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郑西铁路客运专线高性能混凝土知识培训第一部分：客运专线高性能混凝土基本理论知识与配制技术第二部分：客运专线高性能混凝土相关技术标准第三部分：客运专线高性能混凝土施工和耐久性检验要点第四部分：讨论郑西铁路客运专线高性能混凝土知识培训内容之一客运专线高性能混凝土基本理论知识与配制技术铁道科学研究院铁道建筑研究所三门峡2006年5月20日主要内容•1、引言•2、高性能混凝土的发展与应用现状•3、高性能混凝土的组成与结构•4、客运专线高性能混凝土的配制技术混凝土定义：是一种将具有胶结性质的材料和骨料或集料（如石、砂）以及填料（粉细颗粒）混合并浇注成型后，经凝固硬化而粘结成为整体的一系列建筑材料。水泥混凝土Cementconcrete沥青混凝土AsphaltConcrete聚合物混凝土PolymerConcrete硫磺混凝土1、引言Withcementascementitiousmaterialsandthemostwidelyusedmaterialsinmoderncivilandarchitecturalconstructions以水泥为胶结材，在现代土木建筑工程中最为广泛应用的一类建筑材料。水泥混凝土——混凝土CementConcrete---Concrete20世纪80年代，美国国家材料委员会提出：要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、塑料等。1990年5月，在美国马里兰州Gaithers-burg城由NIST和ACI主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义。定义高性能混凝土——具有所要求的性能和匀质性的混凝土。例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。采用传统的组分、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能日常生产这种混凝土的。高性能混凝土国际研讨会（1990）高性能混凝土的特性，是针对一定的应用和环境所要求的。例如：•易于浇注•早期强度•渗透性•水化热•体积稳定性•可捣实、不离析•长期力学性质•密度•韧性•在服务环境中运行寿命长久高性能混凝土的许多特性是相互关联的，改变其中一个常牵扯到一或多个其他特性发生变化。因此，如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足，则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚。美国混凝土学会1998高性能混凝土为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，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。吴中伟国内高性能混凝土的定义•高性能混凝土(highperformanceconcrete)以耐久性为基本要求并用常规材料和常规工艺制造的水泥基混凝土。•这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制作上通过严格的质量控制，使其达到良好的工作性、均匀性、密实性和体积稳定性。混凝土结构耐久性设计与施工指南（CECS2004-01）客运专线高性能混凝土•1、较严格的原材料品质要求•2、混凝土强度等级无具体要求•3、流动度根据施工要求确定•4、均有含气量要求•5、电通量、抗裂性、抗碱骨料反应作为基本耐久性指标•6、根据环境作用等级和结构部位要求抗腐蚀、抗冻、抗渗性能等耐久性指标尚有一些未体现的指标如绝热温升、徐变、收缩等1987年美国材料顾问委员会提交的一篇报告引起了轰动：约25.3万座桥梁的混凝土桥面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破坏，且每年还将新增3.5万座。由于混凝土桥面板开裂普遍，因此转向使用高强混凝土，但是看来这无济于事。根据国家公路合作研究计划1995年检查的结果表明：10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔1~3米的贯穿性裂缝。2、高性能混凝土的发展与应用现状不是强度，而是混凝土的坚固性（没有裂缝）对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用。P.K.Mehta耐久性——影响未来的关键问题混凝土结构劣化破坏分类1、磨蚀：机械磨耗、冲刷磨损、气蚀2、物理作用：干湿交替、水的渗透、冻融、盐的结晶3、化学作用：化学介质侵蚀（水解、软水、置换、硫酸盐）、AAR、CaO和MgO水化4、钢筋锈蚀：碳化引起、Cl-引起《近代混凝土技术》《铁路工程混凝土结构耐久性设计暂规》混凝土结构所处环境类别分为5种环境类别、17种环境作用等级。(1)碳化环境(2)氯盐环境(3)化学侵蚀环境(4)冻融破坏环境(5)磨蚀环境。混凝土结构劣化破坏原因分类一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1.侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2.荷载作用（循环荷载、冲击荷载）由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）水的渗入O2、CO2渗入酸性离子（Cl-,SO4-)渗入A：以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀B：混凝土强度与刚度降低开裂、剥落与整体性丧失混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型以耐久性为基本要求的高性能混凝土并不能避免环境对混凝土结构的破坏作用。但是，高性能混凝土可以延长混凝土结构的使用寿命。有关混凝土结构使用寿命的设计理论也越来越被人们关注。1香港青马大桥设计使用寿命120年，要求所用混凝土满足如下要求：Cl—扩散系数小于9×10-13m2/s(1300库仑)混凝土28天立方体试件配比强度≥50MPa普通水泥/25～35%粉煤灰/65~75%矿渣水泥用量350～550kg/m3水胶比≤0.4胶结料中最大氯离子含量0.06%碱含量（折合Na2O）≤3kg/m3现代高性能混凝土的应用实例2英吉利海峡隧道设计使用寿命120年，要求混凝土满足如下要求：Cl—扩散系数小于K=1.4×10-13m/s(1300库仑)水泥采用两种当地海工用的水泥，C3A含量为0.69～0.77%,400kg/m3水灰比0.35～0.32，坍落度100mm砂：由石灰石碎石与石英石组成，0～1mm硅质河砂、0～4mm和3～8mm两级石灰石碎石粗骨料：粒径5～12.5mm的石灰石碎石。现代高性能混凝土的应用实例3日本明石大桥设计使用寿命120年，桥墩混凝土采用免振自密实混凝土，桥面及梁采用泵送高性能混凝土。要求混凝土满足如下要求：Cl—扩散系数小于1000库仑W/B≤0.35，胶凝材料用量500kg/m3，其中水泥60％，其余为矿渣及粉煤灰。现代高性能混凝土的应用实例4、长江三峡大坝现代高性能混凝土的应用实例长江三峡大坝（2002/11/17）•东海大桥•杭州湾大桥•深港大桥（西部通道）•珠港大桥•……3、高性能混凝土的组成与结构3.1混凝土如何高性能化3.2影响混凝土性能的因素3.3矿物掺合料3.4减水剂3.5小结•3.1混凝土如何高性能化•（1）高性能混凝土的结构特点•高性能混凝土是在与普通混凝土相对比的基础上提出的概念。相比而言：•A、孔隙率很低•B、水化物中Ca(OH)2减少、CSH和AFt增多•C、未水化颗粒多，未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多，各中心质间距离缩短，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架得到强化•D、界面过渡层厚度小，并且孔隙率低、Ca(OH)2数量减少，取向程度下降(2)混凝土高性能化的途径和方法A降低水胶比可大量减少水泥石的孔隙。在无外加剂掺入的情况下，水灰比大于0.5时混凝土才具有可施工的流动性。方法：掺入高效减水剂水灰比与水泥石结构水水泥浆水泥石水泥凝胶水泥颗粒水•方法：掺入矿物质掺合料•普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的Ca(OH)2；•Ca(OH)2在界面上的结晶与定向排列，是混凝土强度与耐久性低下的主要原因。•改善砼中骨料与水泥石之间的界面结构，是高性能砼必须解决的关键技术。B改善砼中水泥石与粗骨料之间的界面结构C改善混凝土中水泥石的孔结构引入封闭孔。在相同的孔隙率下，封闭孔的渗透系数最低。方法：掺入优质引气剂。优质原材料3.2影响混凝土性能的因素（1）水泥特性对混凝土影响Cementinfluenceondurabilityofconcrete高含碱量、高比表面积、高C3S、高C3A、高SO3使水泥水化热大、水化快、早期强度高、徐变小、使混凝土延伸性低。易使混凝土温度收缩、自收缩和干燥收缩使混凝土开裂。（2）骨料特性对混凝土影响Aggregateinfluenceondurabilityofconcrete集料特性对混凝土耐久性的影响光滑的表面界面粘结性差碱活性ASR高空隙率不利于抗收缩和抗冻融低弹模增加体积收缩级配差增加水泥用量高含泥量粘结性差，增加干燥收缩很低的热膨胀系数与浆体变形不一致（3）拌和物特性对混凝土耐久性的影响拌和物特性对混凝土耐久性的影响高水泥用量提高温度，增加收缩和易裂性低水泥用量增加渗透性高用水量增加体积收缩高细度掺和料增加自收缩和干燥收缩早强剂、防冻剂减小徐变、增加收缩（4）矿物掺和料对混凝土性能的影响（5）外加剂对混凝土性能的影响（6）浇筑特性对混凝土耐久性影响Castinfluenceondurabilityofconcrete浇筑特性对混凝土耐久性影响材料温度高浇筑后混凝土温度高环境温度高加速水化和干燥离析不均匀收缩表面水分蒸发快可造成塑性裂缝养护不足时早期干缩、长时间则凝胶多，后期干燥收缩大（7）环境对混凝土耐久性的影响Environmentinfluenceondurabilityofconcrete环境特性对混凝土耐久性的影响气候干燥混凝土干燥开裂混凝土处于地面以上无水分补充严寒地区路桥除冰盐影响冻融循环受冻融循环而开裂存在氯化物腐蚀钢筋存在硫酸盐等侵蚀性介质侵蚀混凝土粉煤灰（FA）：发电厂煤粉燃烧后的未燃尽无机残渣。磨细矿渣粉（BFS）：主要成份为CaO2、Al2O3和SiO2等。来自于铁矿石炼铁高炉。硅粉（SF）：硅和含硅合金时所产生的副产品。偏高岭土粉（MK）：黏土经煅烧生成的无定形铝硅酸盐。天然沸石粉（NZ）。矿物掺合料的功能不同，起着不同的作用。重点讨论磨细矿渣粉和粉煤灰。3.3矿物掺合料水泥、粉煤灰、矿渣的化学成分微硅粉粉煤灰磨细矿渣普通水泥SiO2%92503820Fe2O3%0.810.40.33.5Al2O3%0.328115CaO%0.434065MgO%0.327.50.1Na2O%0.20.70.40.1K2O%0.92.50.80.7细度m2/kg测定方法15,000~25,000氮吸附法400~700透气法350~600透气法300~400透气法矿物掺合料一般具有如下作用：1）填充骨料的间隙及形成润滑膜；2）消纳氢氧化钙，改善过渡区（火山灰反应），同时生成胶凝性产物；3）对水泥的分散作用，降低水胶比，改善水泥在低水胶比下的水化环境；4）延缓初期水化速率，形成较低水胶比、较大水灰比的有利环境；5）降低温升，改善徐变能力，减小早期形成热裂缝的危险。1、填充效应2、流化效应3、耐久效应4、强度效应矿物掺合料产生效应粉煤灰粉煤灰的密度只有水泥的2/3，因此采用大掺量粉煤灰混凝土，同时添加高效减水剂时，可以大幅度降低水胶比，获得普通混凝土条件下无法达到的使用效果。扫描电镜下粉煤灰的形貌粉煤灰对混凝土性能的影响1.新拌混凝土1）增加浆体含量、增大粘聚性、不易离析，改善可泵性，容易振实；2）延缓拌合物凝结时间，减小坍落度损失；3）减小泌水速率，但凝结时间延长(尤其低温季节），需要及早覆盖养护；4）降低水化热。粉煤灰对混凝土性能的影响2.硬化混凝土1）早期强度发展速率延缓（程度取决所用水泥），但也随温度升高加快；2）早期应力松弛作用强，抗裂性能好；3）后期微结构密实、强度增长幅度大，耐久性良好；4）预防混凝土的耐久性病害发生，如碱—骨料反应。5）提高混凝土抵抗环境因素劣化破坏的能力。抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透等。大掺量粉煤灰混凝土强度发展规律水泥150kg/m3