高性能混凝土的研究与发展现4.doc
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1、高性能混凝土的研究与发展现状摘 要随着我国改革开放和现代化进程的加快,我国的建设规模正日益增大,如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去,日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。在众多的土木工程建设中,混凝土的应用面之广,使用次数之多是很少见的。尤其中近年来,一种较新的混凝土技术正在快速发展并且运用到许多实际工程项目中,那就是高性能混凝土。高性能混凝土(High Performance Concrete,HPC) 由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性,被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土,至今已在不少重要工程中被采用,特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等
2、工程。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,列举了高性能混凝土在国内外研究应用中的重要成果,并对其发展趋势作出展望。随着我国建筑向高层化、大型化、现代化的发展,HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。关键词:高性能混凝土;耐久性;体积稳定性Research and Development of HPCAbstractWith Chinas reform and opening up policy and modernization the quickening of the process,Our country the constructi
3、on scale is enlarging, how to ensure the quality of construction projects also can make long-term safety engineering can use go,Increasingly influenced by the governments at various levels and of social concern. In many of the civil engineering construction, the concrete application of the wide, use
4、 times is rare。Especially in recent years, in a relatively new concrete technology is rapid development and applied to many practical engineering projects, that is the high performance concrete.This paper mainly introduces the history of the development of high performance concrete background and th
5、e present situation of the research at home and abroad, and expounds the characteristics of the high performance concrete, cited the high performance concrete in the domestic and foreign research in the application of important achievements, and its development tendency. Along with our country build
6、ing to top the, large-scale, the development of modern, HPC will become the new century important building of engineering materials.Keywords: high performance concrete Durability Volume stability目 录引 言1一、高性能混凝土产生的背景和研究现状31.1 背景31.2 研究现状及发展方向31.2.1 绿色高性能混凝土41.2.2 超高性能混凝土41.2.3 智能混凝土4二、高性能混凝土的性能研究和应用分
7、析62.1 高性能混凝土的概念62.2 高性能混凝土的性能62.3 高性能混凝土技术的应用现状82.3.1 高性能混凝土在高层建筑中的应用92.3.2 高性能混凝土在桥梁道路中的应用92.3.3 高性能混凝土在海洋工程中的应用102.4 高性能混凝土发展和应用中所面临的问题11三、高性能混凝土质量与施工控制133.1 高性能混凝土原材料及其选用133.2 配合比设计控制要点183.2.1 设计思路有很大区别183.2.2 胶凝材料用量及粉煤灰所占比例183.2.3 含气量的要求183.2.4 电通量指标203.3高性能混凝土的施工控制20四、高性能混凝土的特点254.1 高耐久性能254.2
8、高工作性能254.3 其它特点26五、绿色高性能混凝土295.1 研发绿色高性能混凝土的必要性295.2 绿色高性能混凝土的可行性295.3 绿色高性能混凝土的发展30六、高性能混凝土的配制与浇筑316.1 水泥标号的“标志”作用淡化与选用316.2矿物掺合料的作用显著改善326.3拌合物的高粘聚性及其浇筑336.4 混凝土收缩和徐变性能的变化与养护34七、高性能混凝土的发展前景37八、结论38参考文献39致谢40高性能混凝土的研究与发展现状引 言混凝土正在向高强、高性能和生态化的方向发展。其应从1824年波特兰水泥发明开始,混凝土材料至今已有100多年的历史,以水泥为胶结材的混凝土也取得了具
9、大的发展,由普通混凝土向高性能混凝土发展。从20世纪以来,混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料,混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料,其用量巨大。据统计,当今我国每年混凝土用量约109m3,并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快,其用量将继续快速增长。人类进入21世纪,随着科学技术的快速发展,一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料,其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能,因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果,是混凝土的发展方向。高性能混凝土(High Performance Concrete,HPC)是20世纪80年
10、代末90年代初,一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土,它以耐久性为首要设计指标,这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土,高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性,被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土,至今已在不少重要工程中被采用,特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性,在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益,因此被各国学者所接受,被认为是今后混凝土技术的发展方向。高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代化水泥技术制作的混凝土。它以
11、耐久性作为设计的主要指标,针对不同用途要求,对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此,高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比,选用优质原材料(除水泥、水、集料外),且必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂。高性能混凝土是20世纪90年代初提出的,是一种新型的高技术混凝土,它不仅具有优良的工作性和高耐久性,而且在节约资源、保护环境、提高经济效益和社会效益等方面具有诸多优势,符合人类寻求与自然和谐、可持续发展的趋势。本文通过对高性能混凝土技术发展及应用的初探,综合分析目前国内外高性能混凝土的应用现状,探究高性能混凝土的发展方向,对高性能混凝土的发展及应用具
12、有重大的意义。一、高性能混凝土产生的背景和研究现状1.1 背景当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求;处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果;原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然材料及工业废渣保护环境, 走可持续发展的道路, 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。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
13、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。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
14、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。1.2 研究现状及发展方向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。从20世纪80年代开始,各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久设计的考虑,从只重视强度设计向强度与耐久性并重。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
15、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:1.2.1 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。1.2.2 超高性能混凝土超高性能混凝土,如活性粉末混凝土(Reactive Powder con-crete,RPC),其特点是高强度,抗压强度高达300MPa,且具有高
16、密实性,已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。超高性能混凝土与普通混凝土相比具有如下优势:可以替代部分钢结构,降低成本,特别是用在预应力结构上,可以减轻结构重量,并提高产品的安全性能。用于预制薄壁构件、细长构件以及其它特殊形式的构件,可以不配筋或者少配筋,降低生产造价。用于大型民用建筑,可以大幅度缩减结构尺寸,增大使用空间,使结构更美观。用于基础建设,比如水库大坝等。可以大大减少混凝土用量,降低建筑成本,节约资源,减少生产、运输和施工能耗,提高工程质量。其超高的抗渗性和高抗冲击韧性,用在制作压力管道、腐蚀性介质输送管道以及制造中低放射线核废物储藏容器,可延长使用寿命并降低发生泄露的概率。1.2
17、.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。智能混凝土是智能化时代的产物,它在对重大土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力,对确保建筑物的安全和长期耐久性都具有重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下,对传统建筑材料的研究、制造、缺陷、预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料
18、做为建筑材料领域的一种高新技术,为传统材料未来的发展注入了新的内容和活力,也提供了全新的机遇。其发展必将使混凝土材料的应用具有更广阔的前景和产生巨大的社会经济效益。二、高性能混凝土的性能研究和应用分析2.1 高性能混凝土的概念高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向,国外学者曾称之为21世纪混凝土。挪威于1986年首先对此进行了研究,在1990年由美国国家标准与技术研究院(NIST)与美国混凝土学会(ACI)共同主办的一次研讨会上正式定名。由于高性能混凝土具有综合的优异技术特性,引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。十多年来,世界上许多国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与
19、开发应用,使高性能混凝土技术取得了很大的进展,在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应用技术等方面都取得了既有理论基础又有实用价值的科技成果。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。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
20、,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。2.2 高性能混凝土的性能高性能混凝土可以认为是在高强混凝土基础上的发展和提高,也可说是高强混凝土的进一步完善。由于近些年来,在高强混凝土的配制中,不仅加入了超塑化剂,往往也掺入了一些活性磨细矿物掺合料,与高性能混凝土的组分材料个似,而且在有的国家早期发表的文献报告中曾提到:“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗压强度,但仍需达到55MPa(8000psi)以上”。因此,至今国内外有些学者仍然将高性能混凝土与高强混凝土在概念上有所混淆。在欧洲一些国家常常把高性能混凝土与高强混凝土并提(HPC/HSC)。高强混凝土仅仅
21、是以强度的大小来表征或确定其何谓普通混凝土、高强混凝土与超高强混凝土,而且其强度指标随着混凝土技术的进步而不断有所变化和提高。而高性能混凝土则由于其技术物性的多元化,诸如良好的工作性(施工性),体积稳定性、耐久性、物理力学性能等等而难以用定量的性能指标给该混凝土一定义。与普通混凝土相比,高性能混凝土具有如下独特的性能:耐久性。在以往的混凝土配合比设计中,主要考虑的是强度指标;对耐久性考虑较少。高性能混凝土以高工作性、高强度、高耐久性为特征,区别于普通混凝土。对于海洋工程、喷洒化冰盐的公路与桥梁工程、盐渍地区的工程,由于氯盐侵入混凝土导致钢筋锈蚀,引起混凝土膨胀开裂,严重影响了建筑物使用寿命。提
22、高其耐久性的最重要的技术措施就是采用高抗氯离子渗透性的高性能混凝土,从根本上提高混凝土本身的护筋性能。采用常规材料、常规工艺可以在常温下配制出抗氯离子渗透能力和抗冻融能力都较的高性能混凝土。配制的关键在于选用与水泥相匹配的高效减水剂,在水胶比不大于035的条件下,使用粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等矿物掺和料替代部分水泥作胶凝材料。这些磨细矿物掺和料在拌制的混凝土中发挥填充效应和火山灰反应,使混凝土变得更加致密,从而降低混凝土的渗透性。降低混凝土拌和物的用水量;采用低水胶比是提高混凝土耐久性的关键。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
23、靠地工作50100年以上,是高性能混凝土应用的主要目的。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。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。在高性能混凝土中掺入矿物
24、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。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。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C110C137的高性能混凝土替代C40C60的混凝土,可以节约15%25%的钢材和30%70%的
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