敏材料分为：碳纤维混凝土、光纤维混凝土、形状记忆合金混凝土、电流变液混凝土,特点：在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分使混凝土材料具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料； 作用：可以有效的预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在的脆性破坏，能显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。,
