高性能混凝土Microsoft Word 文档

浅谈高性能混凝土徐会杰（西南科技大学材料科学与工程学院，四川，绵阳，621010）摘要：混凝土作为建筑材料经过了长期的发展，高性能混凝土由于其高强度、高抗渗性、高工作性能与体积稳定性等优点得到广泛应用，未来高性能混凝土的发展方向是绿色环保和超细颗粒高性能混凝土方向发展。关键词：高性能混凝土经济效益耐久性绿色超细颗粒DiscussedshallowlyHighperformanceconcreteXuhuijie(InstituteofMaterialsScienceandEngineering,southwestuniversityofscienceandtechnologyMianyang621010Sichuan)Abstract:AstheMaterialsforConstruction,concretehasdevelopedforalongtime.Thehighperformanceconcrete,becauseofhighstrength,impermeability,workabilityandvolumetricstability,hasappliedveryabroad.Inthefuturethehighperformanceconcretewilldeveloptogreenhighperformanceconcreteandsuperfinegrainhighperformanceconcrete.Keywords:highperformanceconcreteeconomiceffectivenessdurabilitysuperfinegrain高性能混凝土就是具有优异耐久性的混凝土，其主要特点是高强度、高抗渗性、高工作性能与体积稳定性。在19世纪50年代前，混凝土作为建筑材料经过了长期的发展，在20世纪，混凝土的强度达到13Mpa被认为是最高强度，而现在，强度大约在138Mpa的混凝土已经用于许多高大建筑和欧洲的一些桥梁。过去20年对混凝土研究的高速发展使得对混凝土的利用更加经济可行，尤其是一些添加材料的广泛应用，包括工业废物的应用。高强混凝土致密、抗掺和抗冻僵均高于普通混凝土，因此在有腐蚀的环境，易遭破损的结构，尤其基础设施工程，多采用高强混凝土结构[1]。过去一般都认为混凝土是一种经验配制约材料。从原材料的选择、配制工艺到施工应用都比较简单。但从70年代末期，混凝土技术已有很大的进展，混凝土所达到的强度已远远超出了工程所要求的范围。混凝土技术己进入了高科技的领域[2]。其表现为：1．在原材料方面，除了常用的水泥以外，新出现了球状水泥，调粒水泥，活化水泥与生态水泥等。这些水泥的标准稠度用水量低，在水败比相同的情况下，比普通水泥的流动性大；如果流动性相同，这些新型水泥可以减少用水量，降低水灰比，提高强度。利用矿渣、粉煤灰、天然沸石等制造的超纫粉，以及硅粉等，对改善与提高混凝土的性能起着重要的作用，成为高性能混凝土不可缺少的组分。日本近两年新出现的高性能AE减水剂，除了高效减水外，还能控制混凝土坍落度损失。这为高性能混凝土的发展提供了一种关键性的材料。使混凝土的性能设计和控制达到了更高的水平。在日本，研制出了耐久性达500年以上的混凝土。在水灰比0．50的普通混凝土中，掺入乙二醉醚衍生物及氮基醇衍生物，混凝土可达超高耐久性。其干燥收缩约为普通温凝土的50％一60％；能控制碳化发展速度，约为普通混凝土的1／3，可以防止钢筋锈蚀；密实度高，Cl－渗透速度仅为普通混凝土的1／4。这种混凝土具有优异的耐酸性，能有效地控制盐酸、硝酸对混凝土的渗透。2．在混凝土的施工技术方面，现在与50年代截然不同。各种新型搅拌设备、原材料的检验与监测设备、计算机的应用等高新技术，很容易得到均匀的多组分的混凝土拌合物。并根据新拌混凝土的枪测，可以准确地预测混凝土28d的强度。更重要的是混凝土拌合物可以达到高流态，而且可以使混凝土在搅拌、运输与施工过程中坍落度基本上无损失，泵送后的混凝土可以自流乎与自密实。这样的混凝土施工，完全可以保证质量，不会像50年代的干硬、半于硬性混凝土，容易产生蜂窝、狗洞等质量事故。1.高强高性能混凝土经济学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[3]：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。可能开发应用的有基础、后张预应力板、冬季施工、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；次要类：已得到应用的有离岸海上（漂浮）建筑物。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；特殊结构：可开发应用的如月球混凝土、自动化施工建筑等。影响混凝土经济效益的主要因素有：科学研究和发展；地域特点和性能要求；指标要求和工程规范；材料构成和添加材料；建设过程中质量控制和保证。今年来特别是过去十年，有不少文献讨论高性能混凝土的科学研究的进步对混凝土的积极影响。高强高性能混凝土与普通混凝土有很大的区别，主要是因为长期荷载，短期荷载和环境的影响[4]。高强混凝土对承受压力的构件有显著的技术经济效益，圆柱体构件不仅减少构件截面、减少混凝土用量，还能降低成本。在高层建筑中，由于高强混凝土的高强、早强和高变形模量，可以减小低层梁住的截面并增加建筑使用面积、扩大建筑的注网间距并改善建筑使用功能，可以通过增加结构刚度而减少高层房屋的压缩量与水平荷载下的横向位移。例如混凝土屋架由酗。级提高到畅0，体积缩小20％．造价降低15％。用钢量减少40％，造价降低17％。高强混凝土可大大降低桥梁的结沟自重和提高结构刚度，从而提高桥梁结构的混凝土等级，有利于增大桥下净空和大大提高桥的寿命[5]。2.高性能混凝土的耐久性在我们的文明世界中可以看出结构材料质量改善这一总的发展趋向。在不同时期，这种发展的模式是一种平稳连续的函数或是一种分段函数。高性能混凝土(HPC)是几年前出现的，而现在已经迅速发展，在建筑与土木工程中代表了一个复合材料的新时代。毫不怀疑，在结构工程的许多领域将会增加HPC的应用，待别是那些强调有持殊要求的结构。然而，HPC仍然还有一些问题需要进一步研究，以保证其将来的发展[6]。HPC的质量是以一种具有几种属性的综合特性来表征的。其中最重要的是较好的长期性能和耐久性，这对严酷环境中的结构具有特殊意义。这一范畴实际上包括了全部的露天结构。针对HPC研究了影响各种类型混凝土长期性能的主要因素，如氯离子渗透、碳化、硫酸盐侵蚀等等。所获的研究结果在某种意义上是积极的，即由于材料密实结构、高强度、高抗渗性等，耐久性大为改善[7]。2.1水泥浆混凝土的耐久性明显取决于微观结构，尤其是桨体的孔隙率。正由于HPC的孔隙率很低，因此与浆体中水或侵蚀性介质输送过程有关物理和化学侵蚀作用便削弱。所以说，在本质上HPC也比普通混凝上更耐久。为了了解增强、改善耐久性的机理，有必要考察一下混凝土结构及组成相的行为[8]。从复合材料理论观点，普通紊混凝土可按视为三相材料，即含有水泥浆体、骨料、浆体与骨科之间界面区这三相。界面区常常也被称为过渡区，其结构与硬化水泥浆体和骨料差别很大。尽管混凝土中界面区(其厚度约0.02mm)占的体积比例很小，但该相对混凝土的力学和物理性能却起着重要作用。充足的事实证明混凝土的抗拉、抗压强度、破坏方式以及渗透性明显受到骨料和硬化水泥浆体界面区特性的影响。实际上，界面区总被认为混凝土中的薄弱环节。这非常多孔区域的增强和密实可改善混凝土性能[9]。水泥熟料中的主要矿物成分是硅酸三钙(C3S，45％一65％)、硅酸二钙(C2S，15％一18％)、铝酸三钙(C3A，4％一18％)、铁铝酸四钙(C4AF，4％一18％)。此外，还含有少量的氧化钙、氧化镁和碱金属化合物。生产普通强度和高强混凝土时使用的水泥熟料颗粒尺寸在1—60μm之间，并掺有3％一5％石膏或硬石膏。熟料的组分和细度影响水化硅酸盐水泥的强度发展和潜在强度[10]。2.1.1水化反应和水化产物水泥和水混合便发生放热水化反应。水泥熟料与水反应生成无定形的硅酸钙水化物，即CSH相(其中c／s在1—2之间)和氢氧化钙(简写为CH)。还有水化铝酸钙(CAH)、钙矾石和单梳型化合物。水化产物是一个多矿物体系。其反应速率和放热量是水泥的化学和矿物组分及细度的函数。水化过程机理有两种不同解释：局部化学反应和溶解反应。这两种机理可能同时作用。对于低水灰比混凝土，局部化学反应应占主导地位要使水泥完全水化，水灰比必须高于约0.4，而HPC拌合物采用的水灰比低于0.4。这种条件下水化不完全，水泥颗粒之间的空隙完全由CSH凝胶填充剩下的未水化水泥颗粒对浆体强度有影响[11]。表面水化了的水泥颗粒相互紧密粘聚在一起。水泥的水化是个比较复杂的过程。若加入矿物质掺合料如矿渣(BFS)、粉煤灰(FA)或硅粉(SF)，则反应更加复杂，尤其在生产中掺入粉煤灰和硅粉时。矿渣是一种潜在水硬性组分。它被硅酸盐水泥水化释放出来的氢氧化钙所活化。它参与水泥熟料的水化反应，影响CSH相的形成。因此改变硅酸盐水泥熬料的水化产物，使CSH相的c／s降低，氢氧化钙含量减少[12]。2.2微观结构和孔隙率普通硬化水泥浆体或砂浆是一不匀质的多孔材料。总孔隙串由两类孔组成：凝胶孔和毛细孔。凝胶孔与CSH的结构有关，其尺寸在几个纳米之间。而存在于不同水化产物之间的毛细孔尺寸在几百个纳米至几个毫米之[13]。通过显微镜、压汞法、气体或水的四附法或冻图1压汞法测得的普通强度和高强度硅酸盐水泥砂浆的累计孔体积(曲线)和孔径分布(直方柱)结量热法，许多人研究了使用火山灰掺合料(如粉煤灰和硅扬)的硬化水泥袭体和砂浆的孔结构。图1给出龄期约半年的普通强度砂浆和高强砂浆的压汞法结果。砂浆使用硅酸盐水泥(PZ45F)和最大粒径为2mm的硅质砂。由图可见，与w/C＝0.5的不掺硅粉的普通砂浆相比，w/C＝0.3的含硅粉砂浆的孔体积与孔径分布明显不同。正如所知，水灰比降低和硅粉的掺加大大降低孔隙率，而且使孔径分布移向小孔径范围[14]。图2普通强度和高强度混凝土在水化开始前和结束后的微观结构示意图C：水泥；W：水；A：骨料；SF：硅粉；P：毛细孔；G：CSH凝胶；CH：氢氧化钙由于硅粉在水泥混合物中的填料效应和火山灰性，其掺入使硅酸盐水泥拌合物的毛细和凝胶孔两个范围内的孔结构都更加密实、更加细化。普通强度与高强度混凝土的微结构示意图见图5。研究中发现，即使水灰比较高的浆体(水灰比0.5，硅粉含量10％)，仅仅通过超塑化剂的作用，也可使其孔隙率明显降低。为了获得低孔隙率的低水灰比高强砂浆，显然耍开发一个有效的水泥—硅粉—超塑化型体系[15]。浆体-骨料界面区浆体—骨料界面区也称为过渡区，含有的CH晶体和钙矾石比基体多，CH晶体在骨料周围定向分布，而且界面区比基体多孔、不均匀。浆体—骨料边界存在裂缝。可观察到界面区内存在孔隙率变化梯度：孔隙率随着离骨料表面的距离增大而降低。由于内泌水和影响水泥颖粒有效堆积的“墙壁”效应，新拌混凝土的骨料周围填充了水分。这是导致界面区特殊组成和微结构的主要原因[16]。2.1矿物掺合料的影响火山灰材料如硅粉和粉煤灰可用来增强薄弱的基体—骨料界面区。硅粉的掺加显著改变界面区的微结构，因为它能减少内泌水，密实准积在骨料表面而消除“墙壁”效应，并提供核化点面防止了CH大晶体的定向生长。与不掺硅粉的混凝土相比，界面区晶体量和孔隙串均减少，孔隙率梯度几乎消失。界面区CH晶体、钙矾石和孔隙数量减少，结构主要组分是密实的CSH凝胶，界面区结构与基体的密实度相同[17]。界面区厚度也变小。以上所有这些因素保证了骨料和基体之间的有效粘结。掺与不掺硅粉的普通强度和高强度混凝土中，界面区及浆体的微结构区别的示意图见图2。2.