高性能混凝土绪论.ppt

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1、高性能混凝土,罗健林E-mail.0532-85071275,High performance concreteHPC,迪拜哈利法塔，塔高828m，C80一次泵送601m,绪论,本章主要内容：,一、混凝土的定义与分类二、水泥混凝土的发展三、高性能混凝土的定义四、高性能混凝土的特点五、高性能混凝土的研究现状六、高性能混凝土需进一步研究的问题,一、混凝土的定义与分类,（一）定义：混凝土：混凝土是由胶凝材料，水和粗、细骨料按适当比例，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的具有所需形状、强度和耐久性的人造石材。胶凝材料：能将散粒材料或块状材料粘结成整体并具有一定强度的材料称为胶凝材料。,按表观密度分：,普

2、通混凝土（1900 2500kg/m3）,轻混凝土（1900 kg/m3）,重混凝土（2600kg/m3）,按强度等级分：,低强度混凝土（20MPa）,中强度混凝土（20MPa50MPa）,高强度混凝土（50MPa）,（二）分类,超高强度混凝土（100MPa）,普通混凝土：一般在C50MPa以下。,按胶结材料分：水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土、聚合物混凝土按用途分：钢筋混凝土、防水混凝土、装饰混凝土、道路混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土等按混凝土流动性可分为：塑性混凝土、低流动性混土、干硬性混凝土,（三）水泥混凝土的优缺点优点：有较高抗压强度:有一定的承载能力;有较好的耐久性:用得越久,强度

3、越高；有较好的可塑性:可以浇筑成任意形状、不同强度、不同性能的建筑物;原材料来源广泛，价格低廉。缺点：抗拉强度低,受拉时容易受温度变化而开裂；自重大。,（四）对混凝土的基本要求具有符合设计要求的强度;具有与施工条件相适应的施工和易性；具有与工程环境相适应的耐久性；价格低廉的经济性。注重节约资源、能源、减少工业废料排放和保护环境绿色HPC。节能环保 此外，随着人们物质生活条件的改善，功能混凝土的开发受到重视（如抗菌、环境调节、变色、智能混凝土等）。,二、水泥混凝土的发展,粘土：是天然的胶凝材料，最早被用来加水铺筑地坪，胶结石块。考古学家从先民遗址中转发现大量用粘土胶结卵石作为居室木柱的基础(如西

4、安半坡遗址)，还发现过用草筋增强泥土抹平的洞室墒面、灶台与火塘。,半坡遗址照片,石灰：二合土：石灰+粘土，三合土：石灰+粘土+砂石石灰+一些有机材料（如桐油、糯米汁等）可以提高耐久、防潮、抗水、抗冲击等性能。例如：曹操用植物油掺入石灰中建造了铜雀台；明代南京城墙也使用糯米汁石灰，并用桐油石灰封顶以增强防水抗渗的能力；清乾隆年间用糯米、石灰加牛血建造了永定河河堤，长达数百里。,明代南京城墙：糯米汁加石灰,安徽寿县古城墙,石膏：作为储藏量丰富的矿石，在古埃及就得到了广泛使用。金字塔等古建筑曾用石膏砌筑(ps),火山灰混凝土：古罗马人、亚述人和巴比伦人也都将石灰和熟土混合用于建筑中。他们把这种火山造

5、成的粉末与石灰混合料浆加入加工石料的残渣、砖块、天然卵石等，就会凝固成坚实的磐石，并且不透水。这就是最早的混凝土。使用石灰火山灰这种水硬性胶凝性材料，使气硬性石灰的功能大大提高，是胶凝材料史上的一次大突破。,罗马大圆剧场：长轴188m，短轴156m，承重墙上面是非常复杂的混凝土筒形拱和交叉拱。,古罗马万神庙,古罗马万神庙圆形平面环形混凝土基础上是厚6.2m的凝灰岩和火山灰的混凝土墙，混凝土筑的弯隆顶直径达43.2m；基础中用凝灰岩，穹顶中用浮石轻混凝土,从波特兰水泥到HPC：18世纪后，火山灰石灰体系的混凝土因凝结缓慢和早期强度低而逐渐不能适应。出现了一系列新的胶凝材料及生产方法：水硬性石灰：

6、用含较多熟土质的石灰石粉燃烧得到具有一定水硬性的石灰。煅烧+粉磨：后来又有人发现，如提高煅烧温度将不能消解的石灰碴块磨细，能够得到强度与水硬性更好的胶凝材料。,天然水泥：1796年，英国Parker用粘土质石灰石煅烧而制得水硬性水泥。与此同时，在美国罗森代尔和路易斯维尔也发现了一种粘土含量适当的石灰石，被用来烧成天然水泥并称为罗森代尔水泥。波特兰水泥：1913年法国的Vicat用石灰石和粘土加水湿磨成均匀的混合物，经过煅烧制成了人工水硬性石灰，被认为是近代波特兰水泥的雏形。,1824年，英国里兹的Aspdin取得了波特兰水泥的专利。尽管当时的煅烧并未达到能够生产出真正的硅酸盐水泥的温度，但是他

7、首创了波特兰水泥的名称。波特兰水泥工业化：1885年，IsaaJohnson主张将生料的煅烧温度提高到熟料烧结的温度。1886年美国首先用回转窑煅烧熟料，使波特兰水泥进入大规模工业化。,钢筋混凝土：自从水泥问世以后，快出现了水泥砂浆和水泥混凝土，并在其中配置钢筋，用钢筋来增强混凝土以弥补混凝土抗拉强度和抗折强度低的缺陷。1850年前后，法国人取得了钢筋混凝土的专利权。随后，在欧美几个国家通过试验逐步建立了钢筋混凝土结构的计算公式。钢筋混凝土计算方法的建立，则大大促进了混凝土的应用范围。到19世纪末，出现了钢筋混凝土设计规范，分别用于各自国家设计钢筋混凝土工程,混凝土设计：1896年。法国Fer

8、et最早提出了以孔隙含量为主要因素的强度公式。1919年，美国Abrams通过大量试验提出了著名的水灰比定则，成为混凝土材料性能研究的一次重要发展。随后出现了配合比设计法和各种工艺规程，使混凝土强度、耐久性以至均匀性得到了保证，为混凝土材料可靠地在工程中广泛应用提供了依据。,预应力钢筋混凝土：1928年，法国的Freyssune发明了预应力锚具，创造了预应力钢筋混凝土技术。它充分利用了近代提供的混凝土抗压能力与钢筋的抗拉、抗压等优越性能，发挥了两种材料共同作用的复合功能，为减小结构断面、增大荷载能力、提高抗裂和耐久性能等起了卓越的作用，使长跨、高耸、重载等结构使用钢筋混凝土作为主体材料成为可能

9、。,水泥混凝土外加剂：水泥混凝土外加剂使用的历史很长。如：古罗马人用动物油脂、乳液和动物血来改善混凝土的工作性和耐久性；我国很早就在使用动物血、桐油、糯米汁等来改善砂浆的性能；20世纪30年代末，美国发明的松脂类引气剂和纸浆废液减水剂使混凝土的耐久性、流动性得到极大提高，在工程中迅速得到采用；,德国在纸浆废液中提取出了木质素磺酸盐减水剂。在水泥生产中偶然发现，用牛油作助磨剂，所制混凝土有非常好的抗冻性，美国就发明了松脂皂引气剂；此后，萘磺酸盐甲醛缩合物、三聚氰胺等高效减水剂先后制成并得到应用。这些化学外加剂现已成为混凝土的必要组分，被认为是预应力混凝土技术以后的又一次技术大突破。现已很少有不使

10、用外加剂(做菜调料)的混凝土。,预拌混凝土：1930s，美国为开发中西部水利而兴建不少混凝土大坝工程时，采用集中拌和的大型化工厂生产方式，为近代盛行的预拌混凝土工业奠定了基础。水泥基复合材料：1940s，德国将聚氯乙烯(PVC)掺入混凝土中以改善其脆性，提高抗渗、抗蚀能力，首创了聚合物混凝土。1960s，美国发明了聚合物浸渍混凝土。,发展趋势：不能单独过分强调高强度，要注重耐久性、工作性。HPC逐渐成为合理的、科学的发展路线。HPC已成为当前的完善混凝土，但它也还不是理想混凝土或理想的水泥基复合材料。,三、HPC的定义,对HPC有不同的定义和解释，例如：1美同国家标准与技术研究所与美国混凝土协

11、会(ACI)提出：HPC是具有某些性能要求的均质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，便于浇捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。,21990年美国Mehta P K认为：HPC不仅要求高强度，还应具有高耐久性(抵抗化学腐蚀)等其他重要性能，例如高体积稳定性(高弹性模量、低干缩率、低徐变相低的温度应变)、高抗渗性和高工作性。31992年法国Malier Y A认为：HPC的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反应堆以及高速公路等

12、重要的混凝土建筑结构。,41992年日本的小泽一雅和冈村商认为：HPC应具有高工作性(高的流功性、粘聚性与可浇筑性)低温升、低缩率、高抗渗性和足够的强度。51992年日本Sarkar S L提出：HPC具有较高的力学性能(如抗压、抗折、抗拉强度)、高耐久性(如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀)、高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土家族,不同的工程和应用部门对于HPC也有不同的要求，会提出不同的性能指标，例如：1美国战略公路研究计划(SW)提出HPC用于公路工程应满足下列要求；(1)水胶比0.35；(2)耐久性指数大于80；(3)4h抗压强度高于17.2MPa，24h抗压强度高于34.5MPa，或28

13、d抗压强度高于68.9MPa。,2用于桥梁，尤其是大跨度桥梁的HPC应满足下列要求：(1)水胶比0.4；(2)强度高于41.4MPa；(3)徐变率低。3高层建筑要求混凝土具有高强度、高弹性模量、轻质、低徐变率、较高的工作性、早期强度与耐久性高的特性，使长期以来的建筑物安全使用期从3050年提高到100年以上。4港工工程坚求混凝土具有高耐久性(抗腐蚀、抗冻融循环等)、高抗渗性、体积稳定性好、强度与抗冲击疲劳性高。,5重要水工建筑物(包括大体积混凝土工程（1）对耐久性与体积稳定性有很高的要求，而对于强度和早期强度要求不高；（2）水工建筑常要求有很长的安全使用期；（3）在寒冷、干热以及高速水流冲刷等

14、条件下应用的HPC，尤其需要某些特殊性能；（4）水工混凝土的工程量常较大，工作性对均匀性、工程安全性以及施工经济性有极大影响，因此对工作性常有较高的要求。,法国为发展HPC而设立的“混凝土新方法”国家科研目中提出：“HPC应该是要求长期耐久性的一切工程所必须采用的，即使结构上不要求应用高强度混凝土。”这说明HPC不一定要求高的强度指标。中国在HPC应用技术规程（CECS207-2006）对HPC定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。,我国高性能砼的应用实例：,上海广播电视塔（东方明珠）：9194年，C60泵送至96m，坍

15、落度160200mm，（525号 380kg/m3）,上海金茂大厦 楼高420.5m，整体结构分地上、地下二个部分：主楼基础底板为C50高强大体积混凝土。主楼88层，其中核心筒、巨型柱、楼面三部分由钢筋混凝土组成，其强度等级随高度上升由C60过渡到C50直至C40。预拌混凝土采用普茨曼固定泵，最高泵送高度382.5m。,新上海国际大厦9194年：C80泵送高度96m，坍落度200mm，（725号水泥480kg/m3）,首都国际机场：97年：C65泵送砼，水平距离260m，垂直距离30m，坍落度160225mm，（525号450kg/m3）,沈阳和态大厦：97年：C80泵送，坍落度120160m

16、m，（625号水泥550kg/m3）,湖南省图书城：98年：C80泵送高度78m，坍落度190230mm，（普通525号水泥350kg/m3）,四、HPC的特点,（1）自密实性 HPC的用水量较低，流动性好，抗离析性高，从而具有较优异的填充性。因此，配好恰当的大流动性HPC有较好的自密实性。（2）体积稳定性 HPC的体积稳定性较高，表现为具有高弹性模量、低收缩与徐变、低温度变形。采用高弹性模量、高强度的粗集料并降低混凝土中水泥浆体的含量，选用合理的配合比配制的HPC，90天龄期的干缩值低于0.04%。,（3）强度 HPC的抗压强度已超过200MPa。目前，28d平均强度介于100120MPa的

17、HPC，已在工程中应用。HPC抗拉强度与抗压强度值比较高强混凝土有明显增加，HPC的早期强度发展加快，而后期强度的增长率却低于普通强度混凝土。（4）水化热由于HPC的水灰比较低，会较早的终止水化反应，因此，水化热相应的降低。,（5）收缩和徐变 HPC的总收缩量与其强度成反比，强度越高总收缩量越小。但HPC的早期收缩率，随着早期强度的提高而增大。HPC的徐变变形显著低于普通混凝土，HPC与普通强度混凝土相比较，HPC的徐变总量（基本徐变与干燥徐变之和）有显著减少。,（6）耐久性 HPC除通常的抗冻性、抗渗性明显高于普通混凝土之外，HPC的Cl渗透率，明显低于普通混凝土。HPC由于具有较高的密实性

18、和抗渗性，因此，其抗化学腐蚀性能显著优于普通强度混凝土。,（7）耐火性 HPC在高温作用下，会产生爆裂、剥落。因此HPC的耐高温性能是一个值得重视的问题。为克服这一性能缺陷，可在高性能和高强度混凝土中掺入有机纤维，在高温下混凝土中的纤维能熔解、挥发，形成许多连通的孔隙，使高温作用产生的蒸汽压力得以释放，从而改善HPC的耐高温性能。,综上所述 HPC是一种新型高技术混凝土，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，对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，HPC在配制上的特点是低水

19、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矿物细掺料和高效外加剂。,五、HPC的研究现状,HPC的研究开发受到了各国政府的高度重视。美国：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HPC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(NSF)、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HPC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充中心对HPC的研究。,法国：19861993

20、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个单位开展厂“混凝土新方法”的研究项目，进行HPC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24；Givaux核电站2号反应堆预应力钢筋混凝土安全壳，高85m，直径44m，混凝土强度等级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44年的国家研究项目“HPC2000”，投入研究经费550万美元。,日本：日本建设省于19881993年进行了一项综合开发计划“钢筋混凝

21、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出水泥协会、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(SNEF)持续资助高强混凝土和HPC的研究。瑞典：199l1997年由政府和企业联合出资5200万克朗，实施HPC研究的国家计划。,我国：近年来，我国高强混凝土和HPC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。,六、HPC需进一步研

22、究的问题,1水泥基材料的组成结构与性能的关系 材料组成结构与性能的关系是近代材料科学的一个核心问题。主要研究内容：应对材料组分的粒子尺寸、级配、孔结构、集料界面区结构以至组分间的相互作用、物理力学、热学性质的差别等进行研究。,2超塑化剂与复合外加剂 超塑化剂解决了HPC的低水胶比和低用水量与工作性之间的矛盾，因而成为HPC不可缺少的组分。主要研究内容：研究超塑化剂与水泥和矿物细掺料之间、复合使用外加剂时的几种外加剂之间的相容性，以及如何更好地发挥叠加效应等问题。,3.矿物细掺料 矿物细掺料不仅有利于水化作用和强度、密实度和工作性，增加粒子密集堆积，减低孔隙率，改善孔结构，而且对抵抗侵蚀和延缓性

23、能退化等都有较大作用。主要研究内容：扩大稳定矿物细掺料的来源；研究细掺料的科学分类和品质标难；对不同矿物细掺料、不同来源但却是同种矿物细掺料的活性进行机理性的研究。,4复合化超叠加效应的研究与应用 HPC是一种多组分复合材料，各组分性能的叠加甚至超叠加效应表现得十分明显。主要研究内容：复合化，即选用两种以上矿物细掺料加上两种以上外加剂(包括矿物外加剂，如膨胀剂)同时掺加，以进一步改进性能和取得某种特性。,例一：在复合化的思路影响下，法国和加拿大的学者创造了活性细粒混凝土（缩写为RPC)。性能：这种混凝土不仅强度可达200MPa以上，而且还能与钢纤维或钢筒、钢骨架共同作用，得到极好的结构力学性能

24、。经济：这种新型混凝土的造价高于HPC的造价，但只及钢材价格的15，可在同体积的基础上代替钢材，用于桥梁等高荷载结构中。,例二：我国吴中伟院士也根据复合化的思路和混凝土表层性能的要求提出了叠合材料的新概念。HPC中胶凝材料与外加剂等多组分复合所产生的超叠加效应要比玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的复杂，包含着不同层次的粒子(中心质)及其与相应介质的界面，对各种性能的改进起着各自的作用。因此，必须在复合化原理的基础上，采用现代研究手段与方祛，各学科协同进行研究。,5对硅酸盐水泥熟料进行改革，发展环保型胶凝材料 主要研究内容：在熟料烧成上向低钙化发展，减少C3S和C3A等在耐久性、能耗和环境保护方面的缺

25、陷，提高胶凝材料的绿色度。吴中伟在HPC研究和实践中提出了环保型高性能水泥基材料的新概念，希望它能在水泥工业的改造中发挥重要作用，在环保、节能、经济与高性能方向闯出一条新路。今后需对环保型胶凝材料产业化和工程应用进行系统研究。,6加强对高强度HPC韧性的研究 随着混凝土强度的提高，其断裂韧性降低，结构的延性降低，抗震性能降低。主要研究内容：研究开发包括原材料、工艺、结构设计与应用等方面，研究降低其材料成本；针对现状，对于基本使用普通混凝土的材料和制作工艺的HPC，则需研究如何在很少增加成本和基本不影响现有工艺的前提下明显提高其断裂能和极限压应力。,7配合比选择和施工质量控制的计算机化 HPC属

26、于现代混凝土，其优越的工作性和可靠性可使施工进度大幅度加快，改善劳动环境，减轻劳动强度，有利于采用计算机技术以至让机器人参与施工，提高自动化的程度，为土木工程的革命创造条件。HPC对原材料质量和施工管理水平都比普通混凝土更加敏感，因此应当使配合比选择和施工控制计算机化，以提高混凝土上程质量和效率。,8标准、规范、规程等的制订与完善 HPC与普通混凝土在原材料、配合比以及生产和施工工艺各方面，尽管在大范围中是相同的，但在具体上仍有虽然不多但却很重要的差别。现行用于普通混凝土的标准、规范、规程等有不适合于HPC之处，个别条文还会阻碍HPC的发展。因此，现阶段需要积极积累经验，制定出适合于HPC的标准和规程，并断完善之。,