1、第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册第三编高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术 第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术 第二章高强高性能混凝土 第一节高强高性能混凝土研究开发概况 一概论 混凝土材料被认为是耐久性最好的传统建筑材料为适应社会的发展的需要其内涵如同现代科学技术一样也发生着日新月异的变化不论是原材料配合比设计技术还是混凝土生产运输和它的质量控制技术都发生着深刻的变化尤其是它的性能即为适应现代化施工需要的拌和物的性能在严酷的条件的耐久性以及它的各种物理力学性能都达到了一个新水平为与传统的混凝土技术相区别称之为高性能混凝土High Perfo
2、rmance Concrete简称HPC然而到目前为止还没有一个确切的定义不同学者站在不同的角度其定义也有所不同但有一点是共同的高性能混凝土特别强调耐久性这是区别普通混凝土的一个重要标志综合起来高性能混凝土的内涵归纳如下高性能混凝土是一种新型的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耐久性作为设计的主要指标针对不同用途要求保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久性高工作性高体积稳定性和经济性为此高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比选用优质原材料并除水泥水集料外必须掺加足够数量的磨细矿物掺和料和高性能外加剂 关于高强混凝土与高性能混凝土的关系我们赞同吴中伟院
3、士的观点高强混凝土不一定是高性能混凝土高性能混凝土不只是高强混凝土而是包括各种强度等级的混凝土其应用范围十分广泛这也正是高性能混凝土成为混凝土发展方向的重要原因 二研究开发概况 1 各国政府高度重视对高性能混凝土的开发和研究 建筑工程项目推广应用新技术手册第三编高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术 19861993年法国由政府组织包括政府研究机构高等院校建筑公司等23个单位开展了混凝土新方法的研究项目进行高性能混凝土的研究并建成了示范工程如Joigny城的一座三跨后张法预应力钢筋混凝土桥其混凝土强度等级相当于我国C70比原设计的 C40减少混凝土量30减少自重24Civaux 核电站2号反应堆
4、预应力钢筋混凝土安全壳高85m直径44m第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册混凝土强度等级为C70其水泥用量只有240kgm3有很高的气密性 1996年法国公共工程部教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目高性能混凝土2000 投入研究经费 550万美元 日本建设省于1988 1993年进行了一项综合开发计划钢筋混凝土结构建筑物的超轻质超高层化技术的开发简称新RC计划为实施该项研究计划共成立了五个分科会其中高强混凝土材料分会由水泥协会建筑协会建设省研究所建材实验中心化学外加剂协会等机构和多所高等院校以及有关公司参加挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金S
5、INEF持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究 1994年美国联邦政府16 个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议并决定在10年内投资 2亿美元进行研究和开发美国国家自然科学基金NSF美国国家标准与技术研究所NIST美国联邦公路管理局FHWA 以及一些州政府的运输部和美国工程兵等机构都一直投入大量经费资助高强混凝土和高性能混凝土的研究 NSF以每年200万美元的经费定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究中心对高性能混凝土的研究 瑞典1991 1997年由政府和企业联合出资5200万克朗实施高性能混凝土研究的国家计划 1999年美国 NIST的建筑与防火研究实验室
6、BFRL在国际互联网上公布了一个高性能混凝土技术的伙伴关系Partnership for High Performance Concrete Technology缩写为PHPCT 由工业界四个大企业和国家预控混凝土协会波特兰水泥协会协作承担商品高性能混凝土结构项目中计算机集成知识系统CIKS的开发的国家重点研究 计划包括7个专题专题0 为计算机集成知识系统的开发 HYPERCON专题(1)为 HPC的制备工艺过程专题2为混凝土和混凝土材料的特征化专题3为性能预测专题4为高强度高性能混凝土在火中的结构性能专题5 为结构性能专题6为HPC的经济性重点是性能检验和预测工具的开发和应用这是优化可靠的H
7、PC产品和给出可由最有效的途径得到的知识所必需的 (2) 高性能混凝土的经济效益 10多年来由于各国政府对高性能混凝土技术进行了大量的研究取得了丰硕的成果并在工程实践中推广应用随着推广应用范围的扩大社会效益和经济效益日益显著1990年美国NIST指出应用高性能混凝土能获得经济效益的工程项目如下 1 首要类已得到应用的有柱楼板大跨度桥梁抢修停车场道面可能开发第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册应用的有基础后张预应力板冬季施工1995年在我国已用于柱加快施工化工和食品加工厂危险废弃物贮存预制与预应力混凝土公共卫生结构物抗震抢修工程等 2 次要类已得到应用的有离
8、岸海上漂浮建筑可能开发应用的有军用结构高速铁路离岸海上重力式结构建筑1995年在北欧已用隧道救助结构等 3 特殊结构可开发应用的如月球混凝土自动化施工建筑等近年来我国高强高性能混凝土的研究应用在有限的经费支持下发展较快但缺少统一规划和计划并由于经费不足而缺乏系统研究有很多研究只是在低水平地重复追求混凝土的高强度 第二节高性能混凝土的组成和结构特征 材料的宏观物理力学性能取决于材料的成分和其结构特征要了解高性能混凝土的结构特征必须首先了解普通混凝土的结构特征一混凝土材料的结构特征混凝土材料的结构特征可分为宏观结构macrommm级亚微观结构submicromnm级和微观结构micronmA级 1
9、 宏观结构 从宏观结构来看混凝土结构特征混凝土是一种多孔孔洞毛细管多相水泥石粗骨料细骨料水空气非匀质的复杂体我们看到的是孔洞水泥石砂浆和粗骨料以往我们都是从宏观结构来设计和判别混凝土性能的如混凝土原材料的选用配合比设计等影响混凝土强度最主要因素是混凝土的孔隙率即mmm级的毛细孔我们采用低水灰比以尽量提高混凝土的密实度减小混凝土的孔隙率来提高混凝土的强度这就是我们常用的水灰比定则其他如石子的针片状含量砂石级配含泥量砂率等混凝土配合比 设计参数都是从如何改善混凝土的宏观结构来提高混凝土的拌和物的性能和硬化后混凝土的各种物理力学性能 2 亚微观结构 从亚微观结构来观察混凝土的结构特征等于把混凝土的宏
10、观结构放大了1000倍从亚微观结构中我们可以解释在宏观层次中解释不了的问题 从亚微观结构看水泥石这时我们看到的是水泥水化后的各种水化产物未水化的水泥颗粒和各种在宏观结构中所看不到的凝胶孔组成这使我们认识到在混凝土中还有很多未水化的 水泥颗粒而且水灰比越小未水化的水泥颗粒越多然而强度却越高但也不是水灰比越小未水化水泥颗粒越多越好混凝土的收缩和徐变是由水泥水化产物多少及其形态决定的在相同的龄期的情况下水泥水化越充分水化产物越多则硬化后混凝土的收缩和徐变越大反之则越小水泥水化产物的结晶形态越高收缩和第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册徐变越小反之则越大从中也使我
11、们找到进一步提高混凝土体积稳定性的正确的技术途径在亚微观结构层次中我们真正认识到混凝土的孔结构比孔隙率对混凝土的宏观性能的影响更大更重要从亚微观的层次来分析混凝土的孔隙率影响混凝土宏观性能不是孔隙率而是孔分布混凝土孔分布及其影响系数之间关系如图321所示 美国学者Mehta PK将混凝土中的孔分为四个等级即小于45nm4.550nm50100nm大于100nm的孔他认为只有大于100nm的孔才是影响混凝土的强度和渗透性的有害孔从而对孔隙率有了进一步的认识混凝土的破坏常常发生在界面从宏观结构来看界面由于集料和水泥石的弹性模量和热膨胀系数不同当混凝土受力或温度湿度发生变化时由于水泥石和集料的变形不
12、同从而使集料和水泥石界面产生裂缝还由于集料下面容易形成水囊而产生薄弱环节最终导致界面首先破坏而从混凝土的亚微观结构中找到了提高混凝土界面强度的技术途径图321 孔分级分孔隙率和影响系数的关系 从混凝土的亚微观结构中集料和胶凝材料界面的过渡区的结构形态如图322所示 图322 典型的混凝土界面过渡层模型 这个过渡区的结构与水泥石有较大的区别从集料表面到水泥石有一个小于100m的过渡层这层过渡层有以下几个特点 1 水灰比从集料到水泥石逐渐减小直至水泥石相同 2 近集料表面CaOH2六方晶体越大且以层状平行于集料表面生长其取向程度随集料表面的距离而下降 3 钙矾石结晶颗粒多而大 4 孔隙率大CSH凝
13、胶少强度低从界面层的微结构可以清楚地看到它是一个薄弱环节要提高混凝土的性能必须首先改善界面的微结构 3. 微观结构 从微观结构来看混凝土就可以看到混凝土中的各分子分子键和原子这是材料科学的最高层次现在的科学还没有到达这个层次相信在不久的将来在微观结构层次中人们可以随心所欲地设计理想的材料 二高性能混凝土材料的结构特征 1 概述 高性能混凝土的特征首先应是具有良好的耐久性良好的耐久性可以从高性能混凝土水泥石孔结构和界面特征加以表述从普通混凝土的水泥石的亚微观结构可以看出它直接影响混凝土的性能混凝土的强度混凝土的体积稳定性都是由水泥石的亚微观结构决定的在水泥石中应消灭第三编 高性能预应力混凝土与高
14、效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册或尽可能消灭100nm以上的有害孔使水泥石的孔结构对混凝土的性能不造成负面影响所以我们对于不同用途不同使用部位不同施工方法不同使用环境的混凝土应对混凝土的材料组成制备方法都有不同的要求以取得最佳的性能界面微结构也是影响混凝土性能的主要因素之一彻底改善混凝土的界面结构才能达到高性能高性能混凝土集料和水泥石的界面应消除如同普通混凝土界面薄弱层并使其界面粘结强度大于等于水泥石或集料母体的强度彻底消除因界面而影响混凝土性能的不利因素 2 高性能混凝土的结构特征 综上所述高性能混凝土的结构特征如下 1 孔隙率低有良好的孔分布不存在或有极少量的100nm 以上的
15、有害孔 2 水化物中CSH和AFt多而CaOH2 少 3 包括矿物掺和料在内的未水化颗粒多且具有最佳孔隙率和最佳水泥结晶度 4 消除了集料和水泥石界面薄弱层使界面强度接近于水泥石或集料强度 第三节高性能混凝土技术内容 一高性能混凝土原材料 1 水泥 水泥和减水剂之间的适应性问题在普通混凝土中就存在例如含木质素磺酸盐的减水剂和含有硬石膏的水泥的适应性就很差在低水胶比的高性能混凝土中适应性问题就更突出与水泥和高效减水剂适应性有关的影响因素也更明显水泥与超塑化剂的适应性不好时不仅会影响超塑化剂的减水率更重要的是会造成混凝土严重的坍落度损失有的混凝土拌 和物搅拌后经半小时坍落度就可损失一半以上影响水泥
16、与超塑化剂适应性的主要因素对水泥来说是SO3含量同水泥中C3A 细度和碱含量的匹配aC3A 含量常温下在无石膏存在时C3A按下列方式极迅速地水化生成水化铝酸钙2C3A21H2OC4AH13C2AH8在有石膏存在时就生成不同的产物钙矾石C3A3CaSO42H2O26H2OC3A3CaSO432H2O钙矾石而且延缓了C3A的水化进程这样随时间而溶出适当水平的Ca2 和SO2-4可以在12h内抑制C3A的水化而使水泥浆体或混凝土获得所需的工作性如果Ca2和SO2-4 的水平不足则可能由于 C3A的迅速水化而发生速凝影响水泥的流变行为在配制高强混凝土时由于超塑化剂的使用可使水胶比降低到小于04甚至小于
17、03水泥中的水很少时SO2-4在水泥浆体中的溶出第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册量很少尤其当水泥中C3A含量和比表面积较大时如为了提高水泥早期强度和降低烧成温度而生产的R型水泥水泥水化加快其中水化速度极快的C3A和石膏争夺水分溶解速率和溶解度比C3A 的低得多的石膏在液相中溶出的SO2-4 更显不足而造成水泥和超塑化剂相适应性问题 b 熟料中的碱含量 煅烧水泥熟料所使用土质中一般都不同程度地含有K2O和Na2O在水泥煅烧过程中这些碱会固溶在熟料矿物中提高了熟料中的含碱量影响了熟料矿物的结构组成和水泥水化的性质在水泥水化时由于熟料中含碱量提高加速了C3A
18、的水化使水泥的流变性能变差后期强度降低 c 颗粒组成 如果水泥的粗细颗粒级配恰当则可得到良好的流变性能水泥中330m的颗粒主要起强度增长的作用其中小于10m的颗粒主要起早强的作用大于60m的颗粒则对强度不起作用因此 330m的颗粒应当占90以上但颗粒小于10m时需水量大因此流性能好的水泥小于10m 的颗粒应当少于10国外还有球状水泥和调粒水泥球状水泥的表面由于摩擦粉碎熟料矿物表面没有裂纹凹凸部分与棱角部分都消失了呈球形而且几乎都是130m大小的颗粒平均粒径较小微粉量较低因此水泥颗粒具有高的流动性与填充性在保持坍落度相同的条件下 球状水泥的用水量比普通水泥的用水量降低10左右调粒水泥是将水泥组成
19、中的粒度分布进行调整提高胶凝材料的填充率并使水泥颗粒的最大粒径增大粒度分布向粗的方向移动同时还掺入超细粉以获得最密实的填充这样就能获得流动性好的水泥浆这种胶凝材料具有适当的早期强度水化热低水化放热速率慢等方面的优良性能 由此可见应当综合水泥的流变性能强度和耐久性等其他指标对水泥的原材料组分进行优化随着高性能混凝土的发展生产适用于高性能混凝土的水泥势在必行 2 矿物掺和料 在配制混凝土时加入较大量磨细矿物掺和料可降低温升改善工作性增进后期强度并可改善混凝土的内部结构提高抗腐蚀能力尤其是磨细矿物掺和料对碱集料反应的抑制作用已引起国内外专业人员的极大兴趣因此国外将这种混合材料称为辅助胶凝材料是高性能
20、不仅高强混凝土不可缺少的组分但有一个概念要弄清磨细矿物掺和料不等于水泥中的掺和料如矿渣水泥是水泥熟料和矿渣一起球磨而得由于矿渣比熟料难磨当熟料磨到一定的细度后矿渣仍不够细以至水泥保水性很差耐久性不好如果延长粉磨时间使矿渣磨细则熟料就会太细使水泥加速水化从第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册而加快坍落度损失这两种情况都不适用于高性能混凝土因此只有使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥再掺用磨细矿物掺和料才能配制高性能混凝土 1 磨细矿物掺和料的分类 磨细矿物掺和料基本可分为四类 有胶凝性或称潜在活性的磨细矿物掺和料如粒化高炉矿渣水硬性石灰 有火山灰性的火山灰性系指本
21、身没有或极少有胶凝性但其粉末状态在有水存在时能与CaOH2 在常温下发生化学反应生成具有胶凝性的组分例如粉煤灰原状的或煅烧的酸性火山玻璃和硅藻土某些煅烧页岩和粘土以及某些工业废渣如硅灰同时具有胶凝性和火山灰性的如高钙粉煤灰或增钙液态渣沸腾炉流化床燃煤脱硫排放的废渣固硫渣等粒化高炉矿渣实际上也同时具有火山灰性其他未包括在上述三类中的本身具有一定化学反应性的材料如磨细的石灰岩石英砂白云岩以及各种硅质岩石的产物这类材料过去一直被看做是惰性的物质对用于高性能混凝土的磨细矿物掺和料品质的要求除限制有害组分含量外主要是活性和需水量磨细矿物掺和料的活性用饱和石灰水沸煮的方法加速活性细掺料同石灰的反应检测 上
22、述沸煮后的溶液中SiO2和Al2O3称作活性SiO2和Al2O3的含量以此评定其活性 2 常用的活性矿物掺和料硅灰 硅粉是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时从烟尘中收集的一种飞灰硅粉的颗粒主要呈球状平均粒径约01m用氮气吸附方法测定的比表面积达20000m2kg比水泥颗粒细两个数量级硅灰中SiO2含量与生产合金的类型不同而不同在很宽的范围内变动3098在高性能混凝土中用的硅粉SiO2的含量应大于90其中活性的在饱和石灰水中可溶 SiO2达40以上因而具有高的活性以10的硅灰等量取代水泥混凝土强度可提高 25以上硅灰的质量可用SiO2含量和活性率来检验混凝土中掺入硅灰后随着硅灰掺量的提高需水量增大
23、自收缩增大因此一般将硅灰的掺量控制在51 0之间并用高效减水剂来调节需水量硅灰由于其具有很高的活性而在国外被广泛用于高强混凝土中在我国则因其产量很低目前价格很高出于经济的考虑一般混凝土强度高于80MPa时才考虑掺用硅粉粉煤灰 粉煤灰是发电厂排放出的烟道灰含有急冷无定型具有活性的实心和中空玻璃微珠以及少量其他物质组成原状粉煤灰的细度和含碳量与煤的品质电厂的收尘装置锅炉的特性及燃烧技术有关用于高强度高性能混凝土的粉煤灰要选用含碳量低需水量小以及细度大的优质粉煤灰烧失第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册量最好的低于3需水量比小于 95细度45m方孔筛余量小于 1
24、0对于含碳量很低粉煤灰对细度不必苛求必要时较粗的原状灰粉磨后不但可提高其比表面积而且不增加其需水量比近年人们对粉煤灰的认识和实践迅速提高粉煤灰现已成为混凝土不可缺少的组分在相同水胶比下粉煤灰的掺量不超过20时对混凝土性能的影响不大只是混凝土的温升稍有降低只有掺量超过25时粉煤灰对混凝土的性能才会有明显的改善正如英国DunstanM所说必须把粉煤灰当作除水泥水和集料外的第四组分而不是一种替代物来使用才能使粉煤灰得到有效的利用磨细矿渣粒化高炉矿渣简称矿渣除在水淬时形成的大量玻璃体外矿渣中还含有钙镁铝黄长石 和少量的硅酸一钙或硅酸二钙等结晶态组分因此它具有微弱的水硬性粒径大于45m的矿渣颗粒很难参与
25、水化反应因此要求用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2kg以较充分地发挥其活性减小泌水性日本在1988 年开始的为期五年的建设省综合技术开发计划钢筋混凝土结构建筑物的超轻质超高层化技术的开发简称新RC总计划期间研究了用于配制高强混凝土的矿渣微粉的性质所用矿渣的比表面积为6001000mkg矿渣磨得越细其活性越高粉磨矿渣消耗能源越高成本较高矿渣粉磨得越细掺量越大则低水胶比的高性能混凝土拌和物越稠和需水量比低的粉煤灰复合掺入时上述问题可以得到缓解磨细矿渣掺量超过70 时自收缩可减小水化热可降低 天然沸石岩 天然沸石凝灰岩中有活性的沸石含量差别很大低的为30高的可达90 天然沸石凝灰岩所
26、含沸石有30余种如斜发沸石片沸石丝光沸石菱沸石钙十字沸石方沸石等其中适于作水泥混凝土细掺料的为斜发沸石或丝光沸石均为钙型沸石即沸石孔穴中的配位阳离子以Ca2为主占阳离子总量50以上适用于高性能混凝土的超细沸石粉是采用上述含钙型沸石研磨而成的平均粒径小于10m天然沸石是一族架状构造的含水铝硅酸盐矿物其主要活性成分也是活性SiO2和活性Al3O3两种活性成分的总含量在80 左右磨细石灰石粉石英砂粉磨细石灰石粉石英砂粉等很低活性的细掺料主要用于改善混凝土的工作性和降低温升掺量应小于10否则会影响混凝土的强度在混凝土中掺入约2磨细的石灰石粉有利于提高早期强度它能与水泥中的C3A反应生成水化碳铝酸钙C3
27、A3CaCO332H 2O意大利的Ozernin W 通过简单的试验证明了固体物质的物理状态可以产生强度100g 粗石英砂和 20g水混合时不产生强度将石英砂磨细至与水泥细度相同时同样配合比的试样具有一定的强度将石英砂磨细至第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册比表面积为2000mkg时挤压成型的圆柱体能承受 100N以上的荷载因此不能简单地将这类细掺料当作纯粹的惰性细掺料它在水泥中的作用主要是在粉细状态时产生微粒效应将其磨细掺入混凝土对提高混凝土的 强度抗渗性和抗化学侵蚀性具有良好的效果偏高岭土细掺料偏高岭土细掺料是在一定温度和条件控制下煅烧的高岭土经急冷
28、后磨细具有较高的火山灰活性的磨细掺和料高岭土的主要矿物组成是一种铝硅酸盐矿物AlO32SiO22H2O在600下煅烧的高岭土首先脱水成偏高岭石Al2O32SiO2然后一部分分解成无定形SiO2和Al2O3产物还保留一部分无水铝硅酸盐结晶磨细后属于火山灰质的磨细矿物掺和料Caldarone MA和Gruber KA试验结果表明偏高岭土的需水量小于硅灰的需水量而增强效果与硅灰相差无几但是硅灰是一种工业废物偏高岭土却需要专门工艺加工 在硅灰资源较多的国家首选的当然还是硅灰硅灰的使用技术已较成熟而开发这种偏高岭土细掺料则还需要进行大量的试验研究而且要进行经济分析 3 集料 粗集料天然岩石一般强度都很高
29、在80150MPa 因此对于 C50C80混凝土最重要的不是强度而是粗集料的粒形特征包括粒形粒径表面状况级配以及分化石含量等在高强高性能混凝土中集料的粒形特征对混凝土的强度和性能影响更大关于粗集料的选用在本章第二节中详述 细集料 细集料宜选用石英含量高颗粒形状浑圆洁净具有平滑筛分曲线的中粗砂细度模数在2632 之间细度模数在 3附近时混凝土工作性最好强度最高应按砂石标准严格控制砂子的质量尤其是含泥量和泥块含量以确保混凝土的质量 4 高性能超塑化剂 高性能超塑化剂是配制高性能混凝土必不可少的关键材料选用高性能超塑化剂时应根据所配制的高性能混凝土的特点选择具备相应性能的外加剂高性能混凝土外加剂通常
30、具备以下全部性能或部分性能 高减水率 这是高性能混凝土外加剂所必备的性能只有高减水率才能有效地减少混凝土的用水量从而达到低孔隙率高密实度提高混凝土的耐久性只有在低水灰比的情况下才能发挥超细活性掺和料微粒效应大幅度提高混凝土的强度和耐久性也只有在低水灰比的条件下超细活性掺和料才能第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册大大地改善混凝土内部的界面结构进一步减少混凝土内部的缺陷提高混凝土的结构强度和耐久性引气量小或引气后应具有良好的孔结构在混凝土中引入一定量的孔对提高混凝土的施工性能和耐久性都具有好处比如在普通混凝土中含气量能提高混凝土的抗冻性和和易性然而良好的孔结
31、构对高性能混凝土至关重要从以上可以知道100m以下的孔是少害孔或无害孔100200m的孔是有害孔而200m以上是极有害孔在高性能混凝土中我们的目的是消灭200m以上的极有害孔当然不可能完全消灭但要求混凝土中200m以上的有害孔尽量少争取控制在孔总体积的2 以内这就要求高性能外加剂引气质量要高必须能引入大量封闭小于200m的微气孔这样不但能提高混凝土的施工性能还能提高混凝土的耐久性对于高性能混凝土还要控制一定的含气量特别要控制100m以上有害孔的数量如果100m以上孔的数量能控制在孔总体积的2那么水泥浆体的抗压强度能达到150250MPa 和抗弯强度能达到40150MPa这就是有名的无宏观缺陷水
32、泥Macro Defect Free Cement简称MDF在日本称之为高性能引气型AE减水剂其特点是既具有高减水率2030 又引入大量微气泡不影响强度还有控制坍落度损失的性能从而能按指定性能进行设计和控制混凝土 增稠 对于混凝土拌和物施工性能来说既要混凝土拌和物流动性大又要混凝土抗离析性能强这样混凝土易于密实成型后得到各向同性的匀质的混凝土流动性与抗离析性能是矛盾体的两个方面对同一种配比的混凝土拌和物流动性大了抗离析性能会降低反之也然如何使混凝土的流动性大而抗离析性能不降低呢唯一的方法是增加混凝土拌和物的稠度只有混凝土稠度增大了才有可能使混凝土在很大流动度的情况下不离析不分层然而稠度增大会引
33、起混凝土流动性经时损失增大 增加混凝土拌和物稠度的方法可在外加剂中复合增稠剂常用的增稠剂可分为纤维素和 丙烯酸两类纤维素类有羟基丙酸甲基纤维素羟乙基甲基纤维素和羟乙基纤维素丙烯酸类的有聚丙烯酸胺部分水化物丙烯酸胺和丙烯酸共聚物等 减缩 由于高性能混凝土要求低水灰比高流动度势必要增加混凝土的总细粉用量和砂率而混凝土总细粉用量和砂率的增加会导致混凝土收缩的增加在刚开始推广高强混凝土时有些工程用C60混凝土或高性能混凝土时发现裂缝比普通混凝土还厉害就是这个原因所以要保持高性能混凝土的体积稳定性不但要尽量减少细粉总用量而且外加剂中还必须含有能第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广
34、应用新技术手册减少混凝土收缩的成分使混凝土的体积稳定性大大优于普通混凝土才能做到高性能增强普通混凝土减水剂的增强机理是由于减水剂减少了单位混凝土的用水量减小了水灰比按水灰比定则混凝土强度得到了提高高性能混凝土外加剂在混凝土配合比水灰比相同的条件下比普通外加剂萘系高效减水剂的强度还要提高10以上这无疑对高性能混凝土的配制带来了福音为进一步减少总细粉用量成为可能 保塑性好 为满足施工需要混凝土拌和物必须在一定时间内保持良好的流动性混凝土拌制后拌和物的流动性随着水泥水化的进程渐渐失去流动性一般的方法是在外加剂中复合缓凝剂然而过多的缓凝剂会延长混凝土的凝结时间从而影响拆模时间和施工进度中国建筑科学研究
35、院最近研制开发的新型高性能混凝土超塑化剂具有减水率高达到25 35低引气引气量小于15而且具有增稠减缩增强以及保塑性好的特点配制的C60高性能混凝土具有水泥用量低流动性好抗离析性能强收缩小强度高保塑性好等特点在试点工程的施工中3h内流动性保持不变 14h初凝155h 终凝28d 钻芯取样强度达到83MPa 二高性能混凝土拌和物配合比设计 由于高性能混凝土的强度高水灰比低影响因素多因此通常作为混凝土配合比设计基础的鲍洛米Bolomey公式已不再适用但是迄今为止世界上尚没有适合高性能混凝土配合比设计的统一方法各国的研究人员也都是在各自的试验基础上粗略地计算具体的配合比然后通过试配确定最终配合比 1
36、 高性能混凝土配合比设计的基本要求 高性能混凝土配合比设计的任务就是要根据原材料的技术性能工程要求及施工条件合理地选择原材料确定能满足工程要求和技术经济指标的各项组成材料的用量具体说 高性能混凝土配合比设计的基本要求如下 (1) 高耐久性 高性能混凝土配合比设计与普通混凝土不同首先在保证耐久性要求因此必须考虑以下内容 抗渗性 抗冻性 抗化学侵蚀性 抗碳化性 体积稳定性 第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册碱集料反应等 (2) 强度 根据设计要求配制出符合一定强度等级要求的混凝土 (3) 高工作性 一般新拌混凝土的施工性用工作性评价亦即混凝土在运输浇筑以及成
37、型中不分离易于操作的程度这是新拌混凝土的一项综合性能 (4) 经济性 混凝土配合比的经济性是配合比设计时需要着重考虑的一个问题在高性能混凝土中不能单考虑经济问题应在满足性能要求的前提下考虑经济问题 2 高性能混凝土配合比设计参数 (1) 水胶比定则 普通混凝土的强度是由水灰比定则来确定的水灰比定则可由普通混凝土配合比设计规程中的公式表示 WC=Afcefcu,0ABfce(2 1)式中WC 水灰比AB回归系数fce水泥实际强度 fcu,0混凝土配制强度 在高性能混凝土中水灰比应称之为水胶比胶应是水泥和超细掺和料重量的总和与普通混凝土不同的是当水胶比低于04和超细掺和料的微粒效应共同作用下水胶比
38、与强度不再是一条直线而是一条曲线水胶比越小曲线越陡其斜率越大 (2) 绝对体积法则 绝对体积法则是以粗集料为骨架其空隙由细集料来填充而细集料的空隙由水泥浆体和微气泡来填充配合比设计就是按这一法则来确定混凝土各组分的数量得到满足强度耐久性施工性和经济性的混凝土配合比绝对体积法可用普通混凝土配合比设计规程中的我们最熟悉的公式来表示 mcocmgogmsos mwow10=1000(22) 式中mcomgomsomwo 分别表示每lm3的水泥粗骨料细骨料水的用量kg gs分别表示粗骨料细骨料的表观密度kg m3c水泥密度kgm3 可取29003100w水的密度kgm3 可取1000 表示混凝土的含气
39、量百分数 在高性能混凝土中为满足各种特定性能的要求水泥粗集料细集料及含气量的体积比也有特定的要求如既要满足耐久性强度弹性模量收缩等要求也要满足施工的要求与普通混凝土配合比设计相比较就复杂得多了 第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册(3) 最小用水量法则 最小用水量法则适用于普通混凝土同样也适用于高性能混凝土也就是说要使混凝土拌和物流动性在满足施工要求的前提下用水量尽量小以求得最高的强度密实度和最好的耐久性 (4) 最小水泥用量法则 对于高性能混凝土最小水泥用量法则尤其重要这是保证混凝土体积稳定性的一条重要技术措施减少水泥用量不但可以减少水泥水化热减少混凝土
40、收缩而且还能减少能源的消耗使高性能混凝土成为可持续发展的绿色环保建材 3 国外高性能混凝土配合比设计方法简介 由于高性能混凝土所用的材料比普通混凝土复杂尤其是磨细活性矿物掺和料多品种多性能多功能不同品种不同掺量都会给混凝土性能带来不同的影响在低水胶比的状 况下水胶比对混凝土强度的影响不是简单的直线关系而是曲线关系各种组分的相对体积含量的微小变化对普通混凝土的性能没有多大影响可忽略而在高性能混凝土中却变得相当敏感就拿混凝土泵送性能来讲在其他参数都固定的情况下砂子过多过少都会给可泵性带来很大的影响对胶凝材料石子等组分也同样如此所以用计算机来设计高性能混凝土配合比是最合适不过的它可以大大提高设计的准
41、确性节省大量时间充分发挥高性能混凝土的优越性提高技术经济效益下面先介绍几个国外利用计算机设计高性能混凝土配合比的设计思路也许对我们是十分有益的 (1) 法国路桥实验中心的RENELCPC软件 RENELCPC软件的核心是设计一个满足设计参数要求的最合理的混凝土配比使混凝土的孔隙率最小只有这样才能最大限度地减少用水量达到高性能的目的这里着重介绍它是如何达到最合理的配比的 首先找出一个适合于混凝土各种原材料的固体堆积模型并用一定的物理量来表征它再用这些堆积模型对砂石水泥掺和料和水在混凝土中的堆积进行描述计算出砂石水泥掺和料和水各种材料在混凝土中的一定堆积密度与混凝土的密实度粘滞度和孔隙率的关系并进
42、一步计算出在某一材料一定时混凝土具有最大流动度的配合比固体堆积模型他们把固体堆积模型表达为有i个直径为d的单粒级配的颗粒堆积物组成di单粒级配的堆积模型的特性可由基于线性堆积密度并带有粘滞度的模型的参数来表征由i个直径为di的单粒级配颗粒堆积物组成的固体模型又可以通过每个di 的单粒级配的固体模型的特征参数来表征这个固体堆积模第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册型有三个状态悬浮状态密实状态最大密实状态如果是单粒级配那么颗粒呈球形的三个状态如图323所示 图323 固体颗 粒的三种堆积状态 原始数据 a 松散表观密度按标准试验方法测得 b 颗粒级配按标准试验
43、方法测得砂石的筛分级配水泥掺和料用激光颗粒分析仪测得分料颗粒级配 c 石砂的固体堆积密度 用75kg试样装入原桶内用10kPa的力加压在频率为 50Hz的振动台震动lmin然后求出其固体堆积密度 Cg=7.5MV(23)式中Cg石子的堆积密度M石子的表观密度V 最终体积 用3kg砂同样的方法得到砂子的固体堆积密度 CS=3MV()式中CS砂子的堆积密度M 砂子的表观密度V最终体积d 水泥的堆积密度与砂石类似水泥的堆积密度 C=10001000PWPP(25)式中C水泥堆积密度 PP给定水泥的质量 PW水泥在一定状态下的需水量 配合比的优化设计 根据以上输入的原始数据和固体堆积模型建立数学模型并
44、通过计算得出砂石水泥和掺和料各种材料在混凝土中的一定堆积密度及其与混凝土的密实度粘滞度孔隙率和强度的关系曲线根据关系曲线优化混凝土配合比各设计参数如在一定孔隙率的情况下优化砂石比和水泥浆体即混凝土粘滞度最低时的砂石比和浆体用量再进一步优化水泥浆体即在一定强度下的水泥掺和料外加剂和水的配比 图324 强度掺量和水胶比关系图 (2) 掺和料掺量的优化设计 他们引入了一个新的配比量即灰胶比F(FC把水胶比灰胶比和强度分别看作为三个坐标XY和Z的三维系统当Y=0即F(FC=0 时就回到了我们现在采用的配合比设计的方法上来了可见这种配合比设计方法更具有广泛意义在三维系统中强度Z表达为水灰比X和灰胶比Y
45、的函数它是一个曲面如图2-4所示同强度和水灰比二维直线关系一样利用三维曲面来设计掺有掺和料混凝土的配合比英国的混凝土科技工作者使用了670个粉煤灰掺量不同的混凝土拌和物和硬化后混凝土性能的数据编制了适合于英国20多种粉煤灰30多种水泥和各种粗细集料的计算机设计程序在计算机程序中还输入了各种混凝土原材料性能数据以及各种原材料的第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册价格通过计算机计算可选择性能最优价格最廉的高性能混凝土配合比 4 确定高性能混凝土配合比的简易方法 高性能混凝土配合比的简易确定方法是在原有配合比的基础上进一步加以优化对优化后的配比加以检验最后确认是
46、否成为高性能混凝土 当然即使混凝土配合比优化了搅拌质量管理和质量控制上不去还是得不到高性能混凝土混凝土配合比只是第一步现将配合比优化的步骤简述如下 (1) 对原材料的选择和优化 对外加剂水泥掺和料砂石这些原材料进行选择和优化时选择优化的目标是如何改变原有混凝土的性能缺陷有针对性的选择和优化外加剂选择外加剂的前提首先是外加剂和水泥的适应性因为它影响混凝土拌和物的施工性能在解决外加剂与水泥适应性的前提下外加剂的性能从很大程度上决定混凝土的性能因为决定混凝土性能的孔结构很大程度上决定于混凝土外加剂的特性要消灭200nm以上孔径的有害孔一定要选择引汽量低且引汽质量好的外加剂还有些外加剂具有显著的增强作
47、用在相同强度等级的条件下可以进一步减少水泥用量提高混凝土的体积稳定性对于高性能混凝土选用的外加剂还必须有增稠减缩等功能水泥 水泥应选择质量稳定含碱量低C3A含量少强度富余系数大的强度等级为425的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥即使是配制强度等级低的C20 混凝土也应如此粗集料级配的优化 首先是粒形应选用针片状含量少的最好是不含针片状针片状集料不但阻碍混凝土流动而且其内部缺陷多强度低 其次是粒径小粒径的集料因为其与水泥浆体的界面周长小形成缺陷的几率就相对小对同一种粗集料在给定的水泥用量的情况下水胶比降到一定程度后再降低水胶比强度也上不去这是由于水泥浆体与石子的界面强度已经达到极限强度的缘故减小石子粒
48、径就可以提高界面强度还有人做过石子粒径对混凝土渗透性影响的试验在水灰比相同的情况下粒径越小渗透系数也越小C80以下高强高性能混凝土中石子最大粒径不宜超过15mm 而C100混凝土最大石子粒径不宜大于10mm粗集料的粒径要同时满足混凝土强度等级和施工对粗集料的粒径的要求根据我们的经验高性能混凝土粗集料最佳的最大粒径见表321所示 表321粗集料最佳粒径 强度等级粗集料最大粒径C50以下按施工要求选择 C60小于等于25mm 第三编 高性能预应力混凝土与高效钢筋应用技术建筑工程项目推广应用新技术手册C70小于等于20mm C90以上小于等于10mm 表面较粗糙结构的石子可使骨料颗粒和水泥石之间形成
49、较大粘着力其原因是粗糙表面可 以降低CaOH2的取向改善了界面结构提高了粘结强度有高强或高抗渗要求的混凝土最好不用表面光滑的卵石 在选择粗集料时还应注意集料是否有潜在的碱活性高性能混凝土虽然掺有超细活性掺和料有抑制碱集料反应的作用但如果控制不好混凝土中的碱含量骨料有潜在活性的情况下也有可能发生碱集料反应 粗集料的级配也不容忽视粗集料最合理的级配是使其空隙率最小在市场中的粗集料级配往往不好混凝土的性能就可能降低粗集料最合理的级配可以通过试验来确定将不同粒径的粗集料按不同的比例混合后测定其振实后的密度密度越大说明其空隙率越小级配也越趋合理在测试混合粒径的粗集料振实后密度时应注意对不同粒径的粗集料按一定比例混合时必须混合均匀应分层振实严格按统一的方法进行保持试验的一致性细集料的级配细集料也应重视其级配不是细度模量大于26就认为可以了如果级配不好同样影响混凝土的性能有可能和必要时也应像粗集料一样用不同粒径的砂子混合调整砂子的级配使之达到最佳 2 混凝土配合比优化 砂率的优化 最佳砂率只有在石子最佳级配和砂子最佳级配的前提下才能获得所谓的最佳也是相对的也就是在现有的条件下达到最佳我们应尽量地去追求最佳虽然有时只有一点点区别但对于高性能混凝土由于对一切因素都很敏感这里一点点那里一点点积聚起来就会带来很大的影响 达到最大密实度的最佳砂率是使其砂石混合料的空
