桥梁课题1高性能混凝土施工技术研究.docx

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桥梁课题1高性能混凝土施工技术研究

武广客运专线桥梁课题研究之一

高性能混凝土施工技术研究

前言

高性能混凝土适应了工程结构向大跨、高耸、重载方向发展，以及承受恶劣环境条件的需要，已广泛应用于高层建筑、桥梁、港口海洋工程、地下工程等领域，并取得了重大效益。

高性能混凝土技术对提高普通混凝土的工艺水平也有重要的指导意义，与国外相比，我国工程中应用的混凝土强度等级普遍低下，而推广应用高性能高耐久混凝土也必将促进国内混凝土技术的总体水准的提高。

各国混凝土工程使用实践证明，如果片面追求较低的建造费用而忽视了对结构耐久性的改善，不仅影响运输交通的安全、减少结构使用寿命，同时投入的养护维修费用巨大，以至远远超过建造中节省的费用。

武广客运专线是我国规划中拟建的重大工程项目之一。

规划中的武广客运专线高速铁路全长874.35公里，设计速度：

200km/h以上。

如何保证高速铁路混凝土结构的高耐久性是武广客运铁路建设中面临的一个重大课题。

1.高性能混凝土的发展现状.

水泥混凝土是最大宗、应用最广泛的人造材料。

习惯上，我们把混凝土强度低、自重和脆性大看作它的主要弱点，伴随着工程材料质量和施工技术水平的不断提高，特别是高层建筑、大跨度结构、海洋工程以及一些优质混凝土制品的发展需要，一般的混凝土已不能满足要求。

因此，研究和制备高强高性能混凝土是十分必要的。

高强高性能混凝土是目前混凝土材料科学的重要发展方向之一。

国内外许多学者对其进行了研究，并发表了大量的文献资料。

高强混凝土具有快硬、高强、高均质性、高密实性和高耐久性等特点。

使用高强混凝土可以减小混凝土结构自重和混凝土构件的截面尺寸，节约资源和能源等。

以常规水泥、砂石为原材料并采用常规工艺生产配制的现代高强混凝土是在混凝土组分中引入高效减水剂之后，从70年代初期开始发展起来的，它克服了以往的高强混凝土不能预拌生产和泵送施工的根本缺陷，在拌和物的工作度和混凝土的强度与抗渗性等方面具有独特的优良性能，因而迅速在国际范围内得到广泛应用。

一、国内外高强高性能混凝土发展状况

在我国，通常将强度等级等于和超过C50的混凝土称为高强混凝土，这一分类标准比较适合我国的国情，并为中国土木工程学会高强和高性能混凝土委员会所认同。

美国对高强混凝土的定义至今仍采用ACI（美国混凝土学会）在1984年提出的分类界限，即以圆柱体抗压强度标准值达到或超过42MPa（相当于我国C50）的混凝土为高强混凝土，但也有一些国家将这一界限定得更高。

最早大量应用高强混凝土的工程对象是高层建筑。

利用高强混凝土的高强、早强和高变形模量的特点，可以大幅度缩减高层建筑底层墙柱的截面并增加建筑使用面积，可以扩大建筑物的柱网间距并改善建筑使用功能，可以统一柱子的模板规格、减少摸板材料用量、加快模板周转并缩短施工工期，可以增加结构刚度、减小高层房屋的压缩量与水平荷载下的横向位移。

高强混凝土动摇了钢结构在超高层建筑中的统治地位，现在世界上最高的房屋建筑已让位于钢筋混凝土结构，为位于马来西亚吉隆坡的城市中心，这一双塔大厦高450m，底层受压构件用C80高强混凝土。

在钢筋混凝土房屋建筑中，其后张预应力楼层也用了C60-C70级的高强混凝土。

在钢—混凝土组合结构高层建筑中，强度等级用得最高的是美国西雅图的（双联广场），其3m直径的钢管混凝土柱中的混凝土强度等级相当于C130，采用这样高的强度等级是为了满足结构的刚度需要（要求混凝土的变形模量达到50GPa，而对混凝土的设计强度需要则仅为95MPa）。

在桥梁结构中采用高性能混凝土可能具有更大的潜力，高性能混凝土能有效地降低桥梁结构自重（大跨桥梁中，自重可占总荷载的60%）和提高结构刚度，有利于增大桥跨、减小桥墩，或者缩小结构的截面高度，增加桥下净空。

但更为重要的还在于增加桥梁的使用寿命，降低平时的维修费用。

对于许多工程尤其是基础设施工程来说，高性能混凝土的耐久性比其强度具有更重要的意义。

我国在现代高性能混凝土的研究和应用上起步并不算晚。

早在1980年前后，铁路部门就在铁道科学研究院系统研究的基础上，在湘桂铁路复线的红水河三跨斜拉桥预应力箱梁中用了大坍落度的高性能混凝土（实际强度超过C60级），这是我国第一个采用高强泵送混凝土的工程。

近年来随着我国城市建设高潮的兴起，以及国家建设部将高性能混凝土作为八五期间重点推广新技术的大力倡导，国内在高性能混凝土的应用上出现新的局面。

据不完全统计，国内已建和在建的高度超过100m的超高层建筑中，应用高性能混凝土的已逾40座，辽宁物产大楼是迄今混凝土设计强度最高的一幢超高层建筑，用了C80现浇混凝土。

目前上海和北京均能供应C80以上的商品预拌混凝土。

上海建筑工程材料公司等单位研制开发的C80高性能混凝土，采用优质高效减水剂与超细矿粉复合的技术路线，于94年10月和95年7月分别在上海浦东的世界广场地下室工程和上海国际大厦主楼工程的第21层框架结构中成功完成C80商品混凝土泵送施工。

北京城建集团总公司构件厂于95年11月在北京市财税大楼首层柱子施工中，选定4根柱子用C110级商品预拌混凝土浇注成功（用525#水泥掺硅粉及优质高效减水剂配制，水胶比0.23，混凝土平均强度127.5MPa，变形模量54GPa）。

二、应用高强混凝土的必然性及其不足之处

由于高强混凝土应用于混凝土结构，能够大幅度提高工程结构或构件的承载能力，减小结构、构件的尺寸和自重，加速模板的周转并加快工程施工进度，能适应现代化工程结构向大跨、重载、高耸的需要。

且高强混凝土在工程结构上的应用，其技术经济效果是十分显著的。

高强混凝土已经成为现代混凝土技术发展的主要方向之一。

其具有许多突出的优点和特性。

主要表现在：

●强度高、变形小，能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸方向发展和承受恶劣环境条件的需要。

●采用高效减水剂配制的高强混凝土一般具有高工作性和早强性能，因而便于施工和加快模板周转速度。

●抗压强度高，能使钢筋混凝土柱子和拱壳等受压构件的承载能力大幅度增加，而在相同的荷载下可使构件的截面减小。

●混凝土耐久性优异。

但是，从当前的混凝土技术水平来看，高强混凝土在工程上应用存在一些不足之处。

同时也存在急需研究的几个方面，具体表现在以下几个方面：

●收缩开裂

由于高强混凝土的水灰比低，在水化凝结硬化初期，混凝土内部大量未水化的水泥吸收毛细管中的水份，开始水化，使毛细管脱水，甚至变成真空，使水泥浆体收缩（自收缩），当混凝土处于硬化早期时，抗拉强度很低，收缩力大于混凝土的抗拉强度，致使混凝土开裂。

混凝土一旦开裂则会降低其渗透性能和抗碳化性能，大大影响其耐久性。

●延性大大降低

高强混凝土的延性比普通混凝土差，素混凝土的延性随强度的增加而降低。

资料表明，当普通混凝土的应变达到3‰时，其承载力仍然能保持一半以上，但若同样的应变值加于高强混凝土时，则实际承载力近于零。

混凝土中由于湿度、温度梯度产生的应变，往往达到或超过3‰，在这种情况下，混凝土中会有裂纹产生。

三、从高强混凝土到高耐久、高性能混凝土

现代高强混凝土技术的开发，是以满足强度和工业化生产施工的需要作为追求目标的，其主要手段是依靠化学外加剂（特别是高效减水剂）和矿物掺合料（粉煤灰、磨细矿渣、硅粉等）来降低混凝土的用水量和改善混凝土的微观结构，使混凝土更加致密并获得高强。

但这种混凝土不仅高强，而且在许多方面具有优良特性。

高强混凝土在很多场合得到应用，并不仅是为了强度的需要。

譬如美国双联广场采用130MPa高强混凝土只是出于增加结构水平刚度的需要，挪威用160MPa高强混凝土修筑道路则是为了对付冬季带钉防滑轮胎造成的路面磨损。

高强混凝土几乎不透水，而混凝土遭受环境侵蚀几乎都离不开以水为载体，加上高强混凝土中矿物掺合料多有抑制混凝土内部发生有害化学反应的作用，所有现代高强混凝土有独特的耐久性能。

显然，“高强”混凝土的提法不足以概括这种混凝土的综合特性及其功能，它应被称为“高性能”混凝土。

从高强混凝土到高性能混凝土是混凝土技术水平的一个质的转变。

现代高强混凝土是高性能混凝土，这一点比较清楚。

但高性能混凝土是否必须高强这就有不同的看法。

自高性能混凝土概念的出现至今也只有10余年,不同国家不同学者依照各自的认识实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土的定义和解释也不尽相同。

不少人认为，高性能混凝土也应该是高强混凝土，或者更确切的如美国学者Mehta提出的，高性能混凝土应具有高强度（60MPa以上）、高工作度（流态、可泵）、高体积稳定性（硬化过程中不开裂、收缩徐变小）和高抗渗性（耐久）。

1992年法国MalierY.A.认为，高性能混凝土也提出与此相似的强度要求，其特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和耐久性好，并将强度超过100MPa并具有良好工作度和其它优良特性的混凝土称为高性能混凝土，而1990年5月，美国国家标准与技术研究所（NIST）和美国混凝土协会（ACI）主办的讨论会上，高性能混凝土被定义为具有所要求的性质和均匀性的混凝土，靠采用传统的组分和施工方法（一般的搅拌、浇注和养护方法）是不可能制备出这种混凝土的。

HPC所具有的性质包括：

易于浇注、密实而不离析的工作性；高的并且能够长期保持的力学性能；高早期强度；高韧性；高体积稳定性；在严酷的环境中具有长久的寿命。

三年后，加拿大学者Aitcin又阐述了HPC与高强混凝土的不同，指出，高强混凝土就是强度高的混凝土。

这正如Birchall和Kelly能够制造含聚醋酸乙烯酯的超高强水泥基材料制品，但这种材料的耐湿性和耐久性不能令人满意；同样Roy和Gouda通过加压技术在试验室制备出470MPa的水泥砂浆，但这种材料根本没有办法进行现场浇注，仅强调强度并不是高性能混凝土特征。

高性能混凝土在实际应用中，许多情况下强调的不是抗压强度，而是要求其它方面的性能。

例如，高弹性模量，高密实度，低渗透性或对某种侵蚀破坏的抵抗能力。

1992年日本的学者等认为：

高性能混凝土应具有高工作性（高的流动性、粘聚性与可浇筑性），低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。

在我国，吴中伟则概括地认为，高性能混凝土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，高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证：

耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。

蒲心诚认为，高性能混凝土应具有大流动性，高强度，高耐久性。

高性能混凝土的定义并不是绝对不变的，而是必须与一定历史阶段和工程实际相适应的。

这更能反映高性能混凝土的发展趋势。

这种重点从非常高的强度转向在特定环境条件下所需要的其它性能，反映出高性能混凝土观念上的根本改变。

然而，无论高性能混凝土的定义如何，有一点是值得肯定的：

高性能混凝土是近代混凝土技术发展的结果。

相应于不同的应用领域，高性能混凝土发展方向与性能侧重点不尽相同。

高耐久、高性能化仍是高性能混凝土的主要发展方向之一。

2、本课题的研究背景与目标

国内有关调查结果表明，由于以前重视不够，我国混凝土结构建筑物因耐久性问题过早破坏造成的损失和危害，难以估计且不容乐观。

建国初期的建筑均已达到大修的状态：

按现行设计的大多数建筑达不到安全、经济使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修。

的确，对混凝土耐久性的认识确实经历了一个曲折的过程，这是因为耐久性的检验需要有很长的年限。

直到上述类似事故不断出现，人们才觉悟到混凝土并不像原来设想的那样耐久。

由于硅酸盐水泥的活性不断提高，水泥用量也随着混凝土强度等级提高而增加，再加上追求早强效果，养护不足，许多水泥混凝土专家认为，今天的混凝土与几十年前相比，强度是提高了，可是耐久性更差了，愈早强的混凝土，后期性能却愈差。

于是人们认识到，在进行结构设计时，特别是在关系到国计民生的重大工程设计时，对使用材料的耐久性应像力学性质一样加以高度重视。

我国目前正处于大规模的基本建设阶段，虽然规模化