高性能混凝土及实现途径

高性能混凝土研究与应用苏笮斌西南交通大学Tel:[phone]教授级高工多项国家重点工程技术顾问中国建材工业联合会混凝土外加剂协会会员四川省土木建筑学会会员四川省专业防水委员会委员自主研发并获中华人民共和国知识产权局发明专利“聚羧酸系高性能减水剂、高性能抗冲耐磨剂、碱骨料活性反应抑制剂、防裂抗蚀增塑剂、防水防腐胶粉”等15项编制的“高效砂浆增塑剂、抗蚀防腐剂”等4产品质量标准，被应用为国家产品行业标准多项研发成果通过省（部）级科技成果鉴定，并成功配制成果转化个人简介一普通混凝土与高性能混凝土的区别高性能混凝土的技术指标实现高性能混凝土的途径高性能混凝土存在的问题二混凝土常见问题及解决办法三混凝土的发展方向目录一高性能混凝土高性能混凝土（缩写为HPC）是最近十多年才出现的新型高技术混凝土。它以混凝土耐久性作为设计的主要指标，保证混凝土有良好的工作性、适用性、力学强度、体积稳定性和经济性，采用现代混凝土技术制作的混凝土。高性能混凝土必须具备的性能：（1）针对具体环境下的高耐久性；（2）不易开裂性（特别是早期抗裂性）；（3）适当的较高强度；（4）良好的工作性。（3）和（4）两个要求，目前混凝土技术都能达到，因此所谓高性能主要是耐久性和抗裂性。配比特点：掺加合格的矿物掺和料和功能型外加剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制备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。一高性能混凝土1.1混凝土耐久性介绍【高性能混凝土组成】一高性能混凝土【高性能混凝土组成】一高性能混凝土1.1普通混凝土与高性能混凝土的区别1、普通混凝土是以抗压强度作为最基本的特征；高性能混凝土则是以耐久性为主要指标，同时还有强度、工作性、体积稳定性等。2、普通混凝土是以水泥和粗、细骨料、水四大组分为原材料；高性能混凝土则在前者的基础上增加了大量的外加剂和掺合料，使其性能得到质的变化。3、普通混凝土一般采用0.4~0.8的水胶比；高性能混凝土因掺入功能型外加剂使水胶比减少即不大于0.38。4、普通钢筋混凝土使用寿命只有40~50年；高性能混凝土设计使用年限为100年，相比普通混凝土，采用低水胶比高性能混凝土，硬化后毛细孔数量显著减少，而超细掺合料又改善粉体集料级配，大幅减少毛细孔数量，毛细孔越少，混凝土越密实，耐久性越好。一高性能混凝土1.2高性能混凝土技术指标①抗渗性②抗冻性③耐腐蚀性④抗碳化性⑤碱—骨料反应⑥耐冲磨性⑦抗冻融性⑧其他指标【技术指标】一高性能混凝土1.2高性能混凝土技术指标【抗渗性】硬化水泥浆体或混凝土因毛细作用(而不是压力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性质，称为吸水性。试验表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表层的抗渗性。混凝土抵抗压力水(油、液体)渗透的能力，称为抗渗性。评价指标：抗渗标号P以28d龄期的混凝土标准试件，按标准方法进行抗渗试验，以6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压确定，计算式如下：P=10H-1式中：P—抗渗标号；H—6个试件，3个试件出现渗水时的水压力(MPa)。影响因素：混凝土的配合比：水灰比、胶凝材料用量浇注成型工艺：混凝土的搅拌、混凝土的震捣养护条件：湿度、温度、龄期一高性能混凝土【抗冻性】在吸水饱和状态下，混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏，也不显著降低其强度的性能，称为混凝土的抗冻性。评价指标：以强度降低不超过25%、质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数N为抗冻指标—抗冻标号F或耐久性系数Km：Km=PN/300式中：N—混凝土试件冻融循环试验至相对弹性模量下降到60%以下时的冻融循环次数；P—经N次冻融循环后试件的相对弹性模量。水结冰产生压力的机理：水压;渗透压;毛细孔中冰结晶生长压实验表明：冻结对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力及冰水蒸气压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果。1.2高性能混凝土技术指标一高性能混凝土【耐冲磨性】混凝土能够抵抗挟砂、石、水流、汽蚀、风蚀等冲磨破坏的能力，称为耐冲磨性。评价指标：以单位面积的磨损量来评价。磨损量Gc计算方法如下：Gc=(m1-m2)/0.0125(T0567-2005)式中：Gc--单位面积的磨耗量（kg/m2）m1--试件的初始质量（kg）m2--试件磨耗后的质量（kg）影响因素：水泥的品种、强度等级，砂石的级配，含泥量，掺合料的质量，外加剂的品种和质量，骨料粒径、施工工艺等。实验表明：混凝土抗压强度越高,磨损系数越低。骨料最大粒径应选择在2.0～2.5cm磨损系数最低。1.2高性能混凝土技术指标一高性能混凝土【耐蚀性】混凝土在腐蚀体系环境中，具有的抗腐蚀能力，称为耐磨性与抗冲刷性。评价指标：通常用快蚀系数开来评价混凝土的抗蚀性能。抗蚀系数计算方法如下：其中：K—抗蚀系数，%R液—试件在溶液中侵泡28天抗折强度，MPaR水—试件在水中养护同龄期抗折强度，MPa影响因素：以氯盐、硫酸盐和镁盐为代表的化学侵蚀破坏、以气候因素和盐类结晶为代表的物理因素作用、以自身结构的密实程度与收缩变形为代表的自身因素是影响混凝土抗蚀性的3大主要因素。其中，混凝土自身的密实程度和微裂缝是影响其耐蚀性的关键因素。RRK水液1.2高性能混凝土技术指标一高性能混凝土【碱骨料反应】碱骨料反应是指水泥中的碱性氧化物含量较高时，会与骨料中所含的二氧化硅发生化学反应，并在骨料表面生成碱-硅酸凝胶，吸水后会产生较大的体积膨胀，导致混凝土胀裂现象，该现象称为混凝土碱骨料反应。评价指标：常用混凝土中碱含量来衡量能否发生碱骨料反应。影响因素：水泥或混凝土的含碱量、活性氧化硅含量、骨料粒径、水分来源、环境温度。1.2高性能混凝土技术指标一高性能混凝土【抗碳化性】碳化是指环境中的CO2与混凝土水泥石中的Ca(OH)2作用生成碳酸钙和水，从而降低混凝土中碱度的现象。影响因素：CO2浓度、相对湿度、混凝土的密实度、水泥品种和掺和料等。危害：由于碱度的降低，混凝土中的钢筋失去保护膜，引起钢筋锈蚀；混凝土表面出现碳化收缩，导致微裂缝的产生，降低混凝土的强度和耐久性。1.2高性能混凝土技术指标一高性能混凝土1.3实现高性能混凝土的途径组成材料浇筑/密实/养护架构和构件设计配合比高性能混凝土一高性能混凝土【减少拌和水及胶凝材料浆体的用量】为达到减少拌和水与水泥浆量的目的，主要途径有：选用良好级配和粒形的粗骨料添加功能型外加剂或高性能减水剂添加低需水量比的矿物掺和料降低水固比（W/S）和浆骨比对混凝土整体而言，降低拌和水量而增加固态材料的重量，是有益的建议，在高性能混凝土建议水固比（W/S）≤0.08；控制浆骨比在较低的水平例如中低等级混凝土在0.32以下，高等级混凝土在0.35以下。1.3实现高性能混凝土的途径将拌和水的最大用量作为控制混凝土耐久性质量要求的一种标志，要比用最大水胶比（或水灰比）更为适宜。依靠水胶比的控制尚不能解决混凝土中因浆体过多，而引起收缩和水化热增加的负面影响。一高性能混凝土在胶凝材料体系中，降低混凝土的水泥用量，增大矿物细粉掺合料的用量，可以提高混凝土结构的化学稳定性和抵抗化学侵蚀的能力，降低内部缺陷，提高密实性。在新的世纪，无论是为了低碳发展模式配制可持续发展还是为了提高混凝土的耐久性，延长使用寿命，我们都必须给水泥重新定位：在今后相当长的时期内，水泥仍然是胶凝材料中的重要组分，但不会是绝对组分，更不可能是唯一组分。由水泥和大比例矿物细粉掺合料共同组成合理胶凝材料体系的时代即将到来。1.3实现高性能混凝土的途径【选择合理的胶凝材料体系】一高性能混凝土【控制混凝土总碱含量和氯离子含量】1.3实现高性能混凝土的途径(1)控制混凝土组成材料中的碱含量，《混凝土结构耐久性设计规范》中规定：对骨料无活性且处于干燥环境条件下的混凝土构件，含碱量不应超过3.5kg/m3；对于设计使用年限为100年的结构物，宜限制混凝土的含碱量不超过3kg/m3；对于骨料无活性但处于潮湿环境（相对湿度≥75%）条件下的混凝土构件，含碱量不超过3kg/m3。含量和卤化物（尤其是氯盐）是混凝土发生碱骨料病害和钢筋腐蚀的主要原因，因此应注意：一高性能混凝土1.3实现高性能混凝土的途径（2）控制混凝土中的氯离子含量，GB50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中规定见下表：【控制混凝土总碱含量和氯离子含量】含量和卤化物（尤其是氯盐）是混凝土发生碱骨料病害和钢筋腐蚀的主要原因，因此应注意：一高性能混凝土【掺用功能型高性能外加剂】1.3实现高性能混凝土的途径掺入功能型高性能外加剂的目的是：改善工作性，增加强度，提高混凝土抗渗性、抗冻性、抗裂性、抗蚀性、耐磨性，明显提高混凝土耐久性能。配制高性能混凝土时，常用的功能型外加剂有：高性能减水剂、抗裂防水膨胀剂、抗蚀防腐剂、抗裂纤维、减缩剂、增效剂、气密剂、防冻剂、抗冲耐磨剂、碱骨料活性抑制剂、缓凝剂、引气剂、水下不分散剂、阻锈剂等等。一高性能混凝土【其他措施】1.3实现高性能混凝土的途径（1）合理使用水泥：选用低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早强水泥、细度过细和高C3A含量的水泥。（2）加强混凝土质量的生产过程控制：在混凝土施工中，应当均匀搅拌、灌注和振捣密实及加强养护以保证混凝土的施工质量。混凝土的原料及选用-化学外加剂化学外加剂外加剂是为了改善和调节混凝土的某些性能，在混凝土搅拌室加入的不超过水泥用量的5%（特殊情况除外）的物质。分类---按主要功能分1调节混凝土拌合物流变性能的外加剂，如减水剂、泵送剂、引气剂等；2调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂，如早强剂、缓凝剂、速凝剂等；3改善混凝土耐久性的外加剂，如引气剂、防水剂、防冻剂和阻锈剂；4改善混凝土其他性能的外加剂，如加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、脱模剂；22预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂减水剂减水剂作用机理：表面活性剂机理减水剂的作用：湿润、乳化分散、润滑减水剂的经济效果在配合比不变的条件下，可以增加混凝土拌合物的流动性，且不影响其强度在保持流动性及水泥用量不变的条件下，能减少混凝土拌合物的用水量，降低水灰比，提升混凝土的强度及耐久性在保持流动性及水灰比不变的条件下，可以减少拌合物的用水量，同时相应的减少水泥用量，降低混凝土成本，且不改变混凝土强度引气剂引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂加入引气剂的主要作用：改善混凝土的拌合物的和易性显著提高混凝土的抗冻性和抗渗性气泡可使混凝土弹性模量有所降低，对提高混凝土抗裂性有利加入引气剂的缺点：掺用引气剂使混凝土强度及耐磨性有所降低，所以掺量不宜过高23预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂早强剂早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂类别：氯盐类、硫酸盐类、有机胺类以及他们组成的符合早强剂缓凝剂缓凝剂是指能延长混凝土凝结时间而又不会显著降低混凝土后期强度的外加剂。作用机理是延缓混凝土凝结时间和水泥水化热释放速度。主要类别：无机盐类、羟基羧酸盐类、多羟基碳水化合物类、木质素磺酸盐类。主要用途：多用于大体积混凝土，以及混凝土地夏季施工或其他远距离运输的商品混凝土24预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂防冻剂防冻剂是为了使混凝土在环境温度为低温或负温下达到规定强度而使用的外加剂。类别：无机盐类、水溶性有机化合物类、有机化合物和无机盐复合类；通常情况下，组合防冻剂的效果比单一组分的防冻剂好。防水剂防水剂指能降低混凝土在静水压力下渗透性的外加剂。主要类别：水性环氧树脂防水剂、水性渗透型无机防水型、机硅类防水剂、硅酸质粉末系列防水剂作用机理：掺入微细颗粒,充填混凝土内部孔隙与水泥水化产物结合，形成稳定的产物混入憎水性物质或生成憎水性组分形成防水性的薄层25预拌混凝土的原料及选用-化学外加剂膨胀剂膨胀剂是指能使混凝土经水化后产生膨胀的外加剂。类别：硫铝酸钙类、氧化钙类、硫铝酸钙类--氧化钙类；主要用于补偿收缩混凝土、自应力混凝土和有较高抗裂防渗要求的混凝土工程速凝剂速凝剂指能使混凝土迅速凝结硬