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第三讲新型或特种混凝土1高性能混凝土2聚合物混凝土3喷射混凝土4水下不分散混凝土5各种功能性混凝土6装饰混凝土1高性能混凝土混凝土用于工程建设迄今有150多年的历史，纵观其技术发展历程，主要经历了复合化、高强化、高性能化三大技术路线。最初，人们把主要精力集中在提高混凝土的强度上，以抗压强度的比例关系来代表其性能的优劣。但随着混凝土强度的提高，其脆性也在增大。因混凝土破坏造成的结构崩塌事故在各地接连发生，使人们意识到混凝土并不是一牢永逸的耐久性材料。1高性能混凝土到了20世纪90年代，一些有远见卓识的专家考虑到某些工程的需要，在提出混凝土强度指标的同时，更为注重混凝土的耐久性、安全性与安全使用期。因此，以耐久性为目标，兼顾高强度和高工作性能的高性能混凝土(HighPerformanceConcrete,HPC)便应运而生了。1.1HPC概述HPC的工作特性10年来，不同国家、不同学者，依照各自的认识、实践及应用目的与范围，对HPC有不同的解释、不同的定义，但还是达成了以下几点共识：要有一定的强度和高抗渗能力，但不一定是高强度、高性能，亦可能是中、低强度，高性能。有良好的工作性能。混凝土拌和物应具有良好的流动性，不分层离析，易充满模型。泵送混凝土和自密实混凝土有良好的可泵性、自密实性。混凝土的使用寿命要长。在一些工程的具体部位，控制结构设计的并不是混凝土强度本身，而是耐久性，这是HPC应用的主要目的。HPC的优点与普通混凝土比，HPC具有以下优点：由于强度更高，因而结构尺寸可以更小，这使得结构自重减轻、建筑使用面积增加、材料用量减少。弹性模量更高，因而结构变形更小、刚度更大、结构稳定性更好。耐久性好，抗渗性好，因而结构的维修和重建费用少，工作寿命大大延长。HPC的研究应用案例在德国：目前德国现行的混凝土结构设计规范已达到C110，强度等级为当今世界之最。在挪威：挪威设计规范虽然是C105，但挪威是世界上唯一采用高强度混凝土修筑公路的国家。挪威已将HPC(85～90MPa)广泛用于道路工程，明显提高了混凝土路面的耐磨性。在法国：修建的3座高性能混凝土斜拉桥—佩尔蒂大桥、埃洛恩、诺曼底大桥处于结构性能和耐久性考虑使用了HPC。HPC的研究应用案例在日本：在高层住宅和预应力混凝土构件中使用了HPC，日本尤其重视混凝土的施工性能，特别是高流动性，要求浇注混凝土后不振或微振。日本免振自密实混凝土超过了80万立方。日本已研制出使用寿命在500年以上的超高耐久混凝土。在中国：我国HPC研究应用发展较快，在北京静安大厦(C80)、辽宁物产大厦(C80)、北京西客站(C60)、上海金茂大厦(C60)、万县长江大桥(C60)等工程中应用了HPC。但我国由于缺乏统一规划，并且由于经费投入不足，导致对HPC进行系统研究，很多研究也只是低水平的重复追求混凝土的高强度。HPC的研究应用案例在美国：美国建有多幢超高强性能混凝土建筑。纽约州就建成了100多座具有高性能混凝土桥面的桥梁，此种桥面使用寿命预计将达到现在普通混凝土桥面的两倍，预计使用65年后才需要修复，设计寿命可达100年。西雅图市联邦广场大厦部分结构则使用了120MPa的超高强混凝土。不仅美国政府及专家热衷于HPC，承包商对使用HPC也有很高的热情。他们不要政府补贴，主动在工程中应用HPC，这样做，尽管会增加材料成本，但因改进了混凝土和易性和具有较高的早期强度，可加快施工进度。HPC的发展趋势之一：超高性能混凝土目前已出现超高性能混凝土(UltraHighPerformanceConcrete,UHPC),如活性混凝土(ReactivePowderConcrete,RPC)。其特点是高强度(RPC强度已达到200MPa)、高密实性；以大量的纤维增强来克服混凝土材料的脆性，利用假韧性来防止混凝土的突然断裂，可使断裂性能提高2个数量级，但造价比HPC高出很多。RPC将首先用在军事工程、核电站等中。加拿大已将RPC-200用在了一座桥上，法国正在一座核废料罐中研究应用RPC。1.2拌制HPC的主要技术途径与措施大量研究表明，影响混凝土性能，尤其是强度和耐久性的主要因素有两个：一是混凝土中硬化水泥浆体的孔穴率、孔分布和孔特征要想改善混凝土的强度和耐久性，必须降低混凝土中水泥石的孔穴率、改善孔分布(尽量降低有害大孔)、减少开口孔。研究表明，HPC中水泥石的孔穴率为18.8%，且孔半径小于2.5nm。而普通混凝土孔穴率、孔半径分别为26.7%、5nm。二是混凝土硬化水泥浆体与集料的界面应设法减少集料-浆体界面上主要由Ca(OH)2晶体定向排列组成的过渡带的厚度，从而增强界面的连接强度。上述两方面要得到改善，技术上有以下措施：（1）选用优质的、同时符合一定要求的水泥和粗细集料这是拌制HPC的基本条件，同时也是必要条件应设法减少集料-浆体界面上主要由Ca(OH)2晶体定向排列组成的过渡带的厚度。（2）选用高效减水剂在满足新拌混凝土大流动性的同时，降低水灰比，使混凝土中水泥石孔穴率降低。（3）选用具有一定潜水硬性的活性超细粉如硅灰、稻壳灰、超细沸石灰、超细矿渣灰、天然火山灰、粉煤灰等。这些活性超细粉在HPC中通过以下五种“粉体效应”发挥效能。五种粉体效应活性效应超细粉中的活性火山灰物质SiO2与水泥水化产生的Ca(OH)2发生火山灰反应，生成具有水硬性的水化产物，降低了水泥石中Ca(OH)2的含量，减少了由于Ca(OH)2与腐蚀介质中的有害离子发生化学反应而降低混凝土耐久性的可能性，同时使界面过渡区的厚度及过渡区Ca(OH)2富集和排列的程度。微集料效应超细粉本身细小，可以填充一般集料不能填充的孔隙。另外，活性火山灰反应产物形成的细小颗粒也能填充水泥石孔隙。复合胶凝效应如果在超细粉中加入一些对超细粉活性有激活作用的物质，活性反应会进一步加强，此为复合胶凝效应。置换效应和滚动润滑效应超细粉体中的非活性颗粒一方面因填充到原来被水占据的水泥间隙和絮凝状结构中，置换出水，从而改善水泥浆体的流动性；另一方面，超细球形颗粒在混凝土水泥浆体中起到滚动润滑作用，改善和易性和流动性。（4）改善混凝土施工工艺目前效果比较显著的有以下3种工艺：第一种：水泥裹砂混凝土搅拌工艺此法20世纪80年代起源于日本，此法拌制的混凝土称为SEC混凝土(SandEnvelopedCement)。相同原料和配比条件下，此法拌制的混凝土强度比一般拌制方法高20%，耐久性和抗渗性也大幅度提高。①投入砂子②加第一次水③加水泥④加入石子⑤加两次水和外加剂⑥出料搅拌1min搅拌2min搅拌2~3min搅拌2~3min第二种：采用超声波或高频振动密实法国Romet研究发现，振动破坏新拌混凝土气泡时，振动波频率与所被破坏的气泡的直径有关。其关系为：d=1.4×106/ω2ω——振动频率，次/min；d——所能破坏的最小直径，mm一般机械振动频率为5000~12000次/min,那么通过机械振动能破坏的气泡直径为0.01~0.056mm。也就是说,通过机械振动只能破坏直径大于0.01mm以上的气泡,而小于0.01mm以下的气泡就不能被破坏。以上分析表明，要想破坏直径更小的气泡，办法是：采用高频振动(ω≥20000次/min)。可破坏直径3.5×10-3的气泡。采用超声波振动(ω≥106次/min)。可破坏直径1.4×10-6的气泡。第三种：对浇筑成型的新拌混凝土进行真空吸水为了保证新拌混凝土的流动性，即使加入减水剂，拌和物中的含水量仍大大高于水泥水化所需的加水量。为解决此问题早在20世纪20年代就有人提出真空吸水的办法，但当时由于技术和成本的原因在实际工程中没有得到应用。20世纪70年代后，前苏联、瑞典等国对真空吸水设备进行了有效改进，使这项技术得到很快推广。特别是后来配制高强混凝土及HPC中发挥了重要作用。目前真空吸水作业方式有两种，表面真空吸水和内部真空吸水。表面真空吸水作业适合于楼面工程、屋面工程、道路工程、预制混凝土板工程等厚度较小、面积较大的施工。内部真空吸水适合于混凝土基础工程中体积较大的梁柱等混凝土工程的施工。施工程序为：作业时应注意：①应控制适宜的真空度，一般真空度可控制在0.05-0.07MPa，混凝土厚度越大，真空度可适当提高；②做好吸盘四周的密封；③真空度应先低后高；④真空作业时间与采用的真空度、环境温度、混凝土的配合比及要求的脱水量有关；⑤在真空吸水的同时，最好采用适当的机械振动，从而促使新拌制混凝土的“液化”而降低脱水阻力。浇筑振动抄平铺真空腔启动真空周边密封接抽吸管抹平施工顺序混凝土真空吸水机1.3HPC的原料选择与配合比设计1.3.1原料选择一、水泥原则上说，配制HPC应尽可能采用C3A含量低、强度等级高的水泥。但考虑生产成本等因素，不同强度和性能要求的HPC可选用不同标号、不同品种的水泥。一般而言，若采用较先进的施工工艺，并选用高效减水剂和比表面积较高的活性超细粉，可选用强度等级低一些的水泥(但不得低于42.5MPa)。水泥用量一般应控制在500~620kg/m3为宜。水泥用量太低，混凝土的强度会受到影响，太高会出现水化热释放过高，引起混凝土化学收缩、干湿变形和蠕变增加。椐资料报道，为了提高HPC的强度等级，国内外正在研究一些新型水泥，如调粒水泥、球状水泥、活化水泥等。二、集料HPC强度和耐久性提高的主要原因之一是集料与硬化水泥浆体界面得到了改善和强化。因此，集料的强度和表面性能及集料的级配对HPC的影响比普通混凝土更大。(一)粗集料——石子最好选用致密坚硬的花岗石、大理石、石灰岩、硬质砂岩等品种的粗集料。从改善粗集料与水泥浆体界面物理结合考虑，可优先考虑碎石。若配制泵送或大流动性的HPC，也可考虑采用卵石。从减少集料与水泥浆体界面应力集中和增加界面面积，使混凝土受载时受力更均匀考虑，应选用比普通混凝土集料粒径更小一些的集料。大多数研究者认为粗集料最大粒径应控制在10~20mm。在级配上宜采用连续级配，以利于增加混凝土结构的致密程度。(二)细集料——砂砂的品质应达到GB/T14684-93建筑用砂标准中规定的优质砂标准；砂的细度模数应控制在Mx=2.6~3.7之间，即采用中砂或粗纱。对于C50~C60的HPC，细度模数应控制Mx=2.2~2.6之间。有研究指出，配制的HPC强度等级要求越高，砂的细度模数应尽量采取上限。但如果采用一些特殊的级配和工艺措施，也可用Mx小于2.2的砂配制C50~C60的HPC。三、活性超细粉活性超细粉的种类和细度是影响HPC关键因素之一。活性超细粉的火山灰活性越大、细度越高，对HPC的性能提高越有利。目前配制HPC最有效的活性超细粉是硅灰，硅灰是配制C90以上HPC的首选材料。硅灰是生产硅铁和硅过程中的副产品。其主要成分是高细度的非晶态SiO2，其粒径可达到200nm，比表面积12000~25000m2/kg，因此，硅灰具有很高的火山灰活性，几乎完全能与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成低碱度的C-S-H凝胶。由于硅灰资源有限，近年来对矿渣超细粉、粉煤灰超细粉、沸石超细粉等研究增多。一般认为这些超细粉至少应具备600m2/kg的比表面积。目前矿渣超细粉、粉煤灰超细粉已经大量使用，并已商品化。超细磷渣、超细菲石粉在相当一部分工程中成功的得到应用。研究发现，由两种或两种以上不同种类的活性超细粉按比例复合比单掺效果要好，其作用机理不明，有待进一步研究。四、高效减水剂配制HPC的高效减水剂应满足以下要求：减水剂的减水率应大于20%，配制泵送HPC的高效减水剂其减水率应大于25%；新拌混凝土的落度经时损失要小；与所用的水泥相容性要好。目前市场上供应的高效减水剂主要有两大系列：芳香族萘磺酸盐系列的减水剂，如AN-3000，MF型、UNF型、FDN型、S型泵送剂；三聚氰胺系列的树脂型减水剂，如SM-1、SM-2等。目前用得最多的是NF型、FDN型、UNF型及AN-3000型，它们的减水率一般可达25%以上，其中AN-3000型，它们的减水率一般可达25%以