高性能砼的研发与应用.docx

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高性能砼的研发与应用

毕业论文

题目：

高性能砼的研发与应用

系部：

建筑工程技术

专业：

建筑工程技术

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2017年04月10日

摘要

随着我国改革开放和经济的高速发展，现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久、安全的使用下去，正日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。

在众多的土木工程建设中，砼的应用面之广，使用次数之多是罕见的。

近些年来，一种较新的砼技术正在快速发展并且使用到诸多工程项目中，那就是高性能砼。

高性能砼具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多特性，被认为是目前全世界性能最为全面的砼，至今已在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程普遍使用。

论文主要介绍高性能砼发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐述高性能砼的特性，列举高性能砼在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。

随着我国经济的长足发展，建筑业向高层化、大型化、现代化的发展，高性能砼必将成为新世纪的重要建筑工程材料。

关键词：

高性能砼，耐久性，体积稳定性

ABSTRACT

Alongwithourcountryreformandopenpolicyandthehigh-speeddevelopmentofeconomy,thespeedingupofthemodernizationprocess,theconstructionscaleisincreasinginourcountry,howtoensurethequalityofconstructionprojectsatthesametimecanalsomaketheprojectcanbeusedforalongtime,safe,isincreasinglywideattentionbythegovernmentsatalllevelsandthesocialfromallwalksoflife.Inmanycivilengineeringconstruction,theconcreteapplicationofthewide,usefrequencyisrare.Inrecentyears,arelativelynewconcretetechnologyisrapiddevelopmentandusedinmanyengineeringprojects,whichisofhighperformanceconcrete.

Highperformanceconcretewithhighdurability,highworkability,highstrengthandhighvolumestabilityandmanyotherfeatures,isconsideredtobetheworldmostcomprehensiveperformanceofconcrete,hasbeeninBridges,high-risebuildings,harborconstructionengineeringsuchaswidelyused.

Papermainlyintroducesthehistoricalbackgroundofthedevelopmentofhighperformanceconcreteandthepresentresearchstatusathomeandabroad,expoundsthecharacteristicsofhighperformanceconcrete,alistofhighperformanceconcreteimportantachievementsinresearchandapplicationathomeandabroad,anditsdevelopmenttrendsareprospected.WiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,theconstructionindustrytothedevelopmentofhigh-level,large-scale,modern,highperformanceconcretewillcertainlybecometheimportantconstructionmaterialofthenewcentury.

Keywords:

highperformanceconcrete,durability,volumestability

目录

前言1

一、高性能砼产生的原因和研究成果2

（一）、原因2

（二）、研究成果和发展方向2

二、高性能砼的性能和应用3

（一）、高性能砼的理念3

（二）、高性能砼的性能3

（三）、高性能砼发展前和应用中的问题3

三、高性能砼的质量与施工中如何控制3

（一）、高性能砼的原材料及选用3

1.1细集料3

1.2粗集料4

1.3细掺合料4

1.4减水剂及缓凝剂4

1.5矿物掺合料4

（二）、配合比与控制要点5

2.1设计理念有较大区别5

2.2胶凝材料使用量及粉煤灰配比5

2.3所含气量要求5

2.4电通量的指标5

（三）、高性能砼的施工控制5

3.1.搅拌6

3.2.运输6

3.3.浇筑6

3.4．振捣6

3.5.养护7

3.6．质量检验控制7

四、高性能砼的特点7

（一）、高耐久性能7

（二）、高工作性能8

（三）、其它性能8

五、环保高性能砼8

（一）、研究和发展环保高性能砼的必要性9

（二）、环保高性能砼的可行性9

（三）、环保高性能砼的发展9

六、高性能砼的发展与前景10

参考文献11

致谢12

前言

砼材料至今已有100多年的历史，以水泥为胶结材的砼也取得了巨大的发展，由普通砼向高性能砼发展。

从上世纪以来，砼就己成为房屋建筑、桥梁、公路等现代工程结构首选材料，砼作为土木工程中最主要的人造材料，其用量非常巨大，随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。

进入21世纪后，随着科学技术的快速发展，各种新型砼涌现出来。

砼能否长期作为最主要的建筑结构材料之一，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能砼是现代砼技术发展的必然结果，是砼的发展趋势。

高性能砼是20世纪80、90年代，一些发达国家基于砼结构耐久性设计提出的一种全新概念的砼，它以耐久性为首要设计指标，这种砼有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。

区别于传统砼，高性能砼由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多特性，被认为是目前全世界性能最为全面的砼，至今已在建设工程中被广泛应用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后砼技术的发展方向。

一高性能砼产生的原因和研究成果

（一）原因

当今大跨度、高建筑层、海洋设施、军事工程结构的发展对砼提出了更高的要求;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后果;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,高性能砼就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。

砼作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。

传统砼的原材料都来自天然资源。

每用1t水泥，大概需要0.6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1.5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。

因此，未来的砼必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的砼必须是高性能的，尤其是耐久的。

耐久和高强都意味着节约资源。

“高性能砼”正是在这种原因下产生的。

（二）研究成果和发展方向

关于砼的过早老化、劣化问题，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善砼材料耐久性为主要目标的“高性能砼”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。

从20世纪80年代开始，各国砼结构设计中逐渐突出耐久性设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。

进入20世纪90后代以后，砼结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。

针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。

目前，高性能砼的发展有以下几个方向：

（1）环保高性能砼

（2）超高性能砼

（3）智能砼

二高性能砼的性能和应用

（一）高性能砼的理念

高性能砼是近些年发展起来的一种新型砼。

西方（欧洲）砼学会和国际预应力砼协会将HPC定义为水胶比低于0.40的砼；在亚洲发达国家（如日本），将高流态的自密实砼（即免振砼）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能砼委员会将HPC定义为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砼。

虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。

比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。

但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。

（二）高性能砼的性能

与普通砼相比，高性能砼具有如下独特的性能：

1.耐久性

2.工作性

3.性能

4.体积稳定性

5.经济性

（三）高性能砼发展前和应用中的问题

在高性能砼的应用过程中也存在问题，在高性能砼的原材料方面，我国水定，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。

在高性能砼的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使HPC的密实性和质量不稳定；在高性能砼的耐久性方面，由于高性能砼微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使砼表面产生裂缝，这对HPC的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，高性能砼的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使砼表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀创造可能；在高性能砼的设计方面，由于高性能砼的后期强度增长不及普通砼，而且脆性大，需要特别注意。

同时，在高性能砼的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际情况相差比较大，这些因素都不利于高性能砼的推广和应用。

三高性能砼的质量与施工中如何控制

（一）高性能砼的原材料及选用

1.1细集料

细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通砼用砂石标准中的规定。

砂的粗细程度对砼强度有明显的影响,一般情况下,砂子越粗,砼的强度越高。

配制C50～C80的砼用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂,对于C80～C100的砼用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。

1.2粗集料

高性能砼必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。

宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石,级配符合规范要求。

由于高性能混凝土要求强度较高,就必须使粗集料具有足够高的强度,一般粗集料强度应为砼强度的115倍～210倍或控制压碎指标值＞10﹪。

最大粒径不应大于25mm,以10mm～20mm为佳,这是因为,较小粒径的粗集料,其内部产生缺陷的几率减小,与砂浆的粘结面积增大,且界面受力较均匀。

另外,粗集料还应注意集料的粒型、级配和岩石种类,一般采取连续级配,其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。

粗集料的线膨胀系数要尽可能小,这样能大大减小温度应力,从而提高砼的体积稳定性。

1.3细掺合料

配制高性能砼时,掺入活性细掺合料可以使水泥充,使硬化后的水泥石强度有所提高。

更重要的是,加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使砼的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。

活性细掺合料是高性能砼必用的组成材料。

在高性能砼中常用的活性细掺合料有硅粉（SF）、磨细矿渣粉（BFS）、粉煤灰（FA）、天然沸石粉（NZ）等。

1.4减水剂及缓凝剂

由于高性能砼具有较高的强度,而且一般砼拌合物的坍落度较大（15～20㎝左右）,在低水胶比（一般＜0.35）一般的情况下,要使砼具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在20﹪以上。

有时为减少砼坍落度的损失,在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。

此外,由于高性能砼水胶比低,水泥颗粒间距小,能进人溶液的离子数量也少,因此减水剂对水泥的适应性表现更为敏感。

因大部分高性能砼施工时采用泵送,故掺减水剂后砼拌合物的坍落度损失不能太快太大,否则影响泵送。

1.5矿物掺合料

（1）粉煤灰,粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细微粉末,又称“飞灰”（FlyAsh）,其颗粒多呈球形,表面光滑。

大量的实践证明:

掺用粉煤灰的砼,其长期性能可得到大幅度的改善,对延长构筑物的使用寿命有重要意义。

粉煤灰在砼中的主要作用包括以下几个方面:

①填充骨料颗粒的空隙并包/kg～20000㎡/kg,主要化学成分为二氧化硅,其含量在90%以上。

在砼中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,结合应用减水剂,可使砼各方面的物理力学性能都得到显著提高,硅粉的适宜掺量为水泥用量的5﹪～10﹪。

（二）配合比与控制要点

2.1设计理念有较大区别

在以往的配合比设计方法中，是按砼的强度等级要求计算水灰比，而现在则是按耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺和料的比例。

由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为C30或C35，一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，砼的强度一般都是超强的。

2.2胶凝材料使用量及粉煤灰配比

在进行配合比参数设计时，为保证砼的耐久性，砼中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以砼，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。

铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。

使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了砼耐久性的需要，特别是可以有效改善砼抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。

国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善砼耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。

2.3所含气量要求

含气量的要求也是高性能砼与普通砼的重要区别之一。

以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高砼的含气量，这是对砼耐久性的规律认识不足的表现。

实际上，砼中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻砼的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高砼材料的均匀性和稳定性。

铁路客运专线规定，即使配制非抗冻砼时，含气量也应不小于2%，并且作为施工质量控制的必检项目之一。

为适当提高砼的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。

2.4电通量的指标

该指标是客运专线对砼耐久性最重要、最具体的指标。

目前我国尚无电通量试验的国家标准，铁路行业电通量试验方法是以西方快速电量测定方法为基础制定的，其所测指标可以最大程度的区分和评价砼的密实度，而密实度正是影响砼耐久性最为关键的因素。

以往多是以抗渗性来评价砼的密实程度，但实践证明，抗渗试验只适合于判定较低强度等级砼的密实性，当强度等级超过C30后，抗渗等级几乎都能达到P20以上，再往下试验比较困难。

这正是用电通量指标取代抗渗标号作为砼耐久性控制的主要原因。

砼的电通量主要取决于水胶比，通过大量试验得到规律，一般水胶比小于0.5时基本可满足电通量小于2000的要求，水胶比小于0.45时基本可满足电通量小于1500的要求。

三、高性能砼的施工控制

3.1.搅拌

砼原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量,称量最大允许偏差应符合下列规定（按重量计）:

胶凝材料（水泥、掺合料等）±1%；外加剂±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。

应采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌砼,采用电子计量系统计量原材料。

搅拌时间不宜少于2min,也不宜超过3min。

炎热季节或寒冷季节搅拌砼时,必须采取有效措施控制原材料温度,以保证砼的入模温度满足规定。

3.2.运输

应采取有效措施，保证砼在运输过程中保持均匀性及各项工作性能指标不发生明显波动。

应对运输设备采取保温隔热措施,防止局部砼温度升高（夏季）或受冻（冬季）。

应采取适当措施防止水分进入运输容器或蒸发。

3.3.浇筑

（1）砼入模前,应采用专施工缝。

（2）新浇砼与邻接的己硬化砼或岩土介质间浇筑时的温差不得大于15℃。

用设备测定混凝土的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能；只有拌合物性能符合设计或配合比要求的砼方可入模浇筑。

砼的入模温度一般宜控制在5～30℃（3）砼浇筑时的自由倾落高度不得大于2m当大于2m时,应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送混凝土,保证砼不出现分层离析现象。

（4）砼的浇筑应采用分层连续推移的方式进行,间隙时间不得超过90min,不得随意留置

3.4．振捣

可采用插入式振动棒、附着式平板振捣器、表面平板振捣器等振捣设备振捣砼。

振捣时应避免碰撞模板、钢筋及预埋件。

采用插入式振捣器振捣砼时,宜采用垂直点振方式振捣。

每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准,一般不宜超过30s,避免过振。

若需变换振捣棒在砼拌合物中的水平位置,应首先竖向缓慢将振捣棒拔出,然后再将振捣棒移至新的位置,不得将振捣棒放在拌合物内平拖。

3.5.养护

高性能砼早期强度增长较快,一般3天达到设计强度的60%,7天达到设计强度的80%,因而,砼早期养护特别重要。

通常在砼浇注完毕后采取以带模养护为主,浇水养护为辅,使砼表面保持湿润。

养护时间不少于半个月。

3.6．质量检验控制

除施工前严格进行原材料质量检查外，在砼施工过程中，应对砼的以下指标进行检查控制：

砼拌合物：

水胶比、坍落度、含气量、入模温度、泌水率、匀质性。

硬化砼：

标准养护试件抗压强度、同条件养护试件抗压强度、抗渗性、电通量等。

四高性能砼的特点

（一）高耐久性能

高性能砼的重要特点是具有高耐久性,而耐久性则取决于抗渗性;抗渗性又与砼中的水泥石密实度和界面结构有关。

由于高性能砼掺加了高效减水剂,其水胶比很低（≤0138）,水泥全部水化后,砼没有多余的毛细水,孔隙细化,最可几孔径很小,总孔隙率低;再者高性能砼中掺加矿物质超细粉后,砼中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构,使其≥100μm的孔含量得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得砼的早期抗裂性能得到了大大的提高。

以上这些措施对于砼的抗冻融、抗中性化、抗碱-集料反应、抗硫酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。

（二）高工作性能

高性能砼具有良好的流变学性能,高流动性,不泌水,不离析,能在正常施工条件下保证砼结构的密实性和均匀性,对于某些结构的特殊部位（如梁柱接头等钢筋密集处）还可采用自流密实成型砼,从而保证该部位的密实性,这样就可以减轻施工劳动强度,节约施工能耗。

（三）其它性能

高性能砼具有较高的韧性、良好体积稳定性和长期的力学性能稳定性。

高性能砼的高韧性要求其具有能较好地抵抗地震荷载、疲劳荷载及冲击荷载的能力,砼的韧性可通过在砼掺加引气剂或采用高性能纤维砼等措施得到提高。

高性能砼的体积稳定性表现在其优良的抗初期开裂性,低的温度变形、低徐变及低的自收缩变形。

劣环境侵蚀下抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学性能保持稳定。

五环保高性能砼

（一）研究和发展环保高性能砼的必要性

90年代初西方国家，首先是美国提出高性能砼,得到了世界各国和专家的认可,法国政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等单位开展了高性能砼的研究。

1996年,法国公共工程部和教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目“高性能砼2000",投人了好几百万美元研究经费。

1994年,美国联邦政府诸多机构联合提出了一个在基础设施施工中应用高性能砼的决议,并决定在10年投资2亿美元进行研究。

环保,人类社会越发展,对环保的要求越迫切。

（二）环保高性能砼的可行性

环保高性能砼是砼发展的方向,是我国国情的需要,是建筑工程发展的需要,是为了子孙后代造福的需要,2005年建设部发布了《关于进一步做好建筑业10项新技术推广应用的通知》（建质〔2005〕）26号）文件中第2项既是“高性能砼技术”。

前建设部部长汪光熹在第2届国际智能绿色环保节能大会上表示:

中国将大力开展科技创新以支援和促进行业发展,将对既有建筑节能改造成套技术,低能耗大型公关建筑技术等加快技术公关,推动以节能、节地、节水、节材和环保为核心的建筑技术发展,逐步提高绿色建筑比重。

因此,研发绿色高性能砼体现科学发展观,是利国利民,惠及子孙之事。

上述这些都为绿色高性能砼的研究与应用打下了良好的基础。

（三）环保高性能砼的发展

1997年3月的“高强与高性能砼”会议上,吴中伟院士首次出“绿色环保高性能砼”的概念,并指出:

绿色环保高性能砼是砼的发展方向,更是砼的未来。

提高混砼的环保成度,可以节约更多的资源与能源,将对环境的破坏减到最小。

人类已经进入21世纪,砼应该更多地掺加工业废渣掺和料,更多地节约水泥,有更高的强度和耐久性。

高性能砼具有下列特征:

（1）更多地节约熟料水泥,降低能耗与环境污染;

（2）更多地掺加工业废料为主的细掺料;（3）更大地发挥砼的高性能优势,减少水泥与砼的用量。

因此,高性能砼本身就可成为环保砼。

事实上,许多工程如大体积水工建筑、基础等对强度要求不高,但对耐久性、工作性、体积稳定性、低水化热等有很高要求,都应采用HPC。

六高性能砼的发展与前景

随着HPC的开发和应用,建筑对生态环境产生的影响正引起社会的关注。

建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和能源,并对环境产生不同程度的影响。

有专家指出,作为建筑工业主要原料的水泥,实际上是一种不可持续发展的产品。

因此,高性能砼的技术核心是在限制水泥用量以获得砼高性能的同时,坚持其可持续性的发展原则。

21世纪前后,吴中伟等提出的环保砼的概念,在高性能砼的基础上增加了三个含义:

1）节约资源、能源;2）不破坏环境,更有利于环境;3）可持续发展,既要满足当代人的需求,又不危害后代人满足其需要的能力。

大力开展环保高性能砼的研究和应用高性能砼具有普通砼无法比拟的优良性能,对砼的发展将起非常重要的作用,并为HPC指明了非常明确的发展方向。

结论

在研究和探讨了高性能砼配合比设计的基本要求和技术途径，主要从原材料的选择、配合比参数的合理确定等方面进行了阐述。

通过掺入矿物微细粉和高性能化学外加剂的技术途径来配制高性能砼，既