高性能混凝土的发展与应用

高性能混凝土的发展与应用TheDevelopmentandApplicationofHighPerformanceConcrete清华大学土木工程系覃维祖20世纪80年代，美国国家材料委员会提出：要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、塑料等。1990年5月，在美国马里兰州Gaithers-burg城由NIST和ACI主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义。一、高性能混凝土的由来与定义术语：高性能混凝土HighPerformanceconcretePerformanceandProperties表演、执行性质、特性性能定义高性能混凝土——具有所要求的性能和匀质性的混凝土。采用传统的组分、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能日常生产这种混凝土的。这些性能，例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。高性能混凝土国际研讨会（1990）定义高性能混凝土——满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。采用普通的组分材料和通常的搅拌、浇注与养护操作，未必能日常生产这种混凝土。美国混凝土学会技术委员会（1998）注释：高性能混凝土的特性，是针对一定的应用和环境所要求的。例如：•易于浇注•早期强度•渗透性•水化热•体积稳定性•可捣实、不离析•长期力学性质•密度•韧性•在服务环境中运行寿命长久高性能混凝土的许多特性是相互关联的，改变其中一个常牵扯到一或多个其他特性发生变化。因此，如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足，则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚。美国混凝土学会1998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。吴中伟高性能混凝土的定义高工作度高强度高耐久性——可泵送、有掺合料的高强混凝土高性能混凝土高工作度1）碾压混凝土拌合物需要足够地干硬以支撑非常沉重的振动压实机械不致下陷而正常地行进和工作。2）滑模混凝土拌合物需要具备适当的坍落度（2~5cm），使摊铺机正常地行进和工作。3）自密实混凝土拌合物需要有足够大的流动性和粘聚性，在没有外加振捣的条件下能够成型密实。高强度高强混凝土：≧C50的混凝土。局限性：1）28d龄期；2）仅指抗压强度，应用范围窄；3）温度收缩和自生收缩大。建议将HPC的强度下限降低到C30左右，以不损及混凝土内部结构（如孔结构、水化物结构、界面区结构等）为度，以保证其耐久性与体积稳定性。……许多大体积水工建筑、基础等对强度要求不高，但对耐久性、工作性、均匀性、体积稳定性、低水化热等有很高要求，都必须采用HPC。日本明石大桥采用20MPa的HPC是很正确的。吴中伟绿色高性能混凝土与科技创新建筑材料学报1998年第一期（创刊号）高性能混凝土大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒填充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充浆体填充骨料堆积体的空隙并在其表面形成润滑层，使拌合物具有满足施工需要的工作度新拌混凝土的结构：二、普通混凝土的微结构及其与性能的关系水泥生产技术的发展受早期强度发展快的利益所驱使，水泥中C3S含量越来越高、粉磨细度越来越大。30年代以前，普通硅酸盐水泥的C3S在30%以下，美国ASTM允许22%的颗粒大于75μm；自50年代开始，硅酸三钙含量超过了50%，而且基本上没有大于75μ的颗粒。西方工业国于40-70年代曾因为早期强度很高的水泥问世，而当时结构的设计强度尚不高，于是出现将混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生产，在满足强度要求的前提下易于施工操作，然而这给混凝土结构的耐久性，尤其是当其暴露于侵蚀性环境工作时，带来了后患。混凝土技术新进展P.K.Mehta混凝土技术的进展新拌混凝土的坍落度30年代干硬、插捣0cm50年代干硬、振捣0-2cm70年代塑性、高频振捣5-12cm80年代泵送、流态8-20cm90年代泵送、自密实10-25cm混凝土技术新进展70年代，日本的桶口芳郎做了一个试验：将坍落度为8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地发现在粗骨料下方普遍形成水囊；混凝土硬化后抗弯拉强度明显下降。硬化混凝土的结构——复杂而不均匀由三相组成：1）骨料相2）硬化水泥浆体相3）过渡区相骨料过渡区水泥石本体C-S-HCH钙矾石裂缝扩展的路径和方向骨料水泥石骨料周围的过渡区薄弱的过渡区相钢筋沉降裂缝水囊混凝土表面钢纤维双膜氢氧化钙水泥浆本体多孔层以上说明：多相且不均匀，骨料与硬化水泥浆体界面存在着薄弱的过渡区，是普通混凝土微结构的特征，决定了其强度和耐久性能。因此，为了提高混凝土的性能，关键在加强过渡区和改善均匀性。多年来混凝土技术只有少数几次重要的突破。40年代开发的引气作用是其中之一，它改变了北美混凝土技术的面貌；高效减水剂是另一次重大突破，它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来巨大的影响。V.M.Malhotra.Superplasticizer:theireffectonfreshandhardenedconcrete(1981)混凝土技术的进展三、强度—水灰比—水化活性关系在保证工作度适宜的前提下，水灰比（水胶比)大幅度地降低，是高性能混凝土(或高强混凝土）与普通混凝土的主要区别所在。1)水灰比降低fcK1/K2w/c1918年Abrams提出的水灰比定则：高效减水剂与矿物掺合料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，并能借助普通的施工设施浇注和成型密实。强度—水灰比—水化活性高水灰比条件下，水泥的水化活性（填充空隙能力）越大，即标号越高，用其配制的混凝土强度和抗渗透性（耐久性）越好。高效减水剂与矿物掺合料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，并能借助普通的施工设施浇注和成型密实。低水灰比—水化活性—混凝土性能关系“水灰比为0.22或0.23，水泥可以全部水化”的说法，只有理论意义，而没有实际意义。水泥充分水化的最小水灰比T.C.Hansen（1970）未水化水泥毛细孔水泥凝胶体积比水灰比长时间放置在水中的水泥浆体水化最终生成物体积比未水化水泥水泥凝胶毛细孔长时间密封放置的水泥浆体水化最终生成物水灰比只有当水灰比≥0.5时，路面混凝土摊铺后不必进行湿养护，但需要及时覆盖，以免水分蒸发。ACPA（美国混凝土路面学会）低水灰比(水胶比）条件下，水泥水化程度减小，速率减慢，但较少的生成物就可填充空隙，粘结骨料形成整体，使强度迅速增长。2)水泥（胶凝材料）水化活性影响的变化我国水泥生产与供应的发展1）熟料中早强矿物C3S含量增多；2）水泥粉磨细度加大；3）市场经济发展，混合材掺量减少;4)散装水泥运输供应发展。随着水灰比（水胶比）降低，水泥或其它胶凝材料需要填充的空隙减小，达到密实填充效果对胶凝材料的水化活性要求也随之降低。反之，当水泥的水化活性越高、粉磨越细，拌合时的需水量就会越大，结果是水胶比的降低（从而混凝土的强度及其它性能）受到影响。强度—水灰比—水化活性强度方程fcu.k=A•fce(C/W–B)fcu.k——混凝土配制强度fce——水泥标号C/W——灰水比A,B——系数：有人用425#(32.5级)与525#(42.5级)水泥，也有人用525#(42.5级)与625#(52.5级)水泥分别配制高强混凝土，得到的结果都显示不出差异。同时，用525#(42.5级)水泥可以配制出28d强度为125~130MPa的高强泵送混凝土；而725#(62.5级)水泥却未见配制出高于100MPa的混凝土。说明：低水灰比时，水泥标号（水化活性）的与配制混凝土强度的关系发生变化。3)温升的影响结构物断面加大、强度设计等级提高、水泥用量增加、水化活性的提高以及散装水泥供应方式的发展，这些都使得混凝土温升加剧。影响水泥水化的因素矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比R(t)=f(C3S)·f(fineness)·f(T)·f(W/C)水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较大，相对疏松，影响结构混凝土的强度和渗透性。图3-46硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升水化热的影响混凝土温度随水泥用量增加而上升图3-47混凝土浇注厚度对温升的影响（浇注温度20C，水泥用量400kg/m3）混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧图3-482.5m厚混凝土中点温度的变化Bamforth的实验（厚2.5m结构物中部的温度变化）70%硅酸盐水泥+30%粉煤灰100%硅酸盐水泥25%硅酸盐水泥+75%磨细矿渣图3-49不同养护条件下混凝土强度发展（a）20C标准养护（b）同温度养护硅酸盐水泥水泥/矿渣水泥/粉煤灰水泥/粉煤灰水泥/矿渣硅酸盐水泥龄期温度匹配养护长期以来沿用的以标准养护室养护的试件强度作为工程选择原材料和配合比的基准，这种方法在如今配制高性能混凝土时已经不再适用，并常造成误导，给工程，尤其是大型基础设施的建设带来损失，迫切需要引起重视和改变。强度评价四、强度—耐久性关系长期以来，混凝土是在高水灰比条件下拌合、浇注与水化硬化的，过渡区薄弱、强度低、抗渗透性能力差，因此耐久性，尤其是实验室快速评价试验的耐久性结果较差。从而得出强度越高、耐久性就越好的结论。上述结论近年遇到严重的挑战。高强混凝土的耐久性1987年美国材料顾问委员会提交的一篇报告引起了轰动：约25.3万座桥梁的混凝土桥面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破坏，且每年还将新增3.5万座。由于混凝土桥面板开裂普遍，因此转向使用高强混凝土，但是看来这无济于事：根据国家公路合作研究计划1995年检查的结果表明：10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔1~3米的贯穿性裂缝。混凝土结构开裂开裂的原因有很多，然而，其中有一个使混凝土结构在早期开裂起主导地位的原因，那就是为满足现代高速施工所采用的高早强水泥及其混凝土拌合物。湖南某大桥近年来，高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自身收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步开展研究。ThermalCrackinginConcreteatEarlyAges.E&FNSPON1994.高强混凝土与早期开裂敏感性延伸性与开裂收缩应变大小仅是引起混凝土开裂的一方面原因，另一方面还有：弹性模量弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；徐变徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；抗拉强度抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。P.K.Mehta.Concrete:Structures,PropertiesandMaterials无松弛作用时出现开裂混凝土的抗拉强度开裂延迟应力松弛后的实际应力应力松弛时间收缩应变受约束时产生的弹性拉应力图3-24硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系（93%水化度）硬化水泥浆体（93%水化度）的渗透性—水灰比关系存在临界区域适当的原材料组分、浇筑和养护的混凝土基本上是不透水的，应该在大部分环境条件下具有足够长的使用寿命。然而，由于环境的作用，出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，也就是对于上述劣化过程的抵抗力。现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术中控制开裂的基本道理给予足够的重视。采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出28d抗压强度为35～40MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性能。水灰比与渗透性不是强度，而是混凝土的坚固性（没有裂缝）对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用。P.K.Mehta耐久性——影响未来的关键问题西直门立交桥一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结