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1、高性能混凝土与高强混凝土,高性与高强混凝土的概念高性与高强混凝土的区别高性能混凝土的配制高强混凝土的配制高性能与高强混凝土的缺陷及改进方法高性能混凝土的发展方向结束语,小组成员：胡建荣门琮方娟卢文亮阮宗波,高性能混凝土与高强混凝土的概念 一高性能混凝土1990年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土协会(ACI)首先提出高性能混凝土这个名词，认为高性能混凝土是同时具有某些性能的均质混凝土，必须采用严格的施工工艺与优质原材料，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高，并具有韧性和体积稳定性的混凝土；特别适合于高层建筑、桥梁以及暴露在严格环境下的建筑物。二 高强混凝土一般认为
2、，强度等级不低于C60的混凝土即为高强混凝土。由于这类混凝土有别于C60以下的普通混凝土，其原材料选择和施工质量控制更为严格，而且受压破坏表现出更大脆性，因而在结构计算和构造方法上与普通混凝土也有所差别。通常还将强度大于C60的混凝土称为超高强混凝土。,高性与高强的区别,把高强混凝土混同于高性能混凝土，不仅仅是定义上的问题，值得探讨的是：(1)高强混凝土必然具有良好的耐久性。(2)高性能混凝土必需具有高强度。美国教授早在1990年就提出：“把高强混凝土假定为高性能混凝土，严格地说，这种假定是错误的。”我国已故的吴中伟院士也在1996年提出：“有人认为混凝土高强度必然是高耐久性，这是不全面的，因
3、为高强混凝土会带来一些不利于耐久性的因素高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：“单纯的高强度不一定具有高性能。如果强调高性能混凝土必须在C50以上，大量处于严酷环境中的海工、水工建筑对混凝土强度要求并不高(C30左右)，但对耐久性要求却很高，而高性能混凝土恰能满足此要求。美国学者VirendraK.Varma最近也撰文认为，应该把高性能混凝土与高强混凝土有所区分。从材料的”性能“的含义而论，既包括力学性能的概念，也还包括了一些非力学性能的概念，如高填充性、不离析、抗渗性、抗侵蚀性、体积稳定性等等。因此，混凝土的技术进步不能以高强为目标，而应是高性能，单纯以高抗
4、压强度来表征混凝土的高性能是不确切的。而高性能混凝土应根据工程建筑的要求来确定，包括不同强率等级的高性能混凝土，如普通强度的高性能混凝土、高强高性能混凝土。,高性能混凝土是21世纪的混凝土，是近期混凝土技术的主要发展方向。高性能混凝土具有很丰富的技术内容，其核心是保证耐久性。(1)混凝土工程耐久性不足的後果 混凝土工程因其工程量浩大，将会因耐久性不足对未来社会造成极爲沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约爲6万亿美元，每年所需维修费或重建费约爲3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混
5、凝土水坝3,000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修。目前，我国的基础设施建设工程规模宏大，每年高达万亿元人民币以上，约30-50年後，这些工程也将进入维修期，所需的维修费或重建费将更爲巨大。作爲21世纪的高性能混凝土，更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。(2)影响混凝土耐久性的主要因素 一般混凝土工程的使用年限约爲50-100年，不少工程在使用10-20年後，有的甚至使用9年以後，即需要维修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性(超耐久)要求的根本原因，在於混凝土本身的内部结构。首先，爲满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的孔隙率
6、很高，约占水泥石总体积的25%-40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足。其次，水泥石中的水化物稳定性不足。波特兰水泥水化後的主要化合物是硷度较高的高硷性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在水化物中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低，稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。,(3)提高混凝土耐久性的技术途径 如前分析，要提高混凝土的耐久性，必须降低混凝土的孔隙率，特别是毛细管孔隙率，最主要的方法是降
7、低混凝土的拌和用水量。但是如果纯粹的降低用水量，混凝土的工作性将随之降低，又会导致捣实成型工作困难，同样造成混凝土结构不致密，甚至出现蜂窝等宏观缺陷，不但混凝土强度降低，而且混凝土的耐久性也同时降低。目前减少孔隙率的途径往往是掺入高效减水剂。a.掺入高效减水剂b.掺入高效活性矿物掺料c.消除混凝土自身的结构破坏因素d.保证混凝土的强度(4)结论 高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物集料和高效减水剂，减少水泥用量，减少混凝土内部孔隙率，减少体积收缩，提高强度，提高耐久性。混凝土工程的超耐久化，并不意味混凝土成本一定增加，甚至还可能导致成
8、本的降低。例如，应用耐久性高的高性能混凝土，由於强度提高，结构造价降低；又如掺入粉煤灰等工业废料取代部分水泥，可以降低混凝土材料成本。,高强混凝土的配制一原材料1.水泥因选用质量稳定 强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。2.骨料细骨料的细度模数宜大于2.6，含泥量不应大于2.0%，泥块含量不应大于0.5%，其他质量指标应符合现行行业标准普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法的规定。对强度等级为C60级的混凝土，其粗骨料的最大粒径不应大于31.5 mm，对强度等级高于C60级的混凝土，其粗骨料的最大粒径不应大于25 mm；针片状含量不宜大于5.0%，含泥量不应大于0.5%，泥块
9、含量不宜大于0.2%，其它质量指标应符合现行行业标准普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法的规定。3.高效减水剂 高效减水剂减水效果显著，可降低水灰比，并大为改善工作性。但是在选用减水剂时必须注意与水泥的适应性问题。4.活性掺合料活性掺合料主要有粒化高炉矿渣 粉煤灰 硅灰等。这些活性掺合料的掺入与水泥的水化产物发生二次水化反应生成具有水硬性的胶凝物质，填充在水泥石以及过渡区的空隙内，起到强化过渡区 改善水泥石结构 提高密实度的作用。二配合比设计高强度混凝土配合比的计算方法和步骤详见指南混凝土配制强度的确定,3高性能与高强混凝土在性能上尚存在的问题及其改善的途径配制高性能混凝土的特点是低水胶比
10、并掺有足够数量的矿物细掺合料和高效减水剂，从而使混凝土具有综合的优异的技术特性，但由此也产生了两个值得重视的性能缺陷：（1）自干燥引起的自收缩近年来，国外许多学者发现高强混凝土、高性能混凝土存在早期收缩开裂的问题。其原因是由于在低水灰比或水胶比并掺入较多的具有相当活性的矿物细掺合料的混凝土中会产生自干燥从而引起混凝土的自收缩，使混凝土内部结构受到损伤而产生微裂缝。此外，较大量的活性矿物细掺合料的掺入，也会使混凝土产生自收缩，特别是硅灰的掺入。其原因主要是由于硅灰具有较高的火山灰活性，而增加了化学减缩。在水泥水化初期生成较高含量的凝胶孔的孔结构体系的水泥石也会产生高度的自干燥而引起较严重的自收缩
11、。再者，由于硅灰的表面积较大、活性强，会导致灰与搅拌水很快结合，加速了水泥石中孔隙空间的缺水与内部相对湿度的降低而增大了自干燥。国内外学者曾提出一些技术措施如：掺入一定量的膨胀剂；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高弹性模量的纤维：选用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸盐水泥等等，对降低混凝土的自收缩都有一定的效果。最近，国外学者提出了采用围水养护即在混凝土浇注后仍处于塑性状态时，尽快地立即进行水雾养护，对减少或防止混凝土的自收缩具有较明显的效果。另一技术措施是在混凝土中加入部分含水饱和的轻集料替代普通集料，含水饱和轻集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土内部供水起内养护作用。但此方法需根据混凝土强度
12、要求而采用。,（2）脆性脆性可以描述为混凝土无法防止的不稳定裂缝的扩展与增长。众多的试验已表明，混凝土的强度愈高，其应力应变曲线过峰值后的下降段曲线愈陡斜，这意味着该混凝土的脆性愈大。因此，高强混凝土的脆性已引起广泛的重视，而高强的高性能混凝土也同样呈较大的脆性。在高强度混凝土中的脆性破坏，其裂缝往往贯穿粗集料。由于高性能混凝土能提高集料与硬性水泥浆体的粘结，即改善了界面过渡区，也使脆性有所增大。中等强度的高性能混凝土，虽然脆性比高强混凝土有所降低，但是其脆性仍然是个问题。混凝土脆性的增大会给工程结构特别是有抗震要求的工程结构带来很大的危害。在高性能混凝土中掺加纤维是一种有效的措施。国外已有学
13、者提出HPFRC（纤维增强高性能混凝土），而且将之与纤维增强传统混凝土和基材（未掺纤维的传统混凝土）进行拉伸应力应变的对比。纤维增强传统混凝土比无纤维增强的基材仅仅是提高了延性，而纤维增强高性能混凝土与无纤维增强的基材相比，在HPFRC的拉伸应力应变曲线中有三个特征是值得重视的：a.弹性极限显著提高了。强性极限反映宏观裂缝出现的起点。b.呈现出有一明显的应变强化段。应变强化段是反映宏观裂缝出现后，裂缝分散数量的增加，但这些裂缝的宽度很小。c.峰值后出现应变软化段。应变软化段反映了裂缝数量虽保持不变，但裂缝宽度增大了，最后导致纤维被拔出或断裂而破坏。因此，纤维增强高性能混凝土不仅大大提高了拉伸应
14、力而且显著改善了高性能混凝土的脆性。,高性能混凝土的发展方向绿色高性能混凝土(1)所使用的水泥必须为绿色水泥;砂石料的开采应该以十分有序且不过分破坏环境为前提。(2)最大限度地节约水泥用量，从而减少水泥生产中的“副产品”-二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等气体，以保护环境。(3)更多地掺加经过加工处理的工业废渣，如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰和稻壳灰等作为活性掺合料，以节约水泥，保护环境，并改善混凝土耐久性。(4)大量应用以工业废液，尤其是黑色纸浆废液为原料改性制造的减水剂，以及在此基础上研制的其它复合外加剂，帮助其它工业消化处理难以处治的液体排放物。(5)集中搅拌混凝土和大力发展预拌商品混凝土，消除
15、现场搅拌混凝土所产生的废料、粉层和废水，并加强对废料和废水的循环使用。(6)发挥HPC的优势，通过提高强度，减小结构截面积或结构体积，减少混凝土用量，从而节约水泥、砂、石的用量；通过改善施工性来减少浇注密实性能，降低噪音；通过大幅度提高混凝土耐久性，延长结构物的使用寿命，进一步节约维修和重建费用，减少对自然资源无节制的使用。(7)对大量拆除废弃的混凝土进行循环利用，发展再生混凝土。,你可以自得，但不应自傲；你可以自守，但不应自卑；你可以自爱，但不应自恋；你可以自伤，但不应自弃。,谢谢观赏,水泥在加水搅拌後，会産生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性
16、。施工中爲了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂後，减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处於相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现，而掺入高效减水剂，完全可以将水灰比降低到0.38以下。普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在於改善混凝土中水泥石
17、的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矽灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO2及活性A12O3，它们能和波特兰水泥水化过程中産生的游离石灰及高硷性水化矽酸钙産生二次反应，生成强度更高，稳定性更优的低硷性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的。有些超细矿物掺料，其平均粒径小於水泥粒子的平均粒径，能填充於水泥粒子之间的空隙中，使水泥石结构更爲致密，并阻断可能形成的渗透路。此外，还能改善集料与水泥石的界面结构和界面区性能。这些重要的作用，对增进混凝土的耐久性及强度都有本质性的贡献。,back,除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结
18、构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化热过性过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱集料反应等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、SO3、C1-等可以引起结构破坏和钢筋蚀物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝産生，提高混凝土的耐久性。尽管强度与耐久性是不同概念，但又密切相关，它们之间的本质联系是基於混凝土的内部结构，都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下，随着水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的强度不断提高，与此同时，随着孔隙率降低，混凝土的抗渗性提高，因而各种耐久性指标也随之提高。在现代的高性能混凝土中，除掺入高效减水剂外，还掺入了活性矿物材料，它们不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除内部破坏因素的条件下，随着混凝土强度的提高，其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。,back,
