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黑龙江大学毕业论文高性能混凝土技术发展与应用初探专业：姓名：学号：指导教师：2014年10月28日高性能混凝土技术发展与应用初探摘要本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，由于影响高性能混凝土性能的因素很多，本文结合工程实践应用，从原材料、配合比设计、生产施工技术等技术环节出发，初步探讨了高性能混凝土的配制施工技术，探讨研发绿色混凝土的必要性，并对高性能混凝土的发展趋势作出展望。关键词:高性能混凝土,原材料,配合比,质量控制,绿色混凝土目录引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1一、高性能混凝土产生的背景和研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„1(一)背景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1(二)研究现状及发展方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2二、高性能混凝土的性能研究和应用分析„„„„„„„„„„„„„„„„4(一)高性能混凝土的概念„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4(二)高性能混凝土的性能特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„5三、高性能混凝土质量与施工控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„7(一)高性能混凝土原材料及其选用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7(二)高性能混凝土的配合比设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„101、高性能混凝土配制目标和影响因素„„„„„„„„„„„„„102、高性能混凝土配合比设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„123、高性能混凝土配合比参数的选择„„„„„„„„„„„„„„„13(三)高性能混凝土的施工控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15四、高性能混凝土的特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18(一)高耐久性能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18(二)高工作性能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19（三）其他„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19五、研发绿色高性能混凝土的必要性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20六、高性能混凝土的发展前景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21七、结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23八、参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25九、致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27１高性能混凝土技术发展与应用初探引言高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，简写为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，它以高性能作为设计的主要指标，具有高耐久性、高强度与高工作性能（高流动性、高粘聚性、高可浇筑性）。总而言之，是一种高技术混凝土。高性能混凝土以其高耐久性、高工作性、以及高强度特性进入人们的视野。一、高性能混凝土产生的背景和研究现状（一）背景传统的混凝土已有近200年的历史，是近代使用最广的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。据不完全统计，世界水泥产量已超过13亿吨，折合混凝土不少于40亿立方米。水泥混凝土与其他常用建筑材料如钢铁、木材、塑料等相比，生产能耗低、原料来源广、工艺简单，因而生产成本低，并具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。30年代平均为10MPa，50年代约为20MPa，60年代约为30MPa，70年代已上升到40MPa，发达国家越来越多地使用50MPa以上的高强混凝土[[1]廉慧珍，阎培渝．21世纪的混凝土及其面临的几个问题][1]。随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、２跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不产生缺陷，更要耐久性好，使用寿命长。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。实践证明绿色混凝土可以彻底解决城市垃圾和污泥问题，是保护生态环境，实现零污染最为有效的途径。[2]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。（二）研究现状及发展方向３20世纪60年代开发应用高效减水剂后，使混凝土技术进入了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。我国近年来在铁路、公路、桥梁建设中、高层建筑及机场建设等工程中已广泛应用C60高性能混凝土；C80混凝土也在工程中试点应用。在国际上强度为90MPa、100MPa、110MPa、120MPa，甚至大于150MPa、200MPa的高性能混凝土，在工程中都获得了应用。然而工程经验证明，许多工程如桥梁、道路、海港和污水建筑物混凝土结构的过早破坏，其原因不是强度不够，而是耐久性不足。由于修复损坏的混凝土建筑物的费用昂贵，如以美国为例，每年劣化混凝土的维修费用达2000亿美元之多，这使很多设计者意识到混凝土耐久性的重要性。人们开始考虑能否采用使用年限较长的高性能混凝土结构，例如使用年限不是30～50年而是100年。针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。进入20世纪90后代以后，混凝土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，高性能混凝土的发展有以下几个方向：(1)绿色高性能混凝土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４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)超高性能混凝土超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（ReactivePowdercon-crete,RPC）,其特点是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。(3)智能混凝土智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。二、高性能混凝土的性能研究和应用分析（一）高性能混凝土的概念高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将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混凝土。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。５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）高性能混凝土的性能特点耐久的混凝土必须能抵抗风化作用、化学侵蚀、磨耗和其他破坏过程，这表示高性能混凝土不仅应有高强度，而且应具有高刚度，体积变化小，实际上不透水，氯离子难以渗透，高弹性模量，收缩徐变小，热应变小等特点。因此，高性能混凝土在组成和结构上与普通混凝土应有所不同，首先应具有以下特点[3]：(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。６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。其次，高性能混凝土的配制特点是低水胶比、掺加高效减水剂和矿物细掺料，故从组成和配比来看，高性能混凝土还应具有以下特点:(1）水灰比（W/C）≤0.38按照Rüch提出的相图[4]，当水灰比0.38时，水泥全部水化后，水泥石中含有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。而毛细水在混凝土中是可以扩散渗透的，也就是说，W/C0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性降低，耐久性降低。所以配制高性能混凝土时，水灰比不应大于0.38。７(2）高效减水剂是降低混凝土中水灰比的必须材料，也是高性能混凝土不可或缺的组分。为使混凝土具有良好的工作性能，高效减水剂除了具有高的减水率外，还应具有有效控制塌落度损失的功能。(3）矿物掺合料是高性能混凝土的功能组分之一，它可以填充水泥的空隙，在相同的水胶比下，能提高流动性，硬化后也能提高强度。更重要的是能改善混凝土中水泥石与集料的界面结构，使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。(4）对高性能混凝土有抗冻或其他要求时，应掺加引气剂，以及其他有关的外加剂，如阻锈剂等。三、高性能混凝土质量与施工控制