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1、1/70,高性能混凝土,武汉理工大学本科教学课程,2/70,高性能混凝土的组成,水泥,水,水泥浆,石子,砂子,骨 料,新拌混凝土,100%质量比,6080%,1025%胶凝材料,2040%,68%,45%,2535%,凝结硬化,硬化混凝土,混凝土外加剂,为了改善或提高工作性,矿物外加剂,3/70,各组成材料的作用,骨 料廉价的填充材料，节省水泥用量混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展传力作用降低水化热提供耐磨性,水泥润滑作用与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动性胶结作用包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的凝结硬化，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体,4/70,各组成材料的作用,水混凝土中的拌和水有
2、两个作用:供水泥的水化反应赋予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性有利对渗透性、强度和耐久性不利,5/70,各组成材料的作用,外加剂化学外加剂：改善混凝土的性能缓凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢；促凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢；减水剂减少拌和需水量；引气剂在混凝土中引起封闭气孔；矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰硅灰矿渣,6/70,7/70,第一章 绪论,第四节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化,8/70,高性能混
3、凝土是指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。,高性能混凝土拌和物配制的目标,9/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,耐久性 高性能混凝土配制的目标主要是耐久性，而用于承重结构，则强度应满足不同构件的要求。换句话说，不论设计强度是多少，首先应满足结构耐久性的要求。如混凝土结构一旦侵蚀破坏，会造成巨大损失。,10/70,我国危桥数量急剧增加,时 间（年）,危 桥 数 量（座）,桥 梁 里 程（延米）,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,1990,1991,1992,1993
4、,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001,2002,2003,2004,2005,1.0E+05,2.0E+05,3.0E+05,4.0E+05,5.0E+05,6.0E+05,危桥总数,危桥总延米,交通部统计图,高性能混凝土拌和物配制的目标,11/70,干燥收缩和碳化反应产生类似的裂缝！,高性能混凝土拌和物配制的目标,12/70,结晶肿胀导致裂缝产生！,高性能混凝土拌和物配制的目标,13/70,桥塔支柱上的纵向裂缝,14/70,梁上的纵向裂缝,15/70,钢筋锈蚀导致裂缝产生！,16/70,硫酸盐侵蚀导致裂缝产生！,17/70,18/70,北京西直门桥
5、混凝土裂化实例,高性能混凝土拌和物配制的目标,19/70,国家可持续发展战略,性能,耐久性,使用寿命,混凝土结构服役寿命,美国学者Setter的五倍定律：节省1美元，多追加5美元（钢筋锈蚀），多追加维护费用25美元（开裂），多追加维护费用125美元（严重破坏）：放大效应,以武汉长江隧道工程为例，工程总投资20.5亿元，如果工程主要结构构件管片的使用寿命提高50，将产生巨大的社会经济效益,高性能混凝土拌和物配制的目标,20/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,作 用：结构骨架和防水主体，最重要和最关键的衬砌结构构件性能要求：强度和抗渗性，耐久性和防火性能成 本：管片制作与安装费用占隧道工程造价2
6、030,21/70,HILS 功能/结构一体化设计示意图,高性能混凝土拌和物配制的目标,22/70,HILS实物模拟图,高性能混凝土拌和物配制的目标,23/70,压印模具 压印效果,界面强化工艺,高性能混凝土拌和物配制的目标,24/70,抗渗试验,三环拼装,三环拼装,HILS组装,高性能混凝土拌和物配制的目标,25/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,混凝土渗透性是影响混凝土耐久性重要指标，与混凝土的内部结构有关，影响因素包括拌和物的均匀性、稳定性，以及硬化混凝土的密实度、中心质网络的形成、界面结构、尺寸稳定性和所用原料的品质等。,26/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,一般来说，只要保证成
7、型密实、均匀、硬化后无原始裂缝，强度高的混凝土密实度也高；目前使用的各种矿物细粉料和减水剂，均可以使强度不高的高性能混凝土水灰比降低，同时满足工作性要求，而成型密实；为避免由于温度应力而产生裂缝，要尽量降低水泥水化热和混凝土内部的温升；从原材料的选择和配合比上还要尽量降低混凝土的干缩，防止开裂。,27/70,2.强 度,强度是建筑设计和混凝土配合比设计的主要依据。高强混凝土具有减小高层建筑底层柱和大跨度桥梁等构件的断面、降低结构物自重、扩大使用面积等优势。混凝土强度很高时，结构延性的问题就变得突出，必须改变现有结构体系。,高性能混凝土拌和物配制的目标,28/70,2、强 度,影响强度和密实度的
8、主要因素是水胶比、胶凝材料。受界面的影响，粗集料粒径、砂率和浆体数量也会对强度有所影响。,高性能混凝土拌和物配制的目标,29/70,现代混凝土的两大特点：,长距离运输、高流态输送,高性能混凝土拌和物配制的目标,3.工作性,30/70,3.工作性 高性能混凝土拌和物的工作是保证混凝土浇筑质量的关键。高性能混凝土拌和物具有高流动性、可泵性。若用坍落度来表示，则其坍落度应大于180mm；要求免振时，坍落度应大于250mm。拌和物应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性;为了保证施工的质量，在配料时还要考虑减小流动性的损失。,高性能混凝土拌和物配制的目标,31/70,3.工作性影响高性能混凝土拌和物工作性
9、的因素:水灰比胶凝材料种类及用量砂率集料级配外加剂品种及用量等。,高性能混凝土拌和物配制的目标,32/70,第一章 绪论,第四节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化,33/70,与强度的相关性；灰水比一经确定，不能随意变动。,可塑状态混凝土总体积为水、胶凝材料、砂、石的密实体积之和。,在灰水比固定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小用水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定的、经济的混凝土。,为降低混凝土的温升、提供混凝土抗环境因素侵蚀的能力，在满足混凝土早期强度要求的前提下
10、，应尽可能减少胶凝材料中的水泥用量。,一、混凝土配合比法则（吴中伟1955提出的，高性能混凝土仍然适用）,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,34/70,二、配制强度,按下式确定试配强度 fcu,o fcu,k+3 式中：fcu,o混凝土试配强度（MPa）fcu,k设计强度标准值（MPa）标准差（商品混凝土搅拌站=4.5 MPa）,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,35/70,三、配合比参数的选择,高性能混凝土中由于掺入了高效减水剂和活性矿物掺合料，使得用于描述其强度与水胶比之间关系的强度公式成为一个技术关键。,在北美，普遍采用Abrams水灰比定理。对纯水泥混凝土，水灰比与强度之间的反比关
11、系以下式表示：,f混凝土的抗压强度；X水灰比（体积比）；K1，K2实验参数，其大小取决于除水灰比之外的其它因素，如原材料性能，实验龄期以及所采用的度量单位等,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,36/70,Abrams公式描述了在混凝土原材料，特别是水泥确定的条件下混凝土强度与其水灰比之间的关系。对不同的原材料，将存在不同的K1、K2值。当部分水泥被掺合料取代后，Abrams公式同样适用，只不过需将公式中的水灰比改为水胶比，这一推广的前提条件是胶结料的组成比例固定不变。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,37/70,法国F.de.Larrard等将Feret公式进行推广，得到如下的混凝土强度
12、公式：,式中f28c混凝土28天圆柱体特征抗压强度；KG 集料类型决定的系数；RC 水泥强度，即由份砂、份水泥、半份水(重量比)制成的砂浆的28天强度；A 每方混凝土中引入的空气体积(升)；(0.5)火山灰性系数；K2=0.2LF/C(0.07)填充料活性系数；W，C，PFA，SF，LF和BFS分别为混凝土中水，水泥，粉煤灰，硅粉，石灰石微填料和矿渣的含量。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,推广后的Feret式假定等量的矿渣和水泥将具有同样的28天强度效应，实际上，这种假设在大多数情况下是不合适的，即BSF前面的系数不为，甚至为一变量，其大小与所用矿渣、水泥的性质以及矿渣的掺量有关。,38
13、/70,澳大利亚Ken W.Day在他的混凝土配比设计系统中采用如下强度公式：,式中 混凝土的含气量（%）,当混凝土强度，水泥用量在一定范围内(一般小于550kg/m3)时采用第一表达式，而在此范围之外时，采用第二表达式，这主要是由于混凝土强度并不随水泥用量的增大而无限制地提高。当水泥种类改变时，他采用强度修正系数以考虑强度的变化。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,当掺入活性矿物掺合料时，他采用“等效水泥用量(Ceq)”以取代上述表达式中的C：式中 Ceq等效水泥用量；C实际水泥用量；C1等掺合料的用量；K1等由实验得到的系数，一般地，对粉煤灰为0.9-1.2；对矿渣为0.9-1.2；对硅
14、粉为3-4。实际上，对某种确定的掺合料，K1等系数不仅随掺合料的性质而变化，而且随掺合料用量，混凝土龄期等的变化而变化。,39/70,为和我国的技术规定JGS55相衔接，欧阳东采用Bolomey公式来发展含掺合料因素的强度公式。从水泥组成的观点来看，混凝土的掺合料可视作水泥的组成部分水泥混合材。这样六组分的混凝土系统可视作五组分的混凝土系统，其中水泥组分由原来的纯水泥(C)转换为另一种水泥B(B=C+M)，在这种情形下，Bolomey强度公式对此系统适用，此时Bolomey强度公式：,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,40/70,（x）数据最好的取得途径则是：在掺合料成为规格化的商品之后，（
15、x）（按不同水泥类别分别测试）作为最重要的参数之一，由掺合料的制造商提供。,式中（x）称之为掺合料强度效应函数，x是掺合料的掺量。当配制混凝土的水泥品种稳定，水灰比变化不大时，（x）主要与掺合料的品种、质量和掺量有关，当对于某一特定的掺合料，（x）是掺量(x)的函数，此时，积累的（x）数据可以长期使用，也可以与使用同类型水泥、掺合料的其他人共享。,水胶比宜0.38,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,41/70,基本参数,单方混凝土用水量宜175 kg/m3。胶凝材料总量宜为300 kg/m3550 kg/m3，其中矿物微细粉用量宜胶凝材料总量的30%。砂率宜为37%44%。高效减水剂掺量根据
16、坍落度要求而定。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,42/70,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,43/70,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,44/70,第一章 绪论,第四节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化,45/70,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,46/70,1.美国混凝土协会（ACI）的方法,211委员会制订的“使用粉煤灰和硅酸盐水泥的HPC设计指南”，指出了一种掺粉煤灰的HPC混凝土配合比设计和优化的方法。此法适用于抗压强度在41-83MPa之间的普通容重
17、非引气混凝土，主要是采用一系列不同胶凝材料比例和用量进行试拌，从而得到最佳配合比。其步骤如下：a、坍落度和混凝土强度的选择；b、选择集料最大粒径；c、选择最佳集料用量；d、估算拌合水用量；e、选择水胶比；f、计算胶凝材料用量；g、计算基准拌合物配合比；h、计算掺粉煤灰的拌合物配合比；i、试拌调整及选择最佳配合比,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,47/70,2.法国路桥中心实验室(LCPC)提出的方法,法国路桥中心对高强混凝土的研究是走在世界前沿上的。其提出的配比设计方法基于三个主要假设：a、对合定的原材料，混凝土强度主要取决于胶结浆体的特性，且可用广义Feret公式描述混凝土强度与水灰比、
18、用水量、水泥用量、掺合料用量、水泥强度以及集料类型等因素之间的关系；b、当混凝土的集料组成固定时，其工作性取决于两个因素：一是胶结浆体的体积；二是胶结浆体的流动性；c、当满足强度和工作性时，需要胶结浆体时少时的砂率称为最优砂率，当换成另一种等体积、等粘度的浆体后，该最优砂率保持不变。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,48/70,该配比设计方法的主要思想是：在模型材料上进行大量的实验，即用胶结浆体进行流变试验，用砂浆进行力学试验。这样可避免用直接的的方法优化高强混凝土配比参数时所需进行的大量试配工作。,LCPC还开发了高强、高性能混凝土配合比设计的计算机辅助软件。引入数学模型和计算机大大减少
19、配合比设计所需的实验次数并节约了时间。其思想是建立若干个数学模型，各自表述某种工程性能和混凝土组成的关系，然后将这些模型组合起来。他们编制了一套BETONLAB软件作为一个“电子实验室”，可较好地预测给定要求（包括经济性）的最佳配合比。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,49/70,3.P.L.J.Domone等提出的方法,英国的P.L.J.Domone等提出的方法基于最大密实度理论。最大密实度理论的出发点是混凝土的集料占据的相对体积应尽可能地多，集料颗粒之间的空隙由胶结浆体填充，水胶比是根据混凝土的设计强度确定的。但是如果胶结浆体仅填满集料间的空隙，那么混凝土拌合物将不具备可工作性。为配出
20、具有一定工作性的混凝土拌合物，需要加大胶结浆体的数量，增加的胶结浆体提供了集料颗粒之间的润滑作用，从而使拌合物具有可工作性。另外，实际的最佳砂率还要考虑细集料的颗粒的表面积效应，即实际的最佳砂率要小于集料颗粒堆积最密实时的砂率。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,50/70,该方法的主要步骤如下：a、根据混凝土的28天强度与水胶比关系选择混凝土的水胶比。这一关系建立在以往的许多试验结果基础上。b、选择高效减水剂的掺量。高效减水剂的掺量随混凝土水胶比的减少而增大。c、利用专门设计的仪器量测不同砂率下集料颗粒堆积物的空隙含量，找到空隙率最小时的砂率。d、试验研究集料堆积物的空隙含量与其表面积的综
21、合效应。分两部分内容：一是研究多余浆体数量与拌合物坍落度之间的关系；二是研究集料表面积对所需的多余浆体的影响。e、确定最优砂率。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,51/70,4.P.K.Mehta的半经验半试验性方法,美国的P.K.Mehta提出的配比设计方法是一种半经验半试验性的方法。,其基本要点是：1对适当的粗集料，为得到高的体积稳定性，胶结浆体与集料的体积分别占35%和65%为宜；2根据混凝土强度等级确定用水量；3混凝土的胶结料组成有三种选择：a、纯水泥；b、水泥+矿渣(或粉煤灰)，体积比为75：25；c、水泥+粉煤灰+硅粉，体积比为75：15：10；4高效减水剂的掺量可取1%；5混
22、凝土的粗细集料体积比对强度等级A可取3：2，对强度等级B-E可适当增大,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,52/70,由于一些参数是经验性的，所以初次设计的配合比仅仅作为一个参考，还需使用实际的原材料进行实验室试配，再根据所要求的工作性和强度调整配合比。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,53/70,配合比设计路线（1）浆集比 固定浆集体积比35：65可以很好地解决强度、工作性和尺寸稳定性之间的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。对于加入超塑化剂的混凝土需进行强力搅拌，因此在不掺引气剂时，混凝土中一般也含有2%的空气。因抗冻性要求而使用引气剂时，含气量设定为56%。在浆体中要扣除这部分空气体积
23、。（2）用水量 对于传统混凝土，用水量的选择取决于混凝土的坍落度和石子最大粒径。而高性能混凝土的石子最大粒径为2025mm，变化范围很小；坍落度为200250mm,变化范围也很小，而且可以通过外加剂掺量来控制。因此，用水量的选择不必考虑上述这两个因素，而应根据强度来选择。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,54/70,（3）矿物细掺料硅酸盐水泥。用占总胶结料体积约25%的优质粉煤灰和磨细矿渣等量取代水泥。用占总胶结料体积约10%的硅灰和15%的优质粉煤灰混合等量取代水泥。（4）减水剂 减水剂应通过试验，根据与水泥的相容性，在萘系和三聚氰胺系的超塑化剂中选择。建议第一盘试配用1%。在生产时，往
24、往先加入总量的2/3或3/4，到现场再加入其余部分。（5）砂率 砂率取决于粗集料的级配和粒形。高性能混凝土的浆体数量较大，第一盘试配料中粗细集料的比例以3：2为宜，即砂率为40%。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,55/70,2、配合比设计步骤（1）估计拌和水用量 根据强度等级的要求，估计拌和水用量。（2）计算浆体体积组成 用浆体体积0.35m3,减去上一步骤估计的用水量和0.02m3空气含量，按细掺料的三种情况计算浆体体积组成，如表4-4所示。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,56/70,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,57/70,（3）估计集料用量 集料总量为0.65m3,强度
25、等级A的第一盘配料粗、细集料用量体积分别为 0.26m3和0.39m3。其他强度等级随着强度的提高用水量减小而塑化剂掺量加大，粗、细集料用量体积比可稍减小：强度等级B为1.95:3.05,强度等级C为1.90:3.10,强度等级D为1.85:3.15,强度等级E为1.80:3.20（4）计算混凝土中各材料用量 通常所用原材料的密度为：硅酸盐水泥3.14g/cm3,C级粉煤灰（即CaO含量小于5%的低钙灰）或磨细矿渣2.5g/cm3;凝聚硅灰2.1g/cm3;天然砂2.65g/cm3;普通碎石2.70g/cm3。表5-5为第一盘试配料配合比实例。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,58/70,
26、确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,59/70,（5）试配和调整 以上方法中有很多假设，因此必须用现场使用的原材料经多次试配，逐渐调整。坍落度主要用超塑化剂掺量来调整。增加超塑化剂掺量可能引起拌和物离析、泌水和缓凝。此时可增加砂率和减小砂的细度模量来克服离析、泌水现象。3、现场和试验室配合比验证 由于我国地域辽阔，工程材料使用量大，原材料质量难于稳定。例如，相同标号的南方和北方水泥的性质由于受水泥生产原料和工艺的影响而区别较大；高效减水剂市场较乱，性能不够理想；砂石生产的质量不规范等等，因此目前使用很低用水量的困难还很大。,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,60/70,配合比基本步骤1、确定
27、基本满足强度和耐久性要求的初步配合比2、在实验室实配、检测、进行工作性调整确定混凝土基准配合比。3、通过对水灰比的微调，确定水泥用量最少但强度能满足要求的实验室配合比。（设计配合比）4、考虑砂石的含水率计算施工配合比（实际配合比）,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,61/70,水灰比（mw/mc）、单位用水量（mw）和砂率（s）是混凝土配合比设计的三个基本参数。,凝胶材料,水,砂,石子,水泥浆,骨料,混凝土,单位用水量mw,砂率w,水灰比 mw/mc,与强度、耐久性有关,与流动性有关,与粘聚性、保水性有关,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,62/70,由这些设计方法看出，HPC配比设计是一
28、个复杂的过程，没有统一的条条框框。选择合适的原材料，优化配比参数，或是根据合理的性能配比参数关系模型，有目的地进行少量的试配，然后由试配结果使关系模型中的参数具体化，便是高性能混凝土配比设计的合理途径。,现在配比设计的一个趋势,混凝土安全性专家系统,确定高性能混凝土拌和物配合比的方法,63/70,第一章 绪论,第四节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化,64/70,高性能混凝土配合比设计的计算机化,65/70,（1）高性能混凝土配合比设计应根据混凝土结构工程要求，保证施工要求的工
29、作性、结构混凝土强度与耐久性。（2）耐久性设计应以混凝土结构在使用环境中的劣化外力作用下，在设计使用年限内劣化不超过容许劣化状态为目标。（3）对混凝土结构作用的劣化外力有一般劣化外力和特殊劣化外力。温度、湿度、太阳辐射热以及混凝土中性化等，为一般劣化外力，是混凝土结构耐久性设计中必须考虑的。盐害、冻害以及酸性土壤，腐蚀性物质等对混凝土结构的作用，为特殊劣化外力，按混凝土结构所处环境条件而定。,总原则：,高性能混凝土配合比设计的计算机化,66/70,抗碳化耐久性能设计,为确保混凝土抗碳化耐久性能，水胶比宜按下式确定：(2)式中：水胶比（%）C钢筋砼的保护层厚度（cm）（室内的保护层厚度=室外保护
30、层厚度+2cm）劣化外力区分系数，室外为1.0，室内为1.7t设计使用年限（年）,高性能混凝土配合比设计的计算机化,67/70,抗冻害耐久性设计,（1）根据冻害设计劣化外力的强弱，冻害地域可分成准冻害地区、一般冻害地区、重冻害地区。据此规定水灰比的最大值如表-1。,表-1 不同冻害地区混凝土水灰比最大值,高性能混凝土配合比设计的计算机化,68/70,式中：N混凝土试件冻融试验至相对动弹性模量60%时的冻融循环次数，根据所处环境条件而定；P经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量；Km耐久性系数。一般为0.60.8，根据所处环境条件选择。,高性能混凝土配合比设计的计算机化,（2）高性能混凝土抗冻性能
31、测定按GB水泥混凝土抗冻性试验方法（快冻法）进行。根据混凝土结构所处环境、经受冻融循环次数来确定。耐久性指数与抗冻性关系按下式确定：,69/70,(3)受海水作用海港工程混凝土，抗冻性能的测定，以浓度为5.0%的氯化钠溶液代替水，按GB水泥混凝土抗冻性试验方法（快冻法）进行。耐久性指数与抗冻性关系按下式确定：式中：N混凝土试件冻融试验至相对动弹性模量60%时的冻融循环次数，应根据工程所处环境条件而定；P经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量；KmCl在盐水中冻融的耐久性系数，一般为0.60.8，根据所处环境条件选择。,高性能混凝土配合比设计的计算机化,70/70,Thank You,We are with you from start to finish,
