高性能混凝土講課材料

高性能混凝土講課材料第一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六高性能混凝土

(HighPerformanceConcrete)1概述3HPC的性能要求及檢測方法4提高混凝土耐久性的措施2混凝土結(jié)構(gòu)的劣化形式5生產(chǎn)及檢測設備要求第二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六1概述一、HPC的相關(guān)概念二、HPC的結(jié)構(gòu)特點三、國內(nèi)外現(xiàn)狀四、推廣HPC的意義第三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念1.背景混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，更多的不是因為強度不足；而是因為抵抗自然環(huán)境劣化條件的耐久性不足。(1)國外情況(2)國內(nèi)情況第四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念2.HPC概念的發(fā)展(1)美國1984年，法國發(fā)表第一篇關(guān)于HPC的論文；1990年5月，在美國馬里蘭州由NIST和ACI主辦了第一次關(guān)于HPC的國際研討會，會議首次提出關(guān)于HPC的定義。高性能混凝土——具有所要求的性能和勻質(zhì)性的混凝土。例如易于澆注和壓實而不離析、高長期力學性能、高早強、高韌性、體積穩(wěn)定、嚴酷環(huán)境中使用壽命長。第五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念(1)美國(2)日本(3)歐洲(4)中國……2.HPC概念的發(fā)展第六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念CECS207-2006高性能混凝土應用技術(shù)規(guī)程：采用常規(guī)材料和生產(chǎn)工藝，能保證混凝土結(jié)構(gòu)所要求的各項力學性能，并具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性的混凝土。這種混凝土在配比上的特點是摻加合格的礦物摻和料和高效減水劑，取用較低的水膠比和較少的水泥用量，并在制作上通過嚴格的質(zhì)量控制，使其達到良好的工作性、均勻性、密實性和體積穩(wěn)定性。高強混凝土就是高性能混凝土？高性能混凝土一定高強？2.HPC概念的發(fā)展第七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念3.全壽命經(jīng)濟分析(LCCA)全壽命經(jīng)濟分析理念誕生于19世紀中期，但直到20世紀30年代才被公眾所接受。20世紀60年代，美國經(jīng)濟學家和美國州立高速公路協(xié)會發(fā)布的紅皮書將全壽命設計概念引入到交通工程中；1983年，美國公路研究基金立項推動道路和橋梁結(jié)構(gòu)全壽命設計方法的研究；1996年，美國聯(lián)邦公路局正式頒布了“道路和橋梁結(jié)構(gòu)全壽命設計指南。美國：“它是一個程序和方法，用于評價可行計劃項目的總經(jīng)濟價值。包括初始成本和經(jīng)折現(xiàn)的進一步成本——整個壽命期內(nèi)的維護、修復、重建和表面翻新處理成本”。第八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念3.全壽命經(jīng)濟分析(LCCA)全壽命周期成本(1)機構(gòu)成本：規(guī)劃與設計；施工及管理；檢查；維護與維修；大修、更換、更新；殘值交通阻塞延誤；交通繞道；環(huán)境損害；其它……荷載導致的損害；碰撞損害；地震、洪水；其它……(2)使用者成本：(3)意外與風險成本第九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念3.全壽命經(jīng)濟分析第十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、HPC相關(guān)概念4.耐久性及耐久性設計CECS207∶2006高性能混凝土應用技術(shù)規(guī)程混凝土在所處工作環(huán)境下，長期抵抗劣化外力與劣化內(nèi)因的作用，維持其應有性能的能力。耐久性設計：指設計中為抵抗環(huán)境因素的作用、提高設計壽命而增加的一系列技術(shù)要求。例如材料的耐久性要求，結(jié)構(gòu)的耐久性構(gòu)造，附件的可更換性及橋梁施工的質(zhì)量要求。第十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、HPC的結(jié)構(gòu)特點1.水泥石的孔結(jié)構(gòu)類別名稱直徑對漿體性能影響粗孔球形大孔1000～15μm強度、滲透性毛細孔大毛細孔10～0.05μm強度、滲透性小毛細孔50～10nm強度、滲透性、高濕度下的收縮凝膠孔膠粒間孔微孔層間孔10～2.5nm2.5～0.5nm﹤0.5nm濕度50%以下時的收縮收縮、徐變收縮、徐變第十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、HPC的結(jié)構(gòu)特點2.界面過渡區(qū)(1)過渡區(qū)的形成水灰比梯度CH取向生長水灰比高孔隙率大CH、Aft多，結(jié)晶顆粒大CH取向生長(2)過渡層的特點第十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、HPC的結(jié)構(gòu)特點(1)孔隙率低，基本上不存在100nm以上的大孔；(2)水化物中CH減少，CSH和Aft增多；(3)未水化顆粒多，中心質(zhì)效應增強；(4)界面過渡區(qū)得到優(yōu)化。第十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、國內(nèi)外現(xiàn)狀ACI-201：1957成立，負責混凝土耐久性方面的研究，1992年編制了耐久性混凝土指南；RILEM：1960成立鋼筋銹蝕技術(shù)委員會；1996提出基于破壞概率設計理論的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計概念；ASTM：每三年召開一次建筑材料耐久性研討會；日本、挪威、印度等國的研究機構(gòu)。1.國外情況第十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、國內(nèi)外現(xiàn)狀七五(1986-1990)：大氣條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及使用年限；八五(1991-1995)：預應力混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土耐久性技術(shù)、工業(yè)廠房混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究、重大土木與水利工程安全性與耐久性基礎研究九五(1996-2000)：重點工程混凝土安全性研究十五(2001-2005)：青藏鐵路十一五(2006-2010)：客運專線/高速鐵路相關(guān)標準：CCES01-2004混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性設計指南CECS207-2006高性能混凝土應用技術(shù)規(guī)程CECS220-2007混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標準GB50476-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范1.國外情況2.國內(nèi)情況第十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、國內(nèi)外現(xiàn)狀3.當前的嚴峻形勢建設速度；新材料、新工藝；大型工程建設；特殊環(huán)境開發(fā)利用1.國外情況2.國內(nèi)情況第十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、推廣HPC的意義普通砼工程的維修費用急劇增大，使用壽命受到影響；傳統(tǒng)砼的強度及性能越來越難以滿足要求，水泥用量增大使砼的體積穩(wěn)定性變差，容易開裂；混凝土施工要求越來越高，要求和易性好、可泵性好；發(fā)展HPC是保護生態(tài)環(huán)境，保證可持續(xù)發(fā)展道路的需要。第十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六2混凝土的劣化形式二、凍融破壞三、化學侵蝕四、堿骨料反應一、鋼筋銹蝕五、磨蝕、風蝕、沖刷第十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六2混凝土的劣化形式Metha：當今世界混凝土破壞的主要原因為鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學作用。(1991年第二屆混凝土耐久性會議主題報告：混凝土耐久性-50年的進展)第二十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六2混凝土的劣化形式Metha：當今世界混凝土破壞的主要原因為鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學作用。(1991年第二屆混凝土耐久性會議主題報告：混凝土耐久性-50年的進展)本地的具體情況：溫度低；溫差大；風沙大；雨量少；撒鹽除冰。鋼筋銹蝕；凍融破壞及鹽凍；風蝕。第二十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、鋼筋銹蝕電化學腐蝕：Fe-2e=Fe2+H2O+O2+4e=4OH-發(fā)生條件陽極反應：脫鈍陰極反應：H2O、O2離子和電子通路1.銹蝕機理第二十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、鋼筋銹蝕1.銹蝕機理第二十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、鋼筋銹蝕pH值；氯離子濃度；環(huán)境溫濕度；混凝土飽水度、電阻抗；保護層滲透性2.影響因素1.銹蝕機理減少氯離子含量和侵入；保護層厚度及質(zhì)量3.預防措施第二十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、凍融破壞(1)靜水壓假說(2)滲透壓假說(3)鹽凍1.破壞機理第二十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、凍融破壞(1)靜水壓假說(2)滲透壓假說(3)鹽凍初始飽水度提高：鹽類的吸濕性和保水性滲透壓、結(jié)晶壓結(jié)冰速度和降溫速度加快使靜水壓增大1.破壞機理第二十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、凍融破壞2.影響因素(1)氣泡間距；(2)飽水程度；(3)骨料特性；(4)混凝土強度；(5)凍結(jié)溫度、速度1.破壞機理3.預防措施適當引氣第二十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、化學侵蝕(1)環(huán)境水(2)酸堿(3)硫酸鹽(4)結(jié)晶侵蝕2.影響因素(1)侵蝕介質(zhì)(2)滲透性能(3)水化產(chǎn)物Ca(OH)2溶出水泥石分解(穩(wěn)定濃度1.3g/L)其它腐蝕性介質(zhì)E鹽腐蝕(Ettringite)>250mg/LG鹽腐蝕(Gypsm)>1000mg/L碳硫硅鈣石DEF1.侵蝕機理第二十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、堿骨料反應(1)ASR2.發(fā)生條件骨料具有堿活性可溶性堿(Na2O+0.658K2O)潮濕環(huán)境(2)ACR1.AAR機理3.預防措施非活性集料減少可溶性堿(Na2O+0.658K2O)減少與水接觸引氣第二十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六3HPC的性能要求及檢測方法二、混凝土的體積穩(wěn)定性三、混凝土的力學性能四、混凝土的耐久性一、新拌混凝土的性能第三十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、新拌混凝土的性能1.和易性(1)和易性的概念坍落度/擴展度坍流時間坍落度損失泌水率流動性粘聚性保水性(2)和易性的要求第三十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、新拌混凝土2.含氣量(1)測定原理(2)測定方法(3)要求環(huán)境條件無抗凍要求有抗凍要求D1D2、D3D4含氣量≥2.0≥4.0≥5.0≥5.5測定混凝土的含氣量Ac；測定骨料含氣量Ag；A=Ac-Ag第三十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、體積穩(wěn)定性1.混凝土開裂的原因(1)外界荷載(2)次應力(3)膨脹(4)收縮恒載、活載、風雪、吊車、地震水化熱、溫度變化、地基變形f-CaO、AAR、化學腐蝕、凍融、DEF混凝土凝結(jié)硬化后，抵抗收縮開裂，保持原有體積穩(wěn)定的性能?；瘜W收縮干縮和自收縮溫度收縮碳化收縮塑性收縮第三十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、體積穩(wěn)定性2.抗裂性檢測方法(1)收縮率(2)抗裂性第三十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、混凝土力學性能1.抗壓強度試驗齡期：56d養(yǎng)護要求：標準養(yǎng)護、同條件養(yǎng)護2.彈性模量第三十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、混凝土的耐久性1.電通量60V6h0.3MNaOH、3%NaCl養(yǎng)護(鉆芯)→側(cè)封→真空(5kPa3h)→注水浸泡1h→常壓飽水18h讀數(shù)：5min/10min/30min(1)原理及設備(2)試驗步驟(3)電通量計算(4)結(jié)果處理積分（時間:s）；以直徑95mm為基準有1個超差15％剔除，有2個超出取中間值。第三十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、混凝土的耐久性2.抗凍性(1)原理及設備(2)等級評定快速凍融機、動彈模測定儀、臺秤(20kg、感量5g)抗凍等級：5%；60%相對耐久性系數(shù)Kn：第三十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、混凝土的耐久性3.堿骨料反應(1)技術(shù)要求TB/T3054-2002鐵路混凝土工程預防堿—骨料反應技術(shù)條件首先用巖相法檢測，堿碳酸鹽反應活性骨料不能使用；對于堿硅反應的骨料：膨脹率0.1％膨脹率0.1％～0.2%膨脹率0.2％～0.3%可以使用限制堿含量附加預防措施(2)相關(guān)檢測方法檢測ASR的砂漿棒法檢測抑制措施有效性的方法堿含量檢測方法第三十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、混凝土的耐久性4.抗?jié)B性(1)試件制作(2)試件密封(3)加壓制度(4)等級評定圓臺型（175×185×150）拆模后用鋼絲刷刷去端面水泥漿膜；試驗前1d取出試件晾干，刷毛密封；從0.1MPa開始，以后每隔8h增加水壓0.1MPa；六個試件中有三個滲水即可停止試驗。P＝H－0.16個試件中4個不滲水所能抵抗的最大水壓第三十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、混凝土的耐久性5.抗腐蝕性(1)試驗原理(3)試驗步驟(4)結(jié)果與要求千斤頂壓力機(15kN)、抗折機(0.8N/s)、球形拌和鍋、三聯(lián)試模(10×10×60)配料：100g；2.5；0.50；成型：8MPa5s；6組18個；養(yǎng)護：濕汽1d，溫水養(yǎng)護(50±1℃)7d浸泡：20±3℃清水200ml20±3℃硫酸鈉溶液(3％)，每天一次用1N硫酸中和破型：0.8N/s抗折強度取中間7個的平均值，精確到0.01；抗蝕系數(shù)精確到0.01，要求大于0.80(2)儀器設備在Na2SO4溶液中浸泡生成Aft降低抗折強度第四十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六4提高耐久性的綜合措施三、施工控制四、附加措施二、原材料一、設計第四十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、設計提高設計等級混凝土保護層防排水附加保護措施不是按強度，而主要是按耐久性進行設計；根據(jù)不同的環(huán)境條件和等級進行耐久性設計碳化環(huán)境：T1～3氯鹽環(huán)境：L1～3化學侵蝕環(huán)境：H1～4凍融破壞環(huán)境：D1～4磨蝕環(huán)境：M1～3第四十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、設計使用環(huán)境調(diào)查：氣候條件：大氣歷史溫度和凍融循環(huán)交替的情況；地質(zhì)條件：地下水位，土質(zhì)及水質(zhì)化學成份和含量、水文、河流沖刷情況等；大氣環(huán)境：空氣相對濕度情況，侵蝕性氣體（二氧化硫、酸雨、二氧化碳）的成份含量。環(huán)境等級評價：環(huán)境等級的不同決定了不同的耐久性設計內(nèi)容。根據(jù)環(huán)境狀況類型的不同，預計會發(fā)生不同類型的侵蝕作用。對于特定的部位，可以確定可能發(fā)生的環(huán)境耐久性問題的類型及嚴重程度。第四十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六一、設計耐久性材料選擇：確定橋位環(huán)境等級后，可以有針對性的選擇相應的橋梁結(jié)構(gòu)材料。例如防凍混凝土、耐腐蝕混凝土、高性能混凝土、環(huán)氧涂層鋼筋、耐候鋼、涂層或涂料等。耐久性構(gòu)造細節(jié)設計：合適的混凝土護層厚度；有效合理的伸縮縫、排水管道、通氣孔等；可檢性、可換性和可加固性。第四十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料1.水泥品種；細度；堿含量；C3A；f-CaO；氯離子項目技術(shù)要求細度≤350m2/kgf-CaO≤1.0%堿含量≤0.80%，0.60%（AAR或C40及以上）C3A含量非氯鹽環(huán)境下≤8%，氯鹽環(huán)境下≤10%，預制梁≤6%氯離子含量≤0.10%（鋼筋混凝土）≤0.06%（預應力混凝土）第四十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料2.摻合料早期：一為節(jié)約水泥，獲取經(jīng)濟效益；二為減小大體積混凝土溫升，避免溫度裂縫。今天：改善混凝土的微結(jié)構(gòu)和許多重要性能，而且還具有節(jié)約能源、保護資源和減小環(huán)境污染等多重意義。

摻合料具有一定的活性，改善過渡區(qū)；體積和形態(tài)效應改善混凝土的和易性；密實效應改善混凝土的耐久性；對水泥的分散作用，降低水膠比，改善水泥在低水膠比下的水化環(huán)境；延緩初期水化速率，形成較低水膠比、較大水灰比的有利環(huán)境；降低溫升，減小早期開裂的風險。第四十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料2.摻合料技術(shù)要求-粉煤灰項目C50以下C50及以上細度≤25≤12需水量比≤105≤95燒失量≤8.0≤5.0氯離子≤0.02≤0.02SO3≤3.0≤3.0CaO≤10≤10f-CaO≤1.0≤1.0第四十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料2.摻合料技術(shù)要求-礦渣粉礦渣粉GB/T18736高性能混凝土密度≥2.80細度350~500流動度比

≥95燒失量3.0≤3.0MgO≤14.0≤14.0SO3≤4.0≤4.0氯離子≤0.02≤0.06含水量

≤1.0活性指數(shù)

7d≥75/28d≥95第四十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料3.外加劑宜摻用減水劑、緩凝劑、引氣劑等或其復合制劑；不得采用氯鹽類、硫酸鹽類的早強劑及與其復配的早強減水劑，盡量避免使用防凍劑；必須注意外加劑的相容性問題。第四十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料3.外加劑項目

早強型標準型緩凝型減水率

含氣量

1h坍落度保留值

//150常壓泌水率比

202020壓力泌水泵送909090

1d180170/抗壓強度比3d170160/

7d145150140

28d130140130凝結(jié)時間差

90/12090/12090收縮率比

125125125甲醛

0.050.050.05硫酸鈉

101010氯離子

0.60.60.6堿含量

101010減水劑緩凝劑引氣劑第五十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料4.細骨料

JGJ52高性能混凝土項目≥C60

≤C25＜C50≥C50梁顆粒級配

2.6~3.0含泥量2.03.05.02.52.0

泥塊含量0.5120.50.5

云母2/12/12/10.50.5

輕物質(zhì)1.01.01.00.50.5

有機物0.950.950.950.950.95

吸水率

22

堅固性8/108/108/1088

氯離子0.06/0.020.020.02

硫1.01.01.00.50.5

堿活性

0.100.10

第五十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料5.粗骨料

JGJ52

高性能

≥C60

≤C25＜C50

≥C50梁含泥量0.51.02.01.00.5

泥塊含量0.20.50.70.20.2

抗壓強度1.21.21.21.51.5壓碎指標

同JGJ10針片狀8152585

空隙率

4040

吸水率

2/12/1

堅固性8/128/128/128/5(預)8/5(預)

氯離子

0.020.02

硫1.01.11.20.50.5

堿活性

0.100.10

第五十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六二、原材料5.施工用水水JGJ63-2006高性能混凝土預應力普通砼預應力普通砼pH4.54.56.56.5

不溶物2000500020002000

可溶物50001000020005000

氯化物100050005001000

200200氯鹽環(huán)境硫酸鹽200020006002000

堿含量//15001500

強度比

9090

凝時差

≤30≤30

第五十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、施工1.配合比設計要求2.混凝土生產(chǎn)3.運輸與澆筑4.養(yǎng)護及溫控5.質(zhì)量控制措施第五十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、施工(1)水膠比和膠材用量、摻合料用量；(2)核算堿含量和氯離子含量；(3)坍落度、泌水率、含氣量；(4)強度(56d)、抗裂性、耐久性(電通量等)1.配合比設計要求第五十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、施工(1)材料管理2.混凝土生產(chǎn)選料與進料；儲存標志；防潮、防水設備要求；計量偏差要求；用水量修正；投料順序和攪拌時間細骨料/粉料/外加劑（攪拌均勻）→加水攪拌→加入粗骨料攪拌(2)計量與攪拌第五十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、施工3.運輸與澆筑澆筑混凝土的自由落高不得超過2m；混凝土澆筑過程中，要防止碰撞模板、鋼筋、預埋件；混凝土振搗要防止漏振，也要避免過振不宜用翻斗車、手推車，宜用罐車運輸；第五十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、施工4.養(yǎng)護及溫控應避免混凝土失水引起早期裂縫；養(yǎng)護劑的使用；應注意溫度應力產(chǎn)生的開裂問題。澆筑溫度；養(yǎng)護期間應控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過60℃；應采取措施縮小混凝土的內(nèi)部溫差；防止混凝土表面溫度發(fā)生劇烈變化。環(huán)境因素（曝曬、氣溫聚降）；灑水養(yǎng)護；拆模。第五十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六三、施工(1)原材料5.質(zhì)量控制措施(2)混凝土(3)結(jié)構(gòu)實體進場檢驗-質(zhì)量證明文件定期檢驗常規(guī)檢驗坍落度、含氣量、泌水率、溫度強度、彈模、電通量、抗?jié)B抗凍性保護層厚度；裂縫寬度；氣泡間距系數(shù)；溫度檢測；混凝土強度、電通量第五十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六四、附加措施阻銹劑；環(huán)氧涂層鋼筋；電化學保護；防護涂層第六十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期六生產(chǎn)及檢測設備要求序號項目儀器設備名稱規(guī)格數(shù)量備注1攪拌站攪拌機不小于1m3水泥筒倉2配1套計量設備粉煤灰筒倉1配1套計量設備礦渣