高性能混凝土的应用和发展.docx

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高性能混凝土的应用和发展

网络教育学院

本科生毕业论文（设计）

题目：

高性能混凝土的发展和应用

学习中心：

保定奥鹏学习中心

层次：

专科起点本科

专业：

土木工程

年级：

2013年春季

学号：

************

学生：

胡鹏

*******

完成日期：

2014年3月3日

内容摘要

随着新型高效减水剂的发明与应用、矿物超细粉的回收与加丁、纤维材料的发展以及新型水泥基材料的发明，混凝土技术有了重大突破，尤其是高性能混凝土（HPC）目前，HPC已经广泛地应用于世界各地的莺特大工程中。

在HPC配制中，要特别注意采用合理的配合比，同时指出混凝土在不同龄期的强度均明显高于设计基准强度。

］高性能混凝土是一种具有高强度、高耐久性与高工作性的混凝土，混凝土中的水泥石只有凝胶孔无毛细孔，具有高的抗渗性和耐久性。

HPC组成材料中必须具有矿物质超细粉和高效减水剂。

同时介绍了高性能混凝土在具体工程中的应用。

关键词：

高性能混凝土；发展；应用

Abstract

Withtheinventionandapplicationofnewhighefficiencywaterreducingagentandmineralultrafinepowderandrecycleandbutyl,fibermaterialsaswellastheinventionofthenewtypeofcementbasematerial,thedevelopmentofconcretetechnologyhasamajorbreakthrough,especiallyhighperformanceconcrete（HPC）currently,HPChasbeenwidelyusedaroundtheworldwarblersuper-largeprojects.InHPCconfiguration,payspecialattentiontothereasonablemixingratio,andpointsoutthatthestrengthoftheconcreteatdifferentageweresignificantlyhigherthanthedesignstrengthofbenchmark.]Isakindofhighperformanceconcretewithhighstrength,highdurabilityandworkabilityofconcrete,thecementinconcreteonlygelholewithoutwoolstoma,havehighpermeabilityresistanceanddurability.OfHPCinmaterialsmusthavemineralultrafinepowderandhighefficiencywaterreducingagent.Atthesametime,theapplicationofhighperformanceconcreteintheconcreteengineeringisintroduced.

Keywords:

highperformanceconcrete;Development;application

引言

从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100多年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。

从20世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。

据统计，当今我国每年混凝土用量约109m3，并且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。

高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，HPC）是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。

高性能混凝土是一种具有高强度、高耐久性与高工作性的混凝土，混凝土中的水泥石只有凝胶孔无毛细孔，具有高的抗渗性和耐久性。

混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用新型高效减水剂和矿物质超细粉。

前者能降低混凝土的水灰比、增大坍落度和控制坍落度损失，即赋予混凝土高的密实度和优异的施工性能；后者填充胶凝材料的空隙，参与胶凝材料的水化反应，提高混凝土的密实度，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的耐久性与强度。

可以说20世纪70年代高效减水剂的发明与应用，使混凝土技术进入高强度与高流态的新领域；20世纪90年代的粉体工程，进一步使混凝土进入了高性能时代。

绪论

l、高性能混凝土的定义

高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，有多种定义，不同国家，甚至同一个国家的不同部门，对它的定义都有所差别。

1993年，美国混凝土学会下属的技术委员会提出高性能混凝土定义：

满足工程特殊要求的各种性能，可包括易浇捣而不离析，高长期力学性能、高早期强度、高坚韧性与高体积稳定性，或在严

酷环境中使用寿命长久，并且匀质性良好的混凝土。

近年来，美国混凝士学会又给出一个文字上较精练的定义：

“高性能混凝土是一种能符合特殊性能与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。

”

我国著名的混凝土科学家吴中伟院士认为“高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土”。

通俗地讲，我们通常所谓的高性能混凝土是指混凝士具有高强度、高耐久性、高工作性等多方面的优越性能。

高强度、高工作性、高耐久性这三项指标，构成了“高性能混凝土”所具备“三高（即3H）”的性能指标。

1.1分析国内高性能混凝土的现状

当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求;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,高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。

混凝土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。

传统混凝土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。

尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。

有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。

另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。

因此，未来的混凝土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，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。

耐久和高强都意味着节约资源。

“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。

1.2、高性能混凝土的主要发展动向

超高强（活性细粉）混凝士：

在混凝土中掺人超细粉物质，可以使硬化水泥石结构致密，孔径细化，改善界面结构，具有高的抗渗性、耐久性和强度，即在混凝土中掺人超细粉物质可以改善高强混凝土的结构并提高其性能。

国外已成功研制了立方体抗压强度达到200MPa～800MPa超高强活性细粉混凝土，其抗拉强度也可达25MPa～150MPa，它是一种超高强混凝土，并且这种混凝土在工程实际中也得到了应用。

机敏型高性能混凝土：

自身诊断、自身控制、自身修复等机敏能力功能的机敏型高性能混凝土，如自密实混凝土、内养护混凝土、承受高温的高强混凝土。

普通混凝土的高性能化：

普通混凝土的高性能化在公路路面研究上有其重要作用，但国内外大量研究与生产应用的高性能混凝士均属于高强度水泥混凝土，基本上是C60以上，此时面临的问题出现了，高强度导致了高脆性，如果直接用于路面有不可克服的缺点。

可以这样理解：

高性能混凝土必须具有高的耐久性。

同时高性能混凝土也应具有高的强度，但仅仅是高强度，还不一定具有高耐久性。

耐久性是高性能混凝土的最重要技术指标，它还要与使用的环境相结合，采取相应的对策，例如掺入矿物质超细粉。

2典型高性能混凝土的特点及工程应用

高性能是在1990年的一次国际会议上对混凝土提出的新的要求。

而高性能混凝土也是今后混凝土技术发展的一个基本方向。

对高性能混凝土的定义，国内外的提法不尽相同，但概括起来，可以归结为以下五个方面：

高耐久性，能在正常使用环境下具有超长的使用年限和较小的维护费用；在特殊要求的使用条件下，能满足抗侵蚀、抗冻融等抵抗恶劣使用环境下的特殊要求。

高施工性能，能在具体的施工条件下，顺畅地完成混凝土的运送和浇注，能得到密实性和均匀性优越的混凝土结构。

较高强度，能满足设计承载力所提出的强度要求，且具有足够的后期强度增长能力，并保证在正常使用条件下的强度要求。

高体积稳定性，混凝土凝结前不分层、不离析，硬化后体积变化小，具有较好的抗裂能力。

能满足环境保护和可持续发展的要求。

本章主要对高性能混凝土的主要发展动向进行讨论，重点分析其特点和工程应用范围。

2.1典型高性能混凝土的特点

2.1.1超高强混凝土的特点

（1）.耐久性。

高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。

（2）.工作性。

坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。

同时，由于高性能混凝土的水灰比低，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。

（3）.力学性能。

由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。

在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。

（4）.体积稳定性。

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。

（5）.经济性。

高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。

高性能混凝土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；高性能混凝土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工作强度，加快施工速度，减少成本。

前苏联学者研究发现用C110~C137的高性能混凝土替代C40~C60的混凝土，可以节约15%~25%的钢材和30%~70%的水泥。

虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。

概括起来说，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。

2.1.2绿色高性能混凝土的特点

水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背道而驰。

绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。

而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。

2.1.3机敏型高性能混凝土的特点

机敏混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土，是智能混凝土的初级阶段，是混凝土材料发展的高级阶段。

智能混凝土是在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分使混凝土材料具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料，根据这些特性可以有效的预报混凝土材料内部的损伤，满足结构白我安全检测需要，防止混凝土结构潜在的脆性破坏，能显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。

近年来，损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土及仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相续出现，为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。

2.1.4普通混凝土的高性能化

　高性能化是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的政。

具体是：

　　1）拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析，便于浇筑密实；

　　2）在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小；

　　3）有很高的抗渗性。

其中高工作性是高性能政必须具备的首要条件，即高流动性、高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性；并同时具备低成本的技术经济合理性。

目前，高性能政在发达国家的工程实践中已较广泛采用，我国尚处于试验研究、推广试用的起步阶段。

　　高性能混凝土具有丰富的技术内容，尽管同业对高性能混凝土有不同的定义和解释，但彼此均认为高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计，保证拌和物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。

从我国目前的及优选并经过现场试拌后，检验砼坍落度的经时损失满足规范设计施工水平出发，强度等级达到或超过C50的混土被定义为要求，满足工程应用的高施工性要求，才能正式确定所选用的高强混凝土。

而且随着工程建设的需要，高性能混凝土的使频率越来越高，对其进行严格质量控制的重要性也越来越强。

2.2高性能混凝土的工程应用

如前所述，高性能混凝土的工程应用已经有了较大的发展，但是由于我国的现状，各种方法和技术还相对落后，仍需要在工程实践中不断使用和检验。

因此，本节主要阐述的是高性能混凝土的材料要求、工程应用范围以及简单应用实例。

2.2.1高性能混凝土的原材料及配合比

高性能混凝土原材料及其选用

（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混凝土用砂石标准中的规定。

砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响,一般情况下,砂子越粗,混凝土的强度越高。

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

（2）.粗集料。

高性能混凝土必须选用强度高、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混凝土强度的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,从而提高混凝土的体积稳定性。

（3）.细掺合料。

配制高性能混凝土时,掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善,空隙得到充分填充,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,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。

活性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料。

在高性能混凝土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。

粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的烟道灰,它能有效提高混凝土的抗渗性,显著改善混凝土拌合物的工作性,大掺量粉煤灰混凝土还对环境保护和节约资源有重要意义。

配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。

矿渣是高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速水淬冷却而成的,用于高性能混凝土的磨细矿渣细度大于水泥,能提高混凝土的工作性和耐久性。

硅粉是电炉法生产硅铁合金所排放的烟道灰,SiO2含量大于90﹪,平均粒径约011μm,比表面积>20000㎡/kg,借助大剂量高效减水剂和强力搅拌作用,可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去,并且具有很高的活性,在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著,是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。

（4）.减水剂及缓凝剂。

由于高性能混凝土具有较高的强度,且一般混凝土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,要使混凝土具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在20﹪以上。

有时为减少混凝土坍落度的损失,在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。

此外,由于高性能混凝土水胶比低,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。

因大部分高性能混凝土施工时采用泵送,故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大,否则影响泵送。

（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。

粉煤灰在混凝土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裹它们形成润滑层,产生“滚珠润滑”效应;②对水泥颗粒起物理分散作用,使其分布得更均匀;③粉煤灰和聚集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应,生成具有胶凝性质的产物,加强了薄弱的过渡区,对改善混凝土的各项性能有显著作用;

（2）硅粉（SilicaFume,简写SF）又称硅灰,是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。

在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,结合应用减水剂,可使混凝土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﹪。

硅粉的加入对混凝土的性能的影响主要有:

①改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量;②提高了混凝土的强度,增大了弹性模量和混凝土的干缩;③提高了混凝土的耐久性。

另外,在配制硅粉混凝土时必须注意:

①由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土时,一般要掺加减水剂。

在选择减水剂时,应使之与所用的水泥具有相容性,否则,容易影响混凝土的工作性能。

同时,根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺量。

②比表面积和活性SiO2含量是硅粉的重要指标,硅粉比表面积越大、活性SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需选择具有良好性能的硅粉。

③硅粉混凝土的干缩一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土时应采取补偿收缩的措施,如掺加粉煤灰等。

配合比设计控制要点

（1）.设计思路有很大区别

在以往的配合比设计方法中，是按混凝土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，混凝土的强度一般都是超强的。

（2）.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例

在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土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及以下混凝土，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，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土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，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。

在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%，当大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。

（3）.含气量的要求

含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。

以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。

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

因此，客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，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。

为适当提高混凝土的含气量，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。

（4）.电通量指标

该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要、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美国ASTMC1202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地区分和评价混凝土的密实度，而密实度正是影响混凝土耐久性最为关键的因素。

以往多是以抗渗性来评价混凝土的密实程度，但实践证明，抗渗试验只适合于判定较低强度等级混凝土的密实性，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混凝土耐久性控制的主要原因。

混凝土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。

2.2.2绿色高性能混凝土的工程应用范围

研发绿色高性能混凝土的必要性

1990年美国首先提出了高性能混凝土,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混凝土的研究。

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“高性能混凝土2000",投人了600万美元作为研究经费。

1994年,美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施施工中应用高性能混凝土的决议,并决定在10年投资2亿美元进行研究。

绿色是绿色环保,人类社会越发展,对绿色环保的要求越迫切。

国外有位学者写一篇综述,题为“昨天和今天的水泥,明天的混凝土”,文中指出21世纪水泥工业应改名为水硬性胶凝材料工业,而且应是一种绿色工业。

水泥和混凝土堪称为世界上耗用量最大的材料,在我国尤其如此。

我国人多地少,资源缺乏,同时也是世界上能源消耗的大国,以水泥和混凝土为例,我国水泥的年产量大约9亿吨,占世界水泥产量的三分之一,混凝土产量约12亿m3,世界混凝土年产量大约30亿m3,混凝土的大量使用,需要大量水泥,水泥的生产又极大地影响了环境,直接影响子孙后代的生活,所以绿色高性能的发展是事在必行。

绿色高性能混凝土的研究及使用,即保护了环境,又提高了混凝土的性能。

以粉煤灰为例,现已研发与使用的绿色高性能混凝土,绝大部分把粉煤灰作主要掺料,粉煤灰是工业废