高性能高強混凝土PPT

1、高性能混凝土胡長明教授西安建筑科技大學(xué) 高性能混凝土(HPC)是一種新型高技術(shù)混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。它以耐久性作為設(shè)計的主要指標(biāo),針對不同用途要求,對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。 高性能混凝土在配置上的特點: 低水膠比; 優(yōu)質(zhì)原材料; 摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑; 作用：使其強度大幅度提高,界面結(jié)構(gòu)改善,抗?jié)B性和耐久性明顯提高。 HPC的定義 美國戰(zhàn)略公路研究項目(SHRP)的定義: W/C不大于0.35; 300次凍融循環(huán)后相對動彈模量80%; 澆注4h后強度達(dá)21MPa; 24h不小

2、于34MPa; 28d不小于67MPa; 強調(diào)混凝土的早強性能和高耐久性。 日本多數(shù)學(xué)者和工業(yè)界強調(diào)HPC是高強、超高強與高流態(tài)混凝土,認(rèn)為高性能首先必須具有高強度。 馮乃謙教授對HPC的定義為: W/C不大于0.38,體積穩(wěn)定性好的混凝土,其組成材料中必須含有高效減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉,混凝土56d的ASTMC1202,6h總導(dǎo)電量小于1000C,凍害地區(qū)凍融300次相對動彈模量不小于80%,抗壓強度不小于60MPa,并具有滿足施工要求的流動性和坍落度損失。 吳中偉院士談HPC 與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨特的性能： 1）高性能混凝土具有一定的強度和高抗?jié)B能力,但不一定具有高強度,

3、中、低強度亦可； 2）高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物應(yīng)具有較高的流動性,混凝土在成型過程中不分層、不離析;易充滿模型;泵送混凝土、自密實混凝土還具有良好的可泵性、自密實性能； 3）高性能混凝土的使用壽命長，對于一些特護(hù)工程的特殊部位，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的不是混凝土的強度，而是耐久性。能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50100年以上，是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的； 4）高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。 高性能混凝土就是能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土,能最大限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限,降低工程造價。 HPC

4、的發(fā)展及應(yīng)用的發(fā)展及應(yīng)用 20世紀(jì)90年代, 美國、加拿大、日本、挪威、德國、澳大利亞等,成為應(yīng)用高強高性能混凝土最多的國家； 德國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已達(dá)C110級,強度等級為當(dāng)今世界之最； 挪威為目前世界上強度等級第二高的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,已有 C105 級超高強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。 1993年美國聯(lián)邦公路管理局發(fā)起了在全國公路橋梁建設(shè)中推廣應(yīng)用 HPC的計劃； 芝加哥311大廈采用了C95的HPC； 西雅圖的雙聯(lián)大廈的混凝土強度等級為C130 。 20世紀(jì)70年代起我國開始發(fā)展高強與高流動混凝土； 1980年采用的高坍落度高強混凝土建成紅水河鐵路斜拉橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁 ； 199

5、1年我國最早應(yīng)用HPC建造廣東國貿(mào)大廈,采用C60的粉煤灰泵送HPC 。國內(nèi)HPC的研究 西南交大用52.5號硅酸鹽水泥摻入硅灰及高效減水劑制成了100.1MPa的超高強混凝土； 清華大學(xué)馮乃謙教授用中熱52.5號硅酸鹽水泥加硅灰及高效減水劑FDN,并加入CFA (控制坍落度損失),制得28天強度92.4MPa、坍落度20cm、2h無坍落度損失的超高強流態(tài)混凝土; 湖南大學(xué)黃政宇教授通過摻硅灰、高效減水劑和鋼纖維并加熱養(yǎng)護(hù)的技術(shù)途徑配制了抗壓強度高達(dá)200MPa的超高強鋼纖維混凝土; 重慶大學(xué)蒲心誠教授用堿礦渣技術(shù)路線制成了28d抗壓強度為117MPa的超高強混凝土,后又采用“普通52.5號水

6、泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術(shù)路線制得坍落度240mm以上,28d抗壓強度100MPa以上的超高性能混凝土;目前,用類似的技術(shù)路線已經(jīng)制得抗壓強度150MPa以上的混凝土。 湖南大學(xué)黃政宇教授通過摻硅灰、高效減水劑和鋼纖維并加熱養(yǎng)護(hù)的技術(shù)途徑配制了抗壓強度高達(dá)200MPa的超高強鋼纖維混凝土;重慶建筑大學(xué)蒲心誠教授用堿礦渣技術(shù)路線制成了28天抗壓強度為117MPa的超高強混凝土,后又采用“普通525號水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術(shù)路線制得坍落度240mm以上,28天抗壓強度100MPa以上的超高性能混凝土,目前,用類似的技術(shù)路線已經(jīng)制得抗壓強度150MPa以上的混

7、凝土。 HPC的性能及特點的性能及特點 HPC耐久性 混凝土的耐久性破壞主要有:混凝土碳化、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕、堿-骨料反應(yīng)、凍融破壞。 對于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC可以保證重要建筑在不利環(huán)境中使用100年，在正常環(huán)境使用200年，在特殊環(huán)境使用300年，而混凝土建筑的使用壽命可以預(yù)期達(dá)到500年。 HPC工作性 坍落度是評價混凝土工作性的主要指標(biāo),反應(yīng)混凝土拌和物在重力作用下的流動和變形能力。 HPC的坍落度控制功能好,但由于加入了減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉,在與普通混凝土在坍落度相同的情況下,粘度較大,使其在泵送中需施加更大的壓力。HPC粘性大,粗骨料下沉速度慢,在相同振動時間內(nèi),

8、下沉距離短,穩(wěn)定性和均勻性好。同時,由于HPC的水灰比低,自由水少,且摻入超細(xì)粉,基本上無泌水,其水泥漿的粘性大,很少產(chǎn)生離析的現(xiàn)象。 HPC力學(xué)性能 混凝土的強度有抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、疲勞強度、粘結(jié)強度。 HPC對力學(xué)性能的要求不僅體現(xiàn)在高強度上,還體現(xiàn)在高強度質(zhì)量上,即要求強度的分散性小,后期的強度增長穩(wěn)定。 HPC體積穩(wěn)定性 混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土在抵抗物理、化學(xué)作用下產(chǎn)生變形的能力?；炷恋捏w積變形包括收縮變形、彈性變形、徐變變形和溫度變形。 HPC的干縮隨著水灰比的增大而略有增大,混凝土在使用過程中會發(fā)生徐變,HPC的徐變較普通混凝土明顯減低,并隨強度的提高,最終單位

9、徐變減小。 HPC經(jīng)濟(jì)性 HPC較高的強度、良好的耐久性和工藝性都使其具有良好的經(jīng)濟(jì)性。HPC良好的耐久性可以減少結(jié)構(gòu)的維修費用,延長結(jié)構(gòu)的使用壽命,收到良好的經(jīng)濟(jì)效益；HPC的高強度可以減少構(gòu)件尺寸,減小自重,增加使用空間；HPC良好的工作性可以減少工人強度,加快施工速度,減少成本。 提高混凝土耐久性的技術(shù)途徑 一、摻入高性能減水劑 作用： 保證混凝土拌和物所需流動性的同時，降低用水量,減小水灰比,使混凝土的總孔隙,特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。 二、摻入高效活性礦物摻料 在普通混凝土中摻入活性礦物的目的,在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成?；钚缘V物摻料(矽灰、礦渣、粉煤灰等)中含有大量

10、活性 及活性 ,它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng),生成強度更高,穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化矽酸鈣,從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成,消除游離石灰的目的。2SiO23al O主要解決的工程難題 鋼筋密集、混凝土澆筑困難受力復(fù)雜或承擔(dān)內(nèi)力較大的構(gòu)件,配筋很密,混凝土澆筑非常困難,通過采用高流態(tài)的高性能混凝土,能保證順利施工和工程質(zhì)量。 耐磨性要求較高，高等級混凝土結(jié)構(gòu)路面要求較高的耐磨性能,通過配合比優(yōu)化設(shè)計,可以得到耐磨性能較好的高性能混凝土,提高混凝土路面的抗磨損性能。 耐久性要求較高,具有優(yōu)良耐久性能的高性能混凝土,用于建造碼頭、船塢、防波堤、采油平臺等港口和海洋

11、工程,可大大提高工程結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力和抵抗海浪沖刷的能力。 提高承載力隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加,底層受壓構(gòu)件的壓力迅速增大,如采用傳統(tǒng)混凝土,則構(gòu)件截面尺寸增大,影響底層的空間要求和使用功能。采用高性能混凝土,在保證構(gòu)件承載力的基礎(chǔ)上能有效減小截面尺寸,滿足高層和超高層建筑的需求。 泵送高度大。目前,混凝土的泵送施工非常普遍。對超高層建筑結(jié)構(gòu),泵送高度大,對混凝土的工作性要求較高。采用工作性能優(yōu)異的高性能混凝土,可使混凝土的一次泵送高度達(dá)到300m以上,從而大大降低施工難度?；炷良夹g(shù)重大突破的前提 一、新型高效減水劑的發(fā)明與應(yīng)用 二、礦物超細(xì)粉的回收、加工與應(yīng)用 三、纖維材料的發(fā)展利應(yīng)用 四、

12、新型水泥基材料的發(fā)明 MDF水泥基材料 MDF即無宏觀缺陷水泥材料,由Birchall提出,并于1979年由英國化學(xué)工業(yè)公司和牛津大學(xué)共同研究。 MDF由下列材料組成： 高強度等級硅酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥(9099) 水溶性樹脂(47),水灰比20。 缺陷：無流動性,成型困難,耐水性差,收縮大,至今仍未實用化。 DSP水泥基材料 DSP即超細(xì)粒子密實填充水泥基材料,由Bache詳細(xì)闡述。該項專利是在瑞典、挪威、冰島等國家對硅粉開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。 DSP模式 DSP的基本組成是水泥、硅粉和聚羧酸高性能減水劑。 工程應(yīng)用 廣州國際金融中心工程,該工程高度為435m, 大量使用了C70、C8

13、0、C90HPC,并研發(fā)C100 UHPC,實現(xiàn)超高泵送高度411m。 上海環(huán)球金融中心主樓設(shè)計采用了周邊剪力墻、交叉剪力墻和翼墻組成傳力體系，為了抵抗來自風(fēng)和地震的側(cè)向荷載,采用了巨型柱、巨型斜撐等構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu),此外巨型柱截面及空間位置變化較復(fù)雜,采用了多種強度等級的混凝土。 剪力墻C60混凝土的配合比設(shè)計分析 超高層建筑依據(jù)以往的經(jīng)驗1OOm高度以上泵送時,施工坍落度一般在18cm以上。 為確保泵送過程中混凝土的可泵性,混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)使混凝土有足夠的含漿量。 針對主樓結(jié)構(gòu)混凝土強度等級及泵送高度將泵送高度分為3個區(qū)間 131F剪力墻C60混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑170490

14、72010204.203267F剪力墻C60混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑1705007509804.306769F斜撐C40混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑1704408409503.9680F以上巨型柱C40混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑1854758508603.65泵送混凝土勻質(zhì)性控制的方法一、坍落形態(tài)的辨別 混凝土的坍落度和擴(kuò)展度關(guān)系 混凝土的坍落度和擴(kuò)展度關(guān)系 (a)、(b)表示不同坍落度大小的混凝土拌合物向四周均勻陷落,混凝土的流動性與黏聚性達(dá)到統(tǒng)一; 圖(c)則表示混凝土拌合物向兩側(cè)流動,中間部分殘留骨料,混凝土離析; 圖(d)則表示混凝土拌合物全部陷落,漿體不能包裹骨料,

15、混凝土離析嚴(yán)重。較理想的形態(tài)應(yīng)該是(a)與(b)。外加劑使用量與坍落度、擴(kuò)展度關(guān)系 外加劑使用量與坍落度、擴(kuò)展度關(guān)系 圖(a)、(b)隨著高性能外加劑使用量的增加,坍落度和擴(kuò)展度同時增大如,此時混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度呈同步趨勢,并接近平行線狀態(tài); 圖(c)則表示盡管擴(kuò)展度有所增加但坍落度基本不變或變化較小; 圖(d)隨著高性能外加劑使用量的增加坍落度和擴(kuò)展度同時急劇增大,兩條直線的斜率變大。 二、可泵性的量化 泵送高度在30-60m時,坍落度在10-16cm之間; 泵送高度在60-10Om時,坍落度在16-18cm之間; 泵送高度在10Om以上時,坍落度在18-23cm之間。 所需的最大

16、泵送壓力可以通過下式簡化計算 Pmax=10WH+P*LPmax一最大泵送壓力：W混凝土單位體積質(zhì)量，取2400kgm3;H泵送高度，根據(jù)主樓高度取500m;P每m壓力損失在此取0.015MPa;L輸送管的水平換算長度;三、最小水泥用量的控制 我國規(guī)定泵送混凝土的最小水泥用量為300kgm3 近年來外摻料的推廣應(yīng)用替代了一部分水泥,最小水泥用量有所下降,但限于目前技術(shù)水平外摻料還不能完全替代水泥,因此根據(jù)不同泵送高度規(guī)定混凝土的最小水泥用量是很有必要的。 泵送條件水平換算距離m400最小水泥用量kgm3210230250300380 金茂大廈座落在浦東陸家嘴路隧道出口處,是一幢“古塔”形的摩天

17、大樓,樓高420.5m,整體結(jié)構(gòu)分地下、地上二個部分：主樓基礎(chǔ)底板為1.35萬m3C50高強大體積混凝土。主樓有88層,其中核心筒、巨型柱、樓面三部分由鋼筋混凝土組成,其強度等級隨高度上升由C60過渡到C50,直至C40。塔尖高420.5m,預(yù)拌混凝土采用普茨曼固定泵,從地面一次泵送到頂,最高泵送高度為382.5m。 金茂大廈混凝土強度等級、樓層及泵送高度分布情況見表主要技術(shù)措施 一、優(yōu)化混凝土配合比。 首先優(yōu)選原材料,其次通過3種不同外加劑、3種不同水泥及其不同用量的各種配合比組合,經(jīng)過反復(fù)試驗比較,取優(yōu)化后的混凝土配合比為： 水水泥中砂540mm碎石級粉煤灰EA-2(緩) =0.4511.

18、492.500.1670.008(每m3混凝土水泥用量為420kg)。 二、外蓄內(nèi)散綜合養(yǎng)護(hù)措施。 厚度為4m的C50混凝土基礎(chǔ)承臺,如何減少溫度應(yīng)力和控制混凝土裂縫至關(guān)重要,除了優(yōu)化混凝土配合比、降低混凝土水化熱,混凝土輸送管道全程覆蓋灑冷水,以減少混凝土在泵送過程中吸收太陽的輻射熱,最大限度地降低混凝土入模溫度以及在承臺表面增設(shè)鋼筋網(wǎng)以控制表面收縮裂縫等措施外,還采用外蓄內(nèi)散法的綜合養(yǎng)護(hù)措施。 三、信息化自控技術(shù)。 為了掌握基礎(chǔ)承臺內(nèi)部混凝土實際溫度變化,了解冷卻水的進(jìn)、出水溫,將溫度傳感器預(yù)先埋設(shè)在混凝土的內(nèi)外各測點處,并用“大體積混凝土溫度微機(jī)自動測試儀”對各測點定時進(jìn)行即時測溫。 HPC存在的問題存在的問題 一、混凝土流動性損失問題控制。 混凝土流動性損失問題主要是由高效減水劑與水泥之間的相容性不好造成。解決的辦