高性能混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的應用

1、高性能混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的應用1 前言高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，國外學者曾稱之為21世紀混凝土。挪威于1986年首先對此進行了研究，在1990年由美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）與美國混凝土學會（ACI）共同主辦的一次研討會上正式定名。大會規(guī)定高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制，便于澆搗、不離析、力學性能穩(wěn)定、早期強度高、具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。由于高性能混凝土具有綜合的優(yōu)異技術(shù)特性，引起了國內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來，世界上許

2、多國家相繼投入了大量的人力、財力、物力進行該項研究與開發(fā)應用，使高性能混凝土技術(shù)取得了很大的進展，在原料的選擇、配合比設計、物理力學性能、耐久性、工作性、結(jié)構(gòu)性能以至應用技術(shù)等方面都取得了既有理論基礎又有實用價值的科技成果。在1993年，美國混凝土學會下屬的技術(shù)委員會提出一新的高性能混凝土定義：滿足工程特殊要求的各種性能，可包括易澆搗而不離析，高長期力學性能、高早期強度、高堅韌性與高體積穩(wěn)定性，或在嚴酷環(huán)境中使用壽命長久，并且勻質(zhì)性良好的混凝土。近年來，美國混凝土學會又給出一個文字上較精練的定義：“高性能混凝土是一種要能符合特殊性能綜合與均勻性要求的混凝土，此種混凝土往往不能用常規(guī)的混凝土組分

3、材料和通常的攪拌、澆搗和養(yǎng)護的習慣做法所獲得?！备咝阅芑炷?，開始是用于表征具有高工作度、高強度和高耐久性的混凝土。這種混凝土必須設計成具備高度體積穩(wěn)定性。為了減少混凝土由于溫度收縮和干縮產(chǎn)生的開裂，必須限制混凝土拌合物中的水泥漿含量。Mehta和Actcin提出的高性能混凝土配合比設計方法限定總水泥漿量為混凝土體積的1/3；允許部分硅酸鹽水泥用火山灰或有膠凝性的摻合料來代替。A?tcin曾預言：摻礦渣、粉煤灰、硅粉、亞粘土、稻殼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備更經(jīng)濟外，還能發(fā)揮它們的超疊作用，改善其新拌與硬化時的性質(zhì)。 2 高性能混凝土在現(xiàn)代工程中的應用高性能混凝土技術(shù)

4、正在世界各地成功地用于很多離岸結(jié)構(gòu)物和長大跨橋梁的建造，Langley等人敘述了幾種加拿大一長大跨橋梁所用的拌合物。它們用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥用量為450 Kg/m3，水153L/ m3，引氣劑160mL/ m3和高效減水劑3L/ m3。其坍落度大約在200mm；含氣量6.1%；1d、3d、28d抗壓強度分別為35、52和82 MPa；基礎和其他大塊混凝土的混合水泥用量為307 Kg/m3，粉煤灰133 Kg/m3，用水量接近，但引氣劑和高效減水劑摻量大幅度減小，坍落度約在185mm；含氣量7%；1d、3d、28d和90d抗壓強度分別為10、20、50和76 MPa。根據(jù)加拿大和美

5、國的透水性與氯離子快速滲透標準方法實驗結(jié)果表明：兩部分混凝土都呈現(xiàn)非常低的滲透性。對高性能混凝土結(jié)構(gòu)的施工，需要非常強調(diào)加強現(xiàn)場實驗室試驗和質(zhì)量驗收。高性能混凝土發(fā)展的另一領域是高性能輕混凝土，相對于鋼材，普通混凝土的強度/自重比很低，摻有高效減水劑的高強混凝土則大大提高了該比例；用有大量微孔的輕骨料代替部分普通骨料，就能進一步提高這個比例。由于骨料的質(zhì)量不同，密度為2000 Kg/m3、抗壓強度在7080 MPa的高性能輕混凝土在一些國家已經(jīng)商品化并用于構(gòu)件生產(chǎn)。在澳大利亞、加拿大、日本、挪威和美國，高性能輕混凝土已用于固定式和漂浮式鉆井平臺；因為水泥漿和骨料之間的界面粘結(jié)強度高，它可以不透

6、水，所以在侵蝕環(huán)境中能夠很耐久。 采用摻1015%硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有優(yōu)良的粘附力，因此適用于濕噴的噴射混凝土進行結(jié)構(gòu)修補，這也是高性能混凝土的應用領域之一.2.1 高性能混凝土在高層建筑中的應用。高性能混凝土（>40MPa）首先用于30層以上高層建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因為這種建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土時斷面很大。除節(jié)省材料費用外，與鋼結(jié)構(gòu)相比，加快施工速度也是采用混凝土結(jié)構(gòu)的重要特點，自美國芝加哥在1965年以50 MPa 混凝土澆注Lake Point Tower的一些柱子以來，北美和其他國家到處都在用高性能混凝土建造高層建筑。芝加哥79層的

7、Water Tower Place大樓柱子采用了60MPa混凝土；多倫多的Scotia Plaza Building和西雅圖的Two union Square Building兩座建筑物則分別有90 和120MPa強度的高性能混凝土柱子。應用實例：a高性能混凝土應用C80高強與高性能混凝土在沈陽方園大廈、 大西電業(yè)園等多項高層建筑鋼管混凝土柱中應用。b 據(jù)資料，上海高性能混凝土研究領域中取得一大批可 喜的成果，其中具有代表性的成果有：中華第一高樓88層金茂大廈的C40一次泵送到382.5m；明天廣場礦渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育電視臺綜合樓大體積基礎混凝土，水泥用量只占膠凝材料總量的46

8、%，配制的混凝土漿量飽滿，混凝土工作性、粘聚性和抗離析 性能都十分優(yōu)異，強度達到C40的高性能混凝土。c 圖表：工程名稱施 工 日 期泵送高度m混凝土強度等級外加劑水平上海賓館1981年80C30國內(nèi)領先 靜安希爾頓1987年143C30國內(nèi)領先 上海商城1988年166.25C28木鈣國際先進南浦大橋主塔1989年154C40南浦1號國際先進楊浦大橋主塔1993年208C50南浦2號國際領先 東方明珠1994年350C40JRCD國際領先 徐浦大橋東主塔1995年217C50JRCD國際領先 金茂大廈1997年382.5C40FTHC國際領先 2.2 高性能道面混凝土a.高性能道面混凝土研究

9、的意義 隨著對交通運輸要求的日益提高，發(fā)展“長壽命低維護路面”，采用高性能道面混凝土，提高混凝土的抗折強度與耐久性是當前道面混凝土的發(fā)展趨勢。 b.國外發(fā)展情況 1997年召開的第十六屆國際混凝土路面會議，提出路面設計不僅要提出平均強度要求，還應提出耐久性要求。在未來發(fā)展方向中提出抗拉強度達17MPa的超高強混凝土，用于鋪筑連續(xù)的混凝土路面。提高混凝土道面表面的致密性、抗?jié)B性都是很重要的，而這是需要通過高性能混凝土來實現(xiàn)的。 c.高性能道面混凝土的強度 高性能道面混凝土的重要特征是具有高抗折強度。使用高性能道面混凝土可以顯著提高道面的承載能力，延長使用壽命或減薄道面的厚度以降低工程造價。 d.

10、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夠的耐久性，能夠抵抗氣候和環(huán)境的長期破壞作用，保證在道面的設計使用期限內(nèi)，混凝土能夠正常工作。 e.高性能道面混凝土的變形性質(zhì) (1) 干縮 道面板表面積很大，蒸發(fā)量大，干縮有可能引起道面板表面產(chǎn)生收縮裂縫，需加強養(yǎng)護。 (2) 抗折彈性模量 高性能道面混凝土的抗折彈性模量E，經(jīng)實測，1級為4.305104Mpa，2級為4.845104Mpa，3級為4.605104Mpa。強度3級的高性能道面混凝土的配合比中，骨料用量較少，粗骨料最大粒徑較小。 f.應用情況 應用高性能道面混凝土產(chǎn)生顯著的效益： (1) 提高道面承載力； (2) 延長

11、道面使用壽命； (3) 降低工程造價； g. 應用實例(1)在美國大約有70%的公路采用高性能道面混凝土：其中北達科他州，1988和1989年夏天，用20000m3混凝土鋪筑厚為200 mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100 Kg/m3、粉煤灰220 Kg/m3；德克薩斯州的路面示范工程也成功地采用了這一新材料。(2) 青藏鐵路建設工程中全面推廣使用h.結(jié) 論 三個強度級別的高性能道面混凝土具有極其優(yōu)良的品質(zhì)，材料費用基本不增加或增加不多，可供不同要求的工程選擇使用，建造長壽命低維護的道面、路面，其社會、經(jīng)濟效益是巨大的，值得大力推廣和不斷研究，促進我國機場水泥混凝土道面工程和公路路面

12、工程步入新的發(fā)展階段，以適應日益增長的對航空和交通運輸?shù)男枰?.3海洋混凝土結(jié)構(gòu)提高港口水工建筑物耐久性研究研究提出技術(shù)經(jīng)濟合理、便于推廣應用的新型海工高性能混凝土大跨橋梁、海底隧道和離岸采油平臺，是這種應用的實例。如：a汕頭港外深水航道治理工程；b珠江口伶仃洋深水航道治理工程；c青島、寧波北侖等港口建成了能靠泊二十萬噸級油輪和礦石船的深水泊位2.4 免振自密實混凝土（Self-compacting Concrete）由于免振自密實混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密實性、均勻性得到顯著的提高，成為混凝土技術(shù)的一項新的進展而被列為高性能混凝土一族。免振自密實混凝土是近十多年來由日

13、本首先研究開發(fā)并付諸工程應用的一項近代混凝土技術(shù)。由于免振自密實混凝土在工程上應用可以取得提高混凝土質(zhì)量、改善混凝土施工操作、養(yǎng)活施工噪音以及提高勞動生產(chǎn)率、加快施工進度降低工程費用等技術(shù)經(jīng)濟效果，近年來世界各國對此給予很大的重視與關(guān)注。日本預期到2003年將有1/2的混凝土工程將用免振自密實混凝土澆注。顧名思義，免振自密實混凝土是在澆筑時僅靠混凝土自身的重力而不需要任何搗實外力而達到自密實、自流平的一種混凝土。免振自密實混凝土應具有三個特性：（1）流動性；（2）良好的穩(wěn)定性不離析；（3）鋼筋和模板中的任何間隙，具有良好的通過能力，不產(chǎn)生阻塞。根據(jù)上述三個特性的要求，免振自密實混凝土配制的原理

14、與方法科述如下：新拌混凝土的物相屬粒子懸浮體，其連續(xù)介質(zhì)是水泥漿體，也就是液相而混凝土中的集料則為固相。在所有粒子懸浮體中，流動性與粒子離析間的平衡是必需的。新拌免振自密實混凝土要在沒有外力作用下充分填實混凝土模板中的一切空隙并達到密實，更是要兼具良好的流動性與穩(wěn)定性。為獲得高流動性，首先要減小顆粒間的磨擦阻力。摻入超塑化劑以減小顆粒的表面張力固然十分必要，但從免振自密實的性能要求看，僅靠摻超塑化劑還難以達到，還需摻入一定數(shù)量的超細物料。為得到良好的穩(wěn)定性，使物料不離析，其液相必需具有適當?shù)牧髯冃?，才能既不產(chǎn)生泌水又防止顆粒的離析。為達到此要求，同樣也需摻入適量的顆粒尺寸0.25mm的細填料，

15、有時還需摻入粘度改性劑（增粘劑）。為使混凝土能流暢地通過鋼筋和模板中的任何間隙而不產(chǎn)生阻塞，除需根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的設計選定合適的集料粒徑和形貌外，液相的體積量及其流變性質(zhì)也是重要的參數(shù)。其流變性質(zhì)是按流變學的賓漢姆型用粘度計來評定的，應具有低的屈服應力和適當?shù)乃苄哉扯?。按流變學的觀點，免振自密實混凝土的基體是自由流動的超細漿體，該漿體是由水泥與超細物料共同組成的，其流動性隨環(huán)繞固體粒子的漿膜層厚度的增大而提高，而漿膜層的厚度只有在漿體已充滿固體顆粒間的空隙后才能形成，因此，漿體的厚度受到固體顆粒的形貌影響。對于漿體而言，除了要求具有高流動性外，還需具有足夠的高粘度，必須成為高粘性的牛頓液體，才能防止離析。免振自密實混凝土的配制工藝流程如圖所示。水泥超細摻和料水超塑化劑自由流動的漿體細集料自由流動的砂漿粗集料 自密實混凝土 免振自密實混凝土的配合比設計，首先要確定根據(jù)集料的空隙含量所需要的液相體積。該液體的組成包括水泥、水、外加劑和0.25mm的超細物料。超大型細物料與總集料體積之比（S/A）是免振自密實混凝土配合比設計中的一項重要參數(shù)。銘振自密實混凝土的流動性將隨S/A的增大而增大，而對彈性模量無明顯的影響。水灰比基本上按所需的混凝土抗壓強度來確定。由于免振自密實混凝土的流變行為與組分材料的體積有十分密切的關(guān)系，因此，免振自密實混凝土的配合