高性能混凝土研究

高性能混凝土侯永生2015年09月主要内容高性能混凝土为什么？是什么？如何做？Why？What？How？大地湾人在打磨石器时，不断有碎石和粉末产生，为防止磨擦发热和钻孔时打滑，不断地往石器上加水和沙子。无意间，石粉、沙子和水自然混合凝结产生的原始“混凝土”可能就这样被偶然发明了。大地湾人很快掌握了这一原始“混凝土”制作技术，并开始在建筑中利用。位于甘肃省天水市秦安县境内距今5000年的大地湾遗址一片面积达130平方米的坚硬平滑地面。专家鉴定，这片灰青色的地面不但含有与现代混凝土相同的“硅酸钙”成分，而且平均每平方厘米抗压强度在120公斤左右，相当于今天C10等级的混凝土1、最古老的的混凝土一、为什么使用高性能混凝土一、为什么使用高性能混凝土混凝土结构寿命短西直门立交桥（1976-1999）宁波北仓港混凝土（建成11年后）2、混凝土工程遭遇重大问题一、为什么使用高性能混凝土（1）裂缝问题凸显3、混凝土问题的表象3、混凝土问题的表象（2）渗漏随处可见一、为什么使用高性能混凝土一、为什么使用高性能混凝土3、混凝土问题的表象（3）钢筋锈蚀触目惊心一、为什么使用高性能混凝土3、混凝土问题的表象（4）剥落、溃散严重一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因（1）氯离子侵蚀因氯离子侵蚀造成钢筋锈蚀在混凝土质量问题中最多，占质量事故的33%4、混凝土问题的原因（2）碳化一、为什么使用高性能混凝土碳化对混凝土本身损害不大，但它使混凝土中性化后引起钢筋锈蚀。在混凝土质量事故中因碳化造成钢筋锈蚀的质量问题占17%桥梁朝北的面，由于冻融循环次数少，受损不是十分严重。桥梁朝南的面，由于冻融循环次数多，与朝北的面比较，受损情况十分严重。（3）寒冷地区冻融破坏一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因冻融破坏在寒冷和严寒地区较普遍，占混凝土质量事故的10%一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因（3）寒冷地区冻融破坏有氯离子的存在，冻融破坏更为剧烈。（4）化学侵蚀破坏一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因主要是硫酸盐、酸等化学物质的侵蚀破坏，占混凝土质量事故的10%硫酸盐侵蚀引起的大坝破坏（5）碱骨料反应一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因碱—骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝碱骨料反应潜伏期长，破坏后果严重，号称混凝土“癌症”，占混凝土质量事故的9%一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因（6）磨蚀磨蚀包括风沙的磨蚀与水流的冲刷，约占混凝土质量问题的7%。一、为什么使用高性能混凝土4、混凝土问题的原因高性能混凝土为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，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。吴中伟二、什么是高性能混凝土1、有关高性能混凝土定义以耐久性为基本要求并用常规材料和常规工艺制造的水泥基混凝土。这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制作上通过严格的质量控制，使其达到良好的工作性、均匀性、密实性和体积稳定性混凝土结构耐久性设计与施工指南（CCES01-2004）二、什么是高性能混凝土1、有关高性能混凝土定义采用混凝土的常规材料、常规工艺，在常温下，以低水胶比、大掺量优质掺合料和严格的质量控制措施制作的，具有良好的施工工作性能且硬化后具有高耐久性、高尺寸稳定性及较高强度的混凝土。公路桥涵施工规范（JTG/TF50-2011）二、什么是高性能混凝土1、有关高性能混凝土定义（1）宏观上表现为“三高”高施工性能、高耐久性、高体积稳定性（2）微观上表现为“两低一小”低空隙率、低氢氧化钙含量、过渡层厚度小（3）配制上体现“两小一大”小水胶比、小水泥用量、大掺合料掺量（4）施工控制上要求“三性”均质性、精细性、系统性2、高性能混凝土与普通混凝土的区别二、什么是高性能混凝土1、高性能混凝土不是一种新品种混凝土，是普通混凝土的发展与提高。2、高性能混凝土总是具有针对性的，不同工程、不同环境下高性能混凝土内涵不同。3、具有高力学性质、高抗冻性、高抗渗性的高性质混凝土材料不是我们追求的目的，目的是具有高施工性、高耐久性、高体积稳定性等高效能的混凝土结构。4、高性能混凝土结构的实现是一个系统的工程。5、高性能混凝土不同于高强混凝土。3、高性能混凝土需澄清的观念二、什么是高性能混凝土高性能混凝土是在普通混凝土的基础上，针对具体的工程结构物与所处环境条件，通过全面的结构设计、严格的材料控制、优化的配合比设计、精细的施工养护，提高其施工性能、承载性能、耐久性能、稳定性能而实现的经济性良好的长寿命混凝土。4、高性能混凝土的本质二、什么是高性能混凝土决定混凝土品质的主要因素（1）非均质体。（2）过渡段。（3）开口孔。（4）氢氧化钙空气，6%胶材，13%粗骨料，41%细骨料，26%水，14%特种混凝土的标准与功效种类优点缺点执行标准高强混凝土（HSC）强度高；减小结构断面；减轻建筑物自重；增加使用空间；降低构筑物高度。性能较脆JGJ/T281-2012CECS104-1999自密实混凝土（SCC）不需振捣，避免了漏振、过振、配筋密集、结构形成复杂等不利条件；取消了振捣成型，简化工序，降低劳动强度、改善施工环境；强度有保证、耐久性高、外观质量好收缩较大JGJ/T283-2012CECS203-2006CCES02-2004纤维混凝土良好的抗剪、抗弯拉和抗压等力学性能，良好的延性，同时具有良好的耐久性混凝土工作性能较差，不利于施工；耐碱性较差，碳纤维混凝土成本较高JGJ/T221-2010CECS13-2009轻骨料混凝土轻骨料混凝土耐火性能好、抗渗性能佳、耐久性良好、有效降低结构自重拌合物容易离析，硬化后裂缝伤害速度快、温度变形大JGJ/T51-2002重混凝土能有效屏蔽原子核辐射（α射线、β射线、γ射线和中子流）；x射线和γ射线。密度大自重大，施工易离析GB/T50557-20101、结构设计指标：环境类别、环境作用等级设计使用年限钢筋保护层厚度防水构造裂缝宽度限制与抗裂构造防腐蚀附加措施等三、高性能混凝土的质量指标级别设计使用年限适用范围一不低于100年公路工程二级以上（含二级）公路上的特大桥、大桥、中桥、重要小桥涵、隧道等重要结构二不低于50年三级以下（含三级）公路上的中、小型桥梁、涵洞及其他基础设施工程等三15~30年可更换结构构件环境类别名称腐蚀机理I一般环境（碳化环境）保护层混凝土碳化引起钢筋锈蚀II冻融环境反复冻融导致混凝土损伤III海洋氯化物环境氯盐引起钢筋锈蚀IV除冰盐等其他氯化物环境氯盐引起钢筋锈蚀，导致混凝土损坏、剥蚀V盐结晶环境硫酸盐等化学物质在混凝土孔中结晶膨胀导致混凝土损伤VI化学腐蚀环境硫酸盐和酸类等腐蚀介质与水泥基发生化学反应导致混凝土损伤VII磨蚀环境风砂、流水、泥砂或流冰因摩擦、冲击作用造成混凝土表面损伤环境作用等级环境类别A轻微B轻度C中度D严重E非常严重F极端严重一般环境（I）I-AI-BI-C——————冻融环境（II）————II-CII-DII-E——海洋氯化物环境(III)————III-CIII-DIII-EIII-F除冰盐等其他氯化物环境(IV)————IV-CIV-DIV-E——盐结晶环境(V)————————V-EV-F化学腐蚀环境(VI)————VI-CVI-DVI-E￣￣磨蚀环境(VII)————VII-CVII-D————2、材料设计指标：（1）各种环境下统一考虑指标*最低强度等级、抗渗等级（电通量、氯离子扩散系数、抗渗标号），氯化物环境下不得使用抗渗标号。*最大水胶比、最小胶凝材料用量、最大胶凝材料用量*氯离子含量、碱含量、三氧化硫含量*抗碱骨料反应能力*原材料品质指标三、高性能混凝土的质量指标设计使用年限混凝土强度等级100年50年最大水胶比最小用量（kg/m3）最大用量（kg/m3）最大水胶比最小用量（kg/m3）最大用量（kg/m3）C25Ca25———0.60260400C30Ca300.552804000.55280C35Ca350.503000.50300C40Ca400.453204500.45320450C45Ca450.403400.40340C500.363604800.36360480C550.363805000.36380500C600.33———环境类别环境作用等级设计使用年限100年50年钢筋混凝土与预应力混凝土素混凝土钢筋混凝土与预应力混凝土素混凝土一般环境I-AC30C30C25C25I-BC35C30I-CC40C35冻融环境II-CCa35，C45C35Ca30，C40C30II-DCa40*Ca35C35II-ECa45*Ca40*海洋氯化物环境III-CC35C35C30C30III-DC35C30III-EC40C35III-FC45C40除冰盐等其他氯化物环境IV-CC35C35C30C30IV-DC35C30IV-EC40C35盐结晶环境V-EC40*C40*V-FC45*C40*化学腐蚀环境VI-CC35C35C30C30VI-DC40*C35*VI-EC45*C40*磨蚀环境VII-CC40*C35C35VII-DC45*C40*三、高性能混凝土的质量指标环境类别混凝土耐久性质量指标冻融环境抗冻耐久性指数、含气量、气泡间隔系数、盐结晶环境抗冻耐久性指数、含气量、气泡间隔系数、化学腐蚀环境抗硫酸盐侵蚀等级等磨蚀环境耐磨蚀性能2、材料设计指标：（2）不同环境下需考虑的特定指标不同环境下混凝土耐久性特定指标3、施工设计与控制指标：*施工设计指标：施工性能指标、配合比设计、热工性能设计、抗裂性优选。*施工控制指标：工艺控制、养护控制、保护层厚度控制、抗裂性控制。*施工实体检测指标：含气量、保护层厚度、裂缝宽度、表面渗透性4、维护保养指标：承载能力检测、渗透性检测、裂缝检测。维护措施、加固措施应急预案三、高性能混凝土的质量指标四、高性能混凝土的设计《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/TB07-01-2006)《公路桥涵施工规范》JTG/TF50-2011《混凝土结构设计规范》GB50010-2010《混凝土结构及耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)《铁路混凝土结构及耐久性设计规范》（TB10005-2010）《混凝土结构及耐久性设计与施工指南》（CCESO1-2004）《混凝土结构及耐久性评定标准》（CECS220:2007）1、混凝土结构设计相关标准四、高性能混凝土的设计1）一般作用——一般荷载与强制变形的作用永久荷载----自重，土压力可变荷载----使用荷载，风雪荷载作用下：结构的强度（承载力）设计2）偶然作用——地震、爆炸、撞击等作用偶然作用下：结构的整体牢固性设计3）环境作用——除力学作用外的物理与化学作用温、湿度（水分）及其变化——降水、冰冻大气（氧气，二氧化碳）作用土体、水体、大气中有害化学物质（盐、酸）作用环境作用下：结构的耐久性设计2、结构设计需考虑的三类作用四、高性能混凝土的设计2、结构耐久性设计的步骤（1）查明结构物及其各构件的详细环境资料（气象资料、地下水和土壤化学分析等等），分析可能导致混凝土破坏的主要因素和次要因素，确定环境类别与环境作用等级（2）根据投资方提出服务年限的要求，确定设计原则，提出不可更换构件与可更换构件，及可更换构件使用年限。（3）提出各种混凝土的耐久性指标要求。原材料要求、施工特殊要求（4）确立主要技术措施（包括保护层厚度、防裂措施、防水措施、防腐蚀附加措施等）（5）提出所采用的各类标准，提出施工质量控制要求（6）提出使用阶段的维护与检测要求四、高性能混凝土