高性能混凝土.ppt

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高性能混凝土,胡长明教授,西安建筑科技大学,高性能混凝土（HPC）是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。

它以耐久性作为设计的主要指标,针对不同用途要求,对下列性能重点予以保证:

耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。

高性能混凝土在配置上的特点:

低水胶比;优质原材料;掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂;作用：

使其强度大幅度提高,界面结构改善,抗渗性和耐久性明显提高。

HPC的定义,美国战略公路研究项目（SHRP）的定义:

W/C不大于0.35;300次冻融循环后相对动弹模量80%;浇注4h后强度达21MPa;24h不小于34MPa;28d不小于67MPa;强调混凝土的早强性能和高耐久性。

日本多数学者和工业界强调HPC是高强、超高强与高流态混凝土,认为高性能首先必须具有高强度。

冯乃谦教授对HPC的定义为:

W/C不大于0.38,体积稳定性好的混凝土,其组成材料中必须含有高效减水剂和矿物质超细粉,混凝土56d的ASTMC1202,6h总导电量小于1000C,冻害地区冻融300次相对动弹模量不小于80%,抗压强度不小于60MPa,并具有满足施工要求的流动性和坍落度损失。

吴中伟院士谈HPC,与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：

1）高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力,但不一定具有高强度,中、低强度亦可；,2）高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物应具有较高的流动性,混凝土在成型过程中不分层、不离析;易充满模型;泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能；,3）高性能混凝土的使用寿命长，对于一些特护工程的特殊部位，控制结构设计的不是混凝土的强度，而是耐久性。

能够使混凝土结构安全可靠地工作50100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的；,4）高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。

高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土,能最大限度地延长混凝土结构的使用年限,降低工程造价。

HPC的发展及应用,20世纪90年代,美国、加拿大、日本、挪威、德国、澳大利亚等,成为应用高强高性能混凝土最多的国家；德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级,强度等级为当今世界之最；挪威为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范,已有C105级超高强混凝土结构设计规范。

1993年美国联邦公路管理局发起了在全国公路桥梁建设中推广应用HPC的计划；芝加哥311大厦采用了C95的HPC；西雅图的双联大厦的混凝土强度等级为C130。

20世纪70年代起我国开始发展高强与高流动混凝土；1980年采用的高坍落度高强混凝土建成红水河铁路斜拉桥的预应力混凝土箱梁；1991年我国最早应用HPC建造广东国贸大厦,采用C60的粉煤灰泵送HPC。

国内HPC的研究,西南交大用52.5号硅酸盐水泥掺入硅灰及高效减水剂制成了100.1MPa的超高强混凝土；清华大学冯乃谦教授用中热52.5号硅酸盐水泥加硅灰及高效减水剂FDN,并加入CFA（控制坍落度损失）,制得28天强度92.4MPa、坍落度20cm、2h无坍落度损失的超高强流态混凝土;,湖南大学黄政宇教授通过掺硅灰、高效减水剂和钢纤维并加热养护的技术途径配制了抗压强度高达200MPa的超高强钢纤维混凝土;重庆大学蒲心诚教授用碱矿渣技术路线制成了28d抗压强度为117MPa的超高强混凝土,后又采用“普通52.5号水泥+超高效萘系减水剂+硅灰+低水灰比”的技术路线制得坍落度240mm以上,28d抗压强度100MPa以上的超高性能混凝土;目前,用类似的技术路线已经制得抗压强度150MPa以上的混凝土。

湖南大学黄政宇教授通过掺硅灰、高效减水剂和钢纤维并加热养护的技术途径配制了抗压强度高达200MPa的超高强钢纤维混凝土;重庆建筑大学蒲心诚教授用碱矿渣技术路线制成了28天抗压强度为117MPa的超高强混凝土,后又采用“普通525号水泥+超高效萘系减水剂+硅灰+低水灰比”的技术路线制得坍落度240mm以上,28天抗压强度100MPa以上的超高性能混凝土,目前,用类似的技术路线已经制得抗压强度150MPa以上的混凝土。

HPC的性能及特点,HPC耐久性,混凝土的耐久性破坏主要有:

混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、碱-骨料反应、冻融破坏。

对于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC可以保证重要建筑在不利环境中使用100年，在正常环境使用200年，在特殊环境使用300年，而混凝土建筑的使用寿命可以预期达到500年。

HPC工作性,坍落度是评价混凝土工作性的主要指标,反应混凝土拌和物在重力作用下的流动和变形能力。

HPC的坍落度控制功能好,但由于加入了减水剂和矿物质超细粉,在与普通混凝土在坍落度相同的情况下,粘度较大,使其在泵送中需施加更大的压力。

HPC粘性大,粗骨料下沉速度慢,在相同振动时间内,下沉距离短,稳定性和均匀性好。

同时,由于HPC的水灰比低,自由水少,且掺入超细粉,基本上无泌水,其水泥浆的粘性大,很少产生离析的现象。

HPC力学性能,混凝土的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、疲劳强度、粘结强度。

HPC对力学性能的要求不仅体现在高强度上,还体现在高强度质量上,即要求强度的分散性小,后期的强度增长稳定。

HPC体积稳定性,混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理、化学作用下产生变形的能力。

混凝土的体积变形包括收缩变形、弹性变形、徐变变形和温度变形。

HPC的干缩随着水灰比的增大而略有增大,混凝土在使用过程中会发生徐变,HPC的徐变较普通混凝土明显减低,并随强度的提高,最终单位徐变减小。

HPC经济性,HPC较高的强度、良好的耐久性和工艺性都使其具有良好的经济性。

HPC良好的耐久性可以减少结构的维修费用,延长结构的使用寿命,收到良好的经济效益；HPC的高强度可以减少构件尺寸,减小自重,增加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人强度,加快施工速度,减少成本。

提高混凝土耐久性的技术途径,一、掺入高性能减水剂作用：

保证混凝土拌和物所需流动性的同时，降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙,特别是毛细管孔隙率大幅度降低。

二、掺入高效活性矿物掺料,在普通混凝土中掺入活性矿物的目的,在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。

活性矿物掺料（矽灰、矿渣、粉煤灰等）中含有大量活性及活性,它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应,生成强度更高,稳定性更优的低碱性水化矽酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离石灰的目的。

主要解决的工程难题,钢筋密集、混凝土浇筑困难受力复杂或承担内力较大的构件,配筋很密,混凝土浇筑非常困难,通过采用高流态的高性能混凝土,能保证顺利施工和工程质量。

耐磨性要求较高，高等级混凝土结构路面要求较高的耐磨性能,通过配合比优化设计,可以得到耐磨性能较好的高性能混凝土,提高混凝土路面的抗磨损性能。

耐久性要求较高,具有优良耐久性能的高性能混凝土,用于建造码头、船坞、防波堤、采油平台等港口和海洋工程,可大大提高工程结构的耐腐蚀能力和抵抗海浪冲刷的能力。

提高承载力随着建筑结构高度的增加,底层受压构件的压力迅速增大,如采用传统混凝土,则构件截面尺寸增大,影响底层的空间要求和使用功能。

采用高性能混凝土,在保证构件承载力的基础上能有效减小截面尺寸,满足高层和超高层建筑的需求。

泵送高度大。

目前,混凝土的泵送施工非常普遍。

对超高层建筑结构,泵送高度大,对混凝土的工作性要求较高。

采用工作性能优异的高性能混凝土,可使混凝土的一次泵送高度达到300m以上,从而大大降低施工难度。

混凝土技术重大突破的前提,一、新型高效减水剂的发明与应用二、矿物超细粉的回收、加工与应用三、纤维材料的发展利应用四、新型水泥基材料的发明,MDF水泥基材料,MDF即无宏观缺陷水泥材料,由Birchall提出,并于1979年由英国化学工业公司和牛津大学共同研究。

MDF由下列材料组成：

高强度等级硅酸盐水泥或铝酸盐水泥（9099）水溶性树脂（47）,水灰比20。

缺陷：

无流动性,成型困难,耐水性差,收缩大,至今仍未实用化。

DSP水泥基材料,DSP即超细粒子密实填充水泥基材料,由Bache详细阐述。

该项专利是在瑞典、挪威、冰岛等国家对硅粉开发与应用的基础上发展起来。

DSP模式,DSP的基本组成是水泥、硅粉和聚羧酸高性能减水剂。

工程应用,广州国际金融中心工程,该工程高度为435m,大量使用了C70、C80、C90HPC,并研发C100UHPC,实现超高泵送高度411m。

上海环球金融中心主楼设计采用了周边剪力墙、交叉剪力墙和翼墙组成传力体系，为了抵抗来自风和地震的侧向荷载,采用了巨型柱、巨型斜撑等构成的巨型结构,此外巨型柱截面及空间位置变化较复杂,采用了多种强度等级的混凝土。

剪力墙C60混凝土的配合比设计分析,超高层建筑依据以往的经验1OOm高度以上泵送时,施工坍落度一般在18cm以上。

为确保泵送过程中混凝土的可泵性,混凝土配合比设计时应使混凝土有足够的含浆量。

针对主楼结构混凝土强度等级及泵送高度将泵送高度分为3个区间,131F剪力墙C60混凝土配合比,3267F剪力墙C60混凝土配合比,6769F斜撑C40混凝土配合比,80F以上巨型柱C40混凝土配合比,泵送混凝土匀质性控制的方法,一、坍落形态的辨别,混凝土的坍落度和扩展度关系,混凝土的坍落度和扩展度关系,（a）、（b）表示不同坍落度大小的混凝土拌合物向四周均匀陷落,混凝土的流动性与黏聚性达到统一;图（c）则表示混凝土拌合物向两侧流动,中间部分残留骨料,混凝土离析;图（d）则表示混凝土拌合物全部陷落,浆体不能包裹骨料,混凝土离析严重。

较理想的形态应该是（a）与（b）。

外加剂使用量与坍落度、扩展度关系,外加剂使用量与坍落度、扩展度关系,图（a）、（b）随着高性能外加剂使用量的增加,坍落度和扩展度同时增大如,此时混凝土拌合物的坍落度和扩展度呈同步趋势,并接近平行线状态;图（c）则表示尽管扩展度有所增加但坍落度基本不变或变化较小;图（d）随着高性能外加剂使用量的增加坍落度和扩展度同时急剧增大,两条直线的斜率变大。

二、可泵性的量化,泵送高度在30-60m时,坍落度在10-16cm之间;泵送高度在60-10Om时,坍落度在16-18cm之间;泵送高度在10Om以上时,坍落度在18-23cm之间。

所需的最大泵送压力可以通过下式简化计算,Pmax=10WH+P*L,Pmax一最大泵送压力：

W混凝土单位体积质量，取2400kgm3;H泵送高度，根据主楼高度取500m;P每m压力损失在此取0.015MPa;L输送管的水平换算长度;,三、最小水泥用量的控制,我国规定泵送混凝土的最小水泥用量为300kgm3,近年来外掺料的推广应用替代了一部分水泥,最小水泥用量有所下降,但限于目前技术水平外掺料还不能完全替代水泥,因此根据不同泵送高度规定混凝土的最小水泥用量是很有必要的。

金茂大厦座落在浦东陆家嘴路隧道出口处,是一幢“古塔”形的摩天大楼,楼高420.5m,整体结构分地下、地上二个部分：

主楼基础底板为1.35万m3C50高强大体积混凝土。

主楼有88层,其中核心筒、巨型柱、楼面三部分由钢筋混凝土组成,其强度等级随高度上升由C60过渡到C50,直至C40。

塔尖高420.5m,预拌混凝土采用普茨曼固定泵,从地面一次泵送到顶,最高泵送高度为382.5m。

金茂大厦混凝土强度等级、楼层及泵送高度分布情况见表,主要技术措施,一、优化混凝土配合比。

首先优选原材料,其次通过3种不同外加剂、3种不同水泥及其不同用量的各种配合比组合,经过反复试验比较,取优化后的混凝土配合比为：

水水泥中砂540mm碎石级粉煤灰EA-2（缓）=0.4511.492.500.1670.008（每m3混凝土水泥用量为420kg）。

二、外蓄内散综合养护措施。

厚度为4m的C50混凝土基础承台,如何减少温度应力和控制混凝土裂缝至关重要,除了优化混凝土配合比、降低混凝土水化热,混凝土输送管道全程覆盖洒冷水,以减少混凝土在泵送过程中吸收太阳的辐射热,最大限度地降低混凝土入模温度以及在承台表面增设钢筋网以控制表面收缩裂缝等措施外,还采用外蓄内散法的综合养护措施。

三、信息化自控技术。

为了掌握基础承台内部混凝土实际温度变化,了解冷却水的进、出水温,将温度传感器预先埋设在混凝土的内外各测点处,并用“大体积混凝土温度微机自动测试仪”对各测点定时进行即时测温。

HPC存在的问题,一、混凝土流动性损失问题控制。

混凝土流动性损失问题主要是由高效减水剂与水泥之间的相容性不好造成。

解决的办法保持减水剂在混凝土的水泥浆体中具有一定的残余浓度,包括物理和化学两种途径。

物理途径包括减水剂的后掺法、多次添加法、矿物载体缓慢释放方法等,但在工程应用过程中不太方便,影响混凝土的质量;化学途径较多,复合缓凝剂在一定程度上可以减缓混凝土流动性损失,防止混凝土凝结过快,但也可能造成混凝土过度缓凝,影响水泥水化等问题。

目前高性能减水剂控制坍落度损失的主要成分,包括具有分散性保持性的成分和具有分散性保持特点的分散性成分,通过复合或合成的高性能减水剂,可以较好地控制混凝土坍落度损失,对混凝土硬化影响较小。

二、混凝土早期裂缝问题。

高性能混凝土,尤其是高强度的高性能混凝土,混凝土早期收缩较大,易造成混凝土的早期开裂,使渗透性降低,严重危害混凝土的耐久性。

有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂纹产生的主要途径包括：

降低混凝土的单方用水量；增加矿物超细粉用量,减小水泥胶凝材料用量;混凝土中引入微小气孔,减小混凝土总收缩值；混凝土中掺入纤维,避免连通毛细孔的形成；加强混凝土的早期湿养护。

三、脆性较为严重,严重影响在建筑工程中的应用。

解决办法：

在RPC中掺入钢纤维或用钢管对RPC施加侧向约束,可使RPC的极限应变达到普通混凝土的23倍,有效地解决了高强混凝土脆性严重的问题,尤其是钢管约束的方法,必要时还可以施加沿钢管轴线方向的预应力,不仅效果好,而且价格低廉,非常适合在工程实践中推广应用。