高性能混凝土在现代建筑工程中的应用

1高性能混凝土在现代建筑工程中的应用摘要：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。大会规定高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制，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。关键词：高性能混凝土1前言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。大会规定高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制，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。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2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。在1993年，美国混凝土学会下属的技术委员会提出一新的高性能混凝土定义：满足工程特殊要求的各种性能，可包括易浇捣而不离析，高长期力学性能、高早期强度、高坚韧性与高体积稳定性，或在严酷环境中使用寿命长久，并且匀质性良好的混凝土。近年来，美国混凝土学会又给出一个文字上较精练的定义：“高性能混凝土是一种要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。”高性能混凝土，开始是用于表征具有高工作度、高强度和高耐久性的混凝土。这种混凝土必须设计成具备高度体积稳定性。为了减少混凝土由于温度收缩和干缩产生的开裂，必须限制混凝土拌合物中的水泥浆含量。Mehta和Actcin提出的高性能混凝土配合比设计方法限定总水泥浆量为混凝土体积的1/3；允许部分硅酸盐水泥用火山灰或有胶凝性的掺合料来代替。A?tcin曾预言：掺矿渣、粉煤灰、硅粉、亚粘土、稻壳灰和石灰石粉的三元混合水泥除了可以使高性能混凝土的制备更经济外，还能发挥它们的超叠3作用，改善其新拌与硬化时的性质。2高性能混凝土在现代工程中的应用高性能混凝土技术正在世界各地成功地用于很多离岸结构物和长大跨桥梁的建造，Langley等人叙述了几种加拿大一长大跨桥梁所用的拌合物。它们用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥用量为450Kg/m3，水153L/m3，引气剂160mL/m3和高效减水剂3L/m3。其坍落度大约在200mm；含气量6.1%；1d、3d、28d抗压强度分别为35、52和82MPa；基础和其他大块混凝土的混合水泥用量为307Kg/m3，粉煤灰133Kg/m3，用水量接近，但引气剂和高效减水剂掺量大幅度减小，坍落度约在185mm；含气量7%；1d、3d、28d和90d抗压强度分别为10、20、50和76MPa。根据加拿大和美国的透水性与氯离子快速渗透标准方法实验结果表明：两部分混凝土都呈现非常低的渗透性。对高性能混凝土结构的施工，需要非常强调加强现场实验室试验和质量验收。高性能混凝土发展的另一领域是高性能轻混凝土，相对于钢材，普通混凝土的强度/自重比很低，掺有高效减水剂的高强混凝土则大大提高了该比例；用有大量微孔的轻骨料代替部分普通骨料，就能进一步提高这个比例。由于骨料的质量不同，密度为2000Kg/m3、抗压强度在70~80MPa的高性能轻混凝土在一些国家已经商品化并用于构件生产。在澳大利亚、加拿大、日本、挪威和美国，高性能轻混凝土已用于固定式和漂浮式钻井平台；因为水泥浆和骨料之间的界面粘结强度高，它可以4不透水，所以在侵蚀环境中能够很耐久。采用掺10~15%硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有优良的粘附力，因此适用于湿喷的喷射混凝土进行结构修补，这也是高性能混凝土的应用领域之一.2.1高性能混凝土在高层建筑中的应用。高性能混凝土（40MPa）首先用于30层以上高层建筑物的钢筋混凝土结构，因为这种建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土时断面很大。除节省材料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点，自美国芝加哥在1965年以50MPa混凝土浇注LakePointTower的一些柱子以来，北美和其他国家到处都在用高性能混凝土建造高层建筑。芝加哥79层的WaterTowerPlace大楼柱子采用了60MPa混凝土；多伦多的ScotiaPlazaBuilding和西雅图的TwounionSquareBuilding两座建筑物则分别有90和120MPa强度的高性能混凝土柱子。应用实例：a高性能混凝土应用C80高强与高性能混凝土在沈阳方园大厦、大西电业园等多项高层建筑钢管混凝土柱中应用。b上海高性能混凝土研究领域中取得一大批可喜的成果，其中具有代表性的成果有：中华第一高楼——88层金茂大厦的C40一次泵送到382.5m；明天广场矿渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育电视台综合楼大体积基础混凝土，水泥用量只占胶凝材料总量的46%，配制的混凝土浆量饱满，混凝土工作性、粘聚性和抗离析性能都十分优异，强度达到C40的高性能混凝土。c图表：5工程名称施工日期泵送高度m混凝土强度等级外加剂水平上海宾馆1981年80C30国内领先静安希尔顿1987年143C30国内领先上海商城1988年166.25C28木钙国际先进南浦大桥主塔1989年154C40南浦1号国际先进杨浦大桥主塔1993年208C50南浦2号国际领先东方明珠1994年350C40JRC－ⅡD国际领先徐浦大桥东主塔1995年217C50JRC－ⅡD国际领先金茂大厦1997年382.5C40FTH－ⅡC国际领先2.2高性能道面混凝土a.高性能道面混凝土研究的意义随着对交通运输要求的日益提高，发展“长寿命低维护路面”，采用高性能道面混凝土，提高混凝土的抗折强度与耐久性是当前道面混凝土的发展趋势。b.国外发展情况1997年召开的第十六届国际混凝土路面会议，提出路面设计不仅要提出平均强度要求，还应提出耐久性要求。在未来发展方向中提出抗拉强度达17MPa的超高强混凝土，用于铺筑连续的混凝土路面。提高混凝土道面表面的致密性、抗渗性都是很重要的，而这是需要通过高性能混凝土来实现的。c.高性能道面混凝土的强度高性能道面混凝土的重要特征是具有高抗折强度。使用高性能道面混凝土可以显著提高道面的承载能力，延长使用寿命或减薄道面的厚度以降低工程造价。d.高性能道面混凝土的耐久性高性能道面混凝土的主要特征是具有足够的耐久性，能够抵抗气候和环境的长期破坏作用，保证在道面的设计使用期限内，混凝土能够正常工作。e.高性能道面混凝土的变形6性质(1)干缩道面板表面积很大，蒸发量大，干缩有可能引起道面板表面产生收缩裂缝，需加强养护。(2)抗折弹性模量高性能道面混凝土的抗折弹性模量E，经实测，1级为4.305104Mpa，2级为4.845104Mpa，3级为4.605104Mpa。强度3级的高性能道面混凝土的配合比中，骨料用量较少，粗骨料最大粒径较小。f.应用情况应用高性能道面混凝土产生显著的效益：(1)提高道面承载力；(2)延长道面使用寿命；(3)降低工程造价；g.应用实例(1)在美国大约有70%的公路采用高性能道面混凝土：其中北达科他州，1988和1989年夏天，用20000m3混凝土铺筑厚为200mm的路面，其水胶比为0.43，水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3；德克萨斯州的路面示范工程也成功地采用了这一新材料。(2)青藏铁路建设工程中全面推广使用h.结论三个强度级别的高性能道面混凝土具有极其优良的品质，材料费用基本不增加或增加不多，可供不同要求的工程选择使用，建造长寿命低维护的道面、路面，其社会、经济效益是巨大的，值得大力推广和不断研究，促进我国机场水泥混凝土道面工程和公路路面工程步入新的发展阶段，以适应日益增长的对航空和交通运输的需要。2.3海洋混凝土结构——提高港口水工建筑物耐久性研究研究提出技术经济合理、便于推广应用的新型海工高性能混凝土大跨桥梁、海底隧道和离岸采油平台，是这种应用的实例。如：a汕头港外深水航道治理工程；b珠江口伶仃洋深水航道治理7工程；c青岛、宁波北仑等港口建成了能靠泊二十万吨级油轮和矿石船的深水泊位2.4免振自密实混凝土（Self-compactingConcrete）由于免振自密实混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密实性、均匀性得到显著的提高，成为混凝土技术的一项新的进展而被列为高性能混凝土一族。免振自密实混凝土是近十多年来由日本首先研究开发并付诸工程应用的一项近代混凝土技术。由于免振自密实混凝土在工程上应用可以取得提高混凝土质量、改善混凝土施工操作、养活施工噪音以及提高劳动生产率、加快施工进度降低工程费用等技术经济效果，近年来世界各国对此给予很大的重视与关注。日本预期到2003年将有1/2的混凝土工程将用免振自密实混凝土浇注。顾名思义，免振自密实混凝土是在浇筑时仅靠混凝土自身的重力而不需要任何捣实外力而达到自密实、自流平的一种混凝土。免振自密实混凝土应具有三个特性：（1）流动性；（2）良好的稳定性——不离析；（3）钢筋和模板中的任何间隙，具有良好的通过能力，不产生阻塞。根据上述三个特性的要求，免振自密实混凝土配制的原理与方法科述如下：新拌混凝土的物相属粒子悬浮体，其连续介质是水泥浆体，也就是液相而混凝土中的集料则为固相。在所有粒子悬浮体中，流动性与粒子离析间的平衡是必需的。新拌免振自密实混凝土要在没有外力作用下充分填实混凝土模板中的一切空隙并达到密实，更是要兼8具良好的流动性与稳定性。为获得高流动性，首先要减小颗粒间的磨擦阻力。掺入超塑化剂以减小颗粒的表面张力固然十分必要，但从免振自密实的性能要求看，仅靠掺超塑化剂还难以达到，还需掺入一定数量的超细物料。为得到良好的稳定性，使物料不离析，其液相必需具有适当的流变性，才能既不产生泌水又防止颗粒的离析。为达到此要求，同样也需掺入适量的颗粒尺寸＜0.25mm的细填料，有时还需掺入粘度改性剂（增粘剂）。为使混凝土能流畅地通过钢筋和模板中的任何间隙而不产生阻塞，除需根据工程结构的设计选定合适的集料粒径和形貌外，液相的体积量及其流变性质也是重要的参数。其流变性质是按流变学的宾汉姆型用粘度计来评定的，应具有低的屈服应力和适当的塑性粘度。按流变学的观点，免振自密实混凝土的基体是自由流动的超细浆体，该浆体是由水泥与超细物料共同组成的，其流动性随环绕固体粒子的浆膜层厚度的增大而提高，而浆膜层的厚度只有在浆体已充满固体颗粒间的空隙后才能形成，因此，浆体的厚度受到固体颗粒的形貌影响。对于浆体而言，除了要求具有高流动性外，还需具有足够的高粘度，必须成为高粘性的牛顿液体，才能防止离析。免振自密实混凝土的配制工艺流程如图所示。水泥↓超细掺和料水超塑化剂↓↓↓自由流动的浆体细集料↓↓自由流动的砂浆粗集料↓↓自密实混凝土免振自密实混凝土9的配合比设计，首先要确定根据集料的空隙含量所需要的液相体积。该液体的组成包括水泥、水、外加剂和＜0.25mm的超细物料。超大型细物料与总集料体积之比（S/A）是免振自密实混凝土配合比设计中的一项重要参数。铭振自密实混凝土的流动性将随S/A的增大而增大，而对弹性模量无明显的影响。水灰比基本上按所需的混凝土抗压强度来确定。由于免振自密实混凝土的流变行为与组分材料的体积有十分密切的关系，因此，免振自密实混凝土的配合比设计建议采用体积比而不用重量比。3高性能混凝土在性能上尚存在的问