高性能混凝土的配制与应用.doc

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1、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、

2、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（High Performance Concre

3、te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

4、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

5、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（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fg1.2fou以上，针、片状5%，不得混入软弱颗粒，一般最大粒径Dmax25mm，配制C80C100级时，Dmax20mm，对超过C100级以上时，Dmax12mm，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%），

6、吸水率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1.52.0%，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=34%来控制其掺量； 4. 膨胀剂 主要是

7、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，

8、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，Cao10%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，CaoC30 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

9、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+zHzOyCaoxSiO2zH2O (CSH) mAl2O3+nCa(OH)2+iH2OnCaomAl2O3iH2O (CAH) 硫酸盐性：Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO42H2O)+19H2O3C

10、aOAl2O33CaSO431H2O(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0.5300mm，其中玻璃微珠为0.5100mm,大部分45mm，及少量粗粒的海绵颗粒10300mm，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。论坛公告:请编辑个人资料输入工作专业内容 Poste

11、d: 2007-05-24 17:23 | 1 楼 黑魔鲤 级别: 论坛版主精华: 20 发帖: 6284威望: 1614 点金钱: 900 圆方币贡献值: 145 点工作专业:规划设计在线时间:551(小时)注册时间:2007-02-12最后登录:2007-08-08 （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

12、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b1.8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

13、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1105%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，

14、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3050%，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4000cm

15、2/g流动度比100%烧失量1% 活性指标 7d 28d 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%C30C45 2040 2535 2025C50 2030 2030 1525C60 2535 3040 2030 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

16、，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1520%，适宜2530%，极限3545%，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=8695%，无定形物质，活性极高。 表观密度250300kg/m3，密度2.2，空隙率高达90%以上，为细小球状颗粒d平=0.10.2mm，比表面积S=1822m2/g，是水泥的2030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 SiO285%,W3%，

17、烧失量6% 火山灰活性指数90%，细度45mm筛余10%,比表面积S15m2/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79%最佳，适宜量515%，极限量1020%，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800010000cm2/g，d平=108mm. 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，

18、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”： 强度效应W/C5%，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。 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

19、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

20、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久性，对高性能混凝土，由于将矿物细掺料当作胶结材的一部分因此计算的应该是水胶比（或胶水比）。 2. 最大密实度法则 该法则的基本思路是各项材料互相填充空隙，以达到混凝土密实度最大，换言之就是各项材料的密实体积总和等于1M3绝对密实的混凝土，即： V水泥+V掺合料+V砂+V石+V水+V气 = 1M3的混凝土。根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率，以确保混凝土的强度、耐久性与经济性。 3. 最小单位用水量法则 根据这一法则，可在水胶比一定及原材料一定的情况下，确定能满足混凝土工作性的最小用水量，这和普通混凝土中的恒用水量法则相似。 对高性能

21、混凝土，由于骨料最大粒径和坍落度的波动范围很小，（分别是1025mm与1822cm），而且坍落度还可通过调整高效减水剂来控制，因此普通混凝土的恒用水量法则对高性能混凝土就不太适用，而改用最小单位用水量法则，但出发点两者是相同的。 根据上述三大法则，可以初步确定混凝土配合比中的水胶比、浆集比、砂率与最小单位用水量这四个最基本的参数，再通过一定的方法，根据经验和试配确定外加剂和掺合料的用量。 （二）配合比设计方法 由于高性能混凝土使用的原材料较多，技术要求较高，目前尚无统一的计算方法，各国都是根据本国的实际情况提出的设计方法，而且都是经验试验法，虽然各国的设计方法各种各样，但都遵循上述三大法则，所

22、以方法并不重要，重要的是上述三大法则，这是基础，方法很多，下面只介绍一种常用的方法供参考。 该法也是一个经验试验法，具体思路是将混凝土按密实体积分为两大部分： 胶结材料浆体 = 水泥 + 水 + 外加剂 + 掺合料 骨料基体 = 砂 + 石子 需要确定的参数为：水胶比、用水量、浆集比、砂率、外加剂掺量、掺合料掺量等6项。 具体可分三大步骤1. 先计算空白混凝土的初步配合比，2. 根据经验初步确定外加剂与细掺料的掺量，通过流动性的试验调整，和抗裂性的对比试验确定基准配合比，3. 再经过强度与耐久性试验调整，确定试验室理论配合比，最后通过含水率的换算确定施工配合比。 送审稿对混凝土配合比参数的限值

23、提出了如下的要求表9结构类型 最低强度等级 最大水胶比 最小水泥用量kg/m3 最低胶结材总量kg/m3灌注桩 C30 0.39 275 400承台，墩台，隧道，涵洞 C30 0.39 275 380涵洞盖板 C30 0.38 275 360支撑垫石 C40 0.38 275 360挡土墙 C30 0.38 275 360梁 C50 0.35 300 480轨枕，轨枕板 C60 0.32 300 480电杆，接触网支柱 C50C55 0.32 300 480管桩 C80 0.32 300 480小型预制构件、块 C30 0.32 275 380梁面防水保护层 C40 0.37 275 400桥梁封端 C50 0.32 275 480（三）配制的三大技术关键 在配合比设计过程中两次试验调整是很重要的两个阶段，要解决好两次试验调整，必需掌握三大技术关键。 1. 合理使用各种外加剂的技术，包括外加剂的选用，各种外加剂间的复合，外加剂的最佳掺量，如何达到与水泥间的相容性良好，混凝土坍落度经时损失小的要求，可先确定不同的组合，通过与水泥的相容性对比试验，进行优选