高性能混凝土幻燈

*1鐵路客運(yùn)專線高性能混凝土*2總目錄一、混凝土發(fā)展歷史及相關(guān)問題二、客運(yùn)專線高性能混凝土相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)三、客運(yùn)專線高性能混凝土質(zhì)量控制要求四、客運(yùn)專線高性能混凝土的配制技術(shù)五、高性能混凝土施工控制及質(zhì)量檢驗(yàn)六、高性能混凝土尚存問題及改善途徑七、其它*中鐵一局鄭西客運(yùn)專線中心試驗(yàn)室3一.混凝土發(fā)展歷史及相關(guān)問題：混凝土(定義---類別—水泥,瀝青,聚合物,硫磺)5000年前，甘肅省秦安縣大地灣地區(qū)（草筋墻.炕）2000年前，古羅馬（地下水道.劇場、萬神廟等）建筑發(fā)展：宋代明代安徽和州城墻、南京城墻、河堤、橋等1824年，英國工人燒制出“波特蘭水泥”——硅酸鹽水泥原型(石灰石.粘土混合鍛燒~~生成硅酸二鈣.硅酸三鈣)上天、入地、下水近代誤區(qū)：片面追求強(qiáng)度——力學(xué)性能返回主目錄*4

1987年美國材料顧問委員會(huì)提交的一篇報(bào)告引起了轟動(dòng)，統(tǒng)計(jì)表明：美國近期混凝土腐蝕損失每年2760億美元（中國約2000億人民幣），約25.3萬座橋梁的混凝土橋面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破壞，且每年還將新增3.5萬座。

由于混凝土橋面板開裂普遍，因此轉(zhuǎn)向使用高強(qiáng)混凝土，但是看來這無濟(jì)于事。根據(jù)美國國家公路合作研究計(jì)劃1995年檢查的結(jié)果表明：10萬座混凝土橋面板是在混凝土澆筑后一個(gè)月內(nèi)就出現(xiàn)間隔1~3米的貫穿性裂縫。1.近代誤區(qū)—后遺癥*5★據(jù)統(tǒng)計(jì)：在正常工作條件下，混凝土結(jié)構(gòu)從建成到拆除重建的周期平均為40～50年。*6正常情況下，混凝土建筑40—50年毀壞非正常情況--------日本沿海港灣建筑、橋梁——10年開裂、剝落、鋼筋銹蝕外露中國——安徽佛子嶺水庫(年虧1700萬)北京西直門橋返回主目錄*7石家莊百孔橋大橋—鹽的腐蝕青藏公路橋梁墩柱凍融剝蝕*8*9一座橋何以只有二十年壽命？拆除前的西直門橋*10*11為什么混凝土結(jié)構(gòu)不耐久？◆水泥質(zhì)量—過細(xì)、水化過快（C3A）◆水泥用量—過多◆水灰比—過大◆混凝土早期強(qiáng)度—過高◆外加劑—過亂◆施工質(zhì)量—較差*12古羅馬萬神殿：公元128年(哈德聯(lián))大帝時(shí)期建造的一座建筑物，它的圓形壁厚6.1m;穹頂?shù)闹睆?3.3m、高21.6m，使用了12000噸輕混凝土。*13萬神殿內(nèi)景

*14古羅馬圓形劇場*15

當(dāng)代也有歷時(shí)100多年的波特蘭水泥混凝土建筑物

●英國南安普墩海港工程●美國西雅圖海濱海上水泥船●大連、廈門的混凝土炮臺(tái)●沿海、沿江商埠大量保存的混凝土建筑物*16這些建筑物耐久的共同特點(diǎn)：●采用符合現(xiàn)代耐久要求的膠凝材料(培燒粘土.石灰.石膏.火山灰.糯米汁.羊桃藤汁等)●復(fù)合使用有機(jī)外加劑（動(dòng)物油脂~牛油.桐油.乳液.動(dòng)物血~牛.豬血等）●低水灰比●工作性好，易于施工●勻質(zhì)性好●具有合理的孔結(jié)構(gòu)和密實(shí)度●采用嚴(yán)格的施工工藝*17

20世紀(jì)80年代，美國國家材料委員會(huì)提出：要為新世紀(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開發(fā)高性能的建筑材料，包括鋼材、混凝土、塑料等。(挪威)

1990年5月，在美國馬里蘭州由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和美國混凝土學(xué)會(huì)(ACI)主辦了第一次關(guān)于HPC的國際研討會(huì)，會(huì)議首次提出關(guān)于高性能混凝土的定義。(美國及日本學(xué)派)2.高性能混凝土的提出：*18國內(nèi)2000年建設(shè)部委托中國土木工程學(xué)會(huì)與清華大學(xué)土木系就建筑物耐久性與使用年限的課題進(jìn)行研究。2001年、2002年兩次學(xué)術(shù)會(huì)議上并在會(huì)后廣泛征求意見并多次修改，2003年6月對(duì)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》進(jìn)行審查和鑒定并獲得通過。該《指南》作為中國土木工程學(xué)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。鐵道部也同期進(jìn)行研究，(2001年6月29日開工修建的青藏線---50年耐久性混凝土）并于2005年開始在鐵路系統(tǒng)大面積推廣高性能混凝土。*19高性能混凝土以耐久性為基本要求并用常規(guī)材料和常規(guī)工藝制造的水泥基混凝土。這種混凝土在配比上的特點(diǎn)是摻加合格的礦物摻和料和高效減水劑，取用較低的水膠比和較少的水泥用量，并在制作上通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，使其達(dá)到良好的工作性、均勻性、密實(shí)性和體積穩(wěn)定性。

2005年中國土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn):混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南（CECS2004-01）*20混凝土高性能化的途徑和方法a降低水膠比：可大量減少水泥石的孔隙。水泥完全水化時(shí)結(jié)合水量占水泥質(zhì)量的0.227。水泥完全水化而無毛細(xì)孔時(shí)水膠比為0.379。水泥完全水化并具有最低毛細(xì)孔孔隙率時(shí)的水膠比為0.437。在無外加劑摻入的情況下，水灰比大于0.5時(shí)混凝土才具有可施工的流動(dòng)性。 水膠比越大，水化越充分，凝膠量越大，硬化后收縮越大。方法：摻入高效減水劑

*21

方法：摻入礦物質(zhì)摻合料:減少Ca(OH)2生成,并與其生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硫鋁酸鈣(AFt)

普通混凝土粗骨料與水泥石之間的界面上積滯著大量的Ca(OH)2；

Ca(OH)2在界面上的結(jié)晶與定向排列，是混凝土強(qiáng)度與耐久性低下的主要原因。改善砼中骨料與水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)，是高性能砼必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。b

改善砼中水泥石與粗骨料之間的界面結(jié)構(gòu)*22c

改善混凝土中水泥石的孔結(jié)構(gòu)

引入封閉孔（<200μm）。在相同的孔隙率下，封閉孔的滲透系數(shù)最低。（封閉孔可切斷毛細(xì)孔的通路，提高抗?jié)B性；同時(shí)對(duì)結(jié)冰水結(jié)晶壓力起緩沖作用）方法：摻入優(yōu)質(zhì)引氣劑(混凝土孔隙每增加1%,抗壓強(qiáng)度下降4%~5%,抗折強(qiáng)度下降2%~3%)*233.影響混凝土性能的因素（1）水泥特性對(duì)混凝土影響含堿量、比表面積、C3S、C3A、SO3(如后)（2）骨料特性對(duì)混凝土影響（3）礦物摻和料對(duì)混凝土性能的影響（4）拌和物特性對(duì)混凝土耐久性的影響水泥用量、用水量、摻和料的細(xì)度、外加劑

（5）澆筑特性對(duì)混凝土耐久性影響材料溫度及環(huán)境溫度、工作性、表面水分、養(yǎng)護(hù)（6）環(huán)境對(duì)混凝土耐久性的影響*24

粉煤灰（FA）：發(fā)電廠煤粉燃燒后的未燃盡無機(jī)殘?jiān)?。磨?xì)礦渣粉（BFS）：主要成份為CaO、Al2O3和SiO2等。來自于鐵礦石煉鐵高爐。硅粉（SF）：硅和含硅合金時(shí)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品。(一般摻5%~~10%,價(jià)高,國內(nèi)用于C80及以上混凝土)偏高嶺土粉（MK）：黏土經(jīng)煅燒生成的無定形鋁硅酸鹽。天然沸石粉（NZ）：礦物摻合料的功能不同，起著不同的作用。重點(diǎn)討論磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰。(3.)礦物摻合料*25礦物摻合料一般具有如下作用：四個(gè)效應(yīng)1填充效應(yīng)：填充骨料的間隙及形成潤滑膜；2強(qiáng)度效應(yīng)：對(duì)水泥的分散作用，降低水膠比，改善水泥在低水膠比下的水化環(huán)境；3流化效應(yīng)：形成較低水膠比、較大水灰比的有利環(huán)境；4耐久效應(yīng)：延緩初期水化速率，降低溫升，改善徐變能力，減小早期形成熱裂縫的危險(xiǎn)；消納氫氧化鈣，改善過渡區(qū)（火山灰反應(yīng)），同時(shí)生成膠凝性產(chǎn)物；*26摻入高效活性礦物摻和料作用：a、*礦物摻合料的細(xì)微顆粒（其平均粒徑小於水泥粒子的平均粒徑）能填充水泥粒子間空隙，使水泥石更致密，并阻斷可能形成的滲透通路。

b、*降低水化熱和需水量減少了水泥用量，從而減少了需水量、混凝土犮熱量及減少不穩(wěn)定物Ca(OH)2生成量；（摻用30％粉煤灰的水泥比100％的硅酸鹽水泥溫度約降低7度；摻用75％礦碴時(shí)，溫度約降12度而且峰值推遲；摻硅灰不降且峰值提前。)C、水泥石中水化物穩(wěn)定性不足，水泥水化后主要化合物是鹼度較高的高鹼性水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣。在水化物中還有數(shù)量很大的游離石灰，強(qiáng)度極低，穩(wěn)定性極差極易受侵蝕。要提高混凝土穩(wěn)定性須減少或消除這些穩(wěn)定性低的組分（主要Ca(OH)2），特別是游離石灰。*活性礦物摻和料（硅灰、礦碴、粉煤灰等）中含大量Sio2及活性AI2O3，它們能與上述物質(zhì)及Ca(OH)2二次反應(yīng)生成生成強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好的水化硅酸鈣(C-S-H)和Aft(水化硫鋁酸鈣)；達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)組成，消除游離石灰目的。又：摻和料除限制有害成分外，主要是檢測活性和需水量(粉煤灰尚應(yīng)限制含碳量)*27粉煤灰

粉煤灰的密度只有水泥的2/3（水泥密度一般為3.15，粉煤灰密度一般為2.3左右），因此采用大摻量粉煤灰混凝土，同時(shí)添加高效減水劑時(shí)，可以大幅度降低水膠比，獲得普通混凝土條件下無法達(dá)到的使用效果。(摻粉煤灰的混凝土干燥收縮小、需水量小，但抗碳化性能較差，90d以后，對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)和水泥相近）相同水膠比，摻量不超過20%,對(duì)混凝土影響不大（超過20%時(shí)對(duì)過量SO3引起的膨脹有抑制作用），溫升稍微降低；30％粉煤灰溫升降低約７℃．摻量超過25%，粉煤灰對(duì)混凝土性能才會(huì)有比較明顯的改善；應(yīng)根據(jù)粉煤灰摻量和水膠比關(guān)系來確定混凝土配合比（摻量根據(jù)工程性質(zhì)而定，大摻量粉煤灰水膠比應(yīng)低于0.40）。*28*29掃描電鏡下粉煤灰的形貌*30粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響1.新拌混凝土

1）增加漿體含量、增大粘聚性、不易離析，改善可泵性，容易振實(shí)；

2）延緩拌合物凝結(jié)時(shí)間，減小坍落度損失；

3）減小泌水速率，凝結(jié)時(shí)間延長(尤其低溫季節(jié)），需要及早覆蓋養(yǎng)護(hù)；

4）降低水化熱。*312.硬化混凝土

1）早期強(qiáng)度發(fā)展速率延緩（程度取決所用水泥），但也隨溫度升高加快；

2）早期應(yīng)力松弛作用強(qiáng)，抗裂性能好；

3）后期微結(jié)構(gòu)密實(shí)、強(qiáng)度增長幅度大，耐久性良好；

4）預(yù)防混凝土的耐久性病害發(fā)生，如堿—骨料反應(yīng)。

5）提高混凝土抵抗環(huán)境因素劣化破壞的能力?？沽蛩猁}侵蝕、抗氯離子滲透等。*32*33

目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)有關(guān)粉煤灰混凝土的研究，都是在相同膠凝材料用量前提下，變化水泥與粉煤灰摻量，而不調(diào)整混凝土水膠比；以等坍落度評(píng)價(jià)拌合物的工作度；以檢測普通水泥混凝土的20℃養(yǎng)護(hù)試件進(jìn)行比較研究，其結(jié)果必然是隨著粉煤灰摻量增大、水泥用量減少，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展速率和抗碳化等耐久性能指標(biāo)下降。實(shí)際上，在骨料、粉煤灰的質(zhì)量改善的前提下，變化拌合物的水膠比、適當(dāng)調(diào)整混凝土拌合物的坍落度，完全可以配制出粉煤灰摻量大、強(qiáng)度發(fā)展?jié)M足工程要求，且其他性能優(yōu)異的高性能混凝土。*34大摻量粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律水泥150kg/m3;粉煤灰200kg/m3；水膠比0.29混凝土抗壓強(qiáng)度：3天22MPa

（試件）7天34MPa28天52MPa90天70MPa365天100MPa*35杭州灣大橋C40承臺(tái)海工HPC配合比

編號(hào)水泥+礦粉+粉煤灰砂石減水劑阻銹劑水膠比H013162+122+121=40578310394.868.10.33H014122+162+121=40577510274.868.10.33H015162+81+162=40578810324.868.10.33編號(hào)坍落度(mm)流動(dòng)性粘度抗裂性抗壓強(qiáng)度（MPa）84d氯離子擴(kuò)散系數(shù)(×10－12m2/s)7d28dH013190較好稍大無裂紋43.961.70.77H014190較好較大無裂紋40.155.30.54H015200較好一般無裂紋42.457.40.71*36磨細(xì)高爐礦渣1）需要干燥后粉磨，使用成本較高；2）密度（密度為2.85～2.95g/m3）、需水量不大，與水泥接近，需水量隨粉磨細(xì)度變化小，對(duì)強(qiáng)度有利，但自干燥收縮較大；過粗泌水;過細(xì)發(fā)粘;3）隨細(xì)度增大，混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展加快，適用于蒸養(yǎng)制品；4）開始水化后呈加速，比水泥快，摻量在70%以上，才能起明顯降低溫升效果（一般降低12℃左右）。

5)單摻最佳摻量為30～50%。一般比表面積不超過500m2/Kg。比表面積或者摻量過大，則混凝土粘稠。*37水泥顆粒微礦粉顆粒微礦粉顆粒*38水化硅酸鈣凝膠氫氧化鈣晶體

無微礦粉混凝土的水化產(chǎn)物*39摻加微礦粉混凝土的水化產(chǎn)物致密的水化硅酸鈣凝膠*407.1減水劑

品種性能第一代減水劑第二代減水劑第三代減水劑木鈣、木鈉、木鎂等萘系、密胺系、氨基磺酸系、脂肪系等聚羧酸系減水率一般摻量：5%~8%飽和摻量：12%左右一般摻量：15%~20%飽和摻量：30%左右一般摻量：25%~30%飽和摻量：大于45%對(duì)混凝土拌合物綜合性能的影響超摻時(shí)，緩凝嚴(yán)重，引氣量大，強(qiáng)度下降嚴(yán)重，單用時(shí)易引起混凝土質(zhì)量事故摻萘系混凝土拌合物的坍落度損失大、易泌水摻密胺系混凝土拌合物坍落度損失大、粘度大混凝土拌合物流動(dòng)性和流動(dòng)性保持好，很少發(fā)生泌水、分層、緩凝等現(xiàn)象強(qiáng)度發(fā)展28d強(qiáng)度比一般在115%左右28d強(qiáng)度比一般在120%~135%左右28d強(qiáng)度比一般在140%以上對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性影響不大萘系增加混凝土塑性收縮，一般也增加混凝土28d的收縮率。密胺系可降低混凝土28d