高性能混凝土培训讲义

京沪高速铁路
高性能混凝土
主要技术标准与施工关键技术
二0C七年一月
高性能混凝土
主要技术标准与施工关键技术
2007 年1 月
施工质量 ..... （二）高性能混凝土的性能
概论 .... （一）高性能混凝土的定义 （二）高性能混凝土与普通混凝土的区别 （三）铁路混凝土结构耐久性状况 （四）铁路混凝土结构采用高性能混凝土的意义及可行性 （五）高性能混凝土的应用前景 混凝土结构耐久性与高性能混凝土的关系 10 （一）混凝土结构的耐久性及其影响因素 10 环境条件…… 10 结构构造 ..... 12 13 （三）混凝土结构耐久性与高性能混凝土的关系 15 高性能混凝土技术要求 16 （一）原材料技术要求 16 水泥 ..... 16 粉煤灰 ..... 17 矿渣粉…… 17 细骨料 ..... 18 粗骨料 ..... 18 外加剂 .....
19 拌合用水 ..... 20 （二）配合比技术要求••…
20
15 15
混凝土搅拌站 桩基混
凝土施工
（三）耐久性技术要求 高性能混凝土施工前准备 （一）建立全过程质量管理的理念 （二）制定完善的施工技术文件 （三）筹建试验室••… （四）选择原材料 .... （五）混凝土配合比设计 高性能混凝土施工••… 23 25 25 27 28 30 31 36 36
（四） （五）
（六）
承墩台混凝土施工 隧道衬砌混凝土施工 涵洞混凝土施工 梁体混凝土施工 季节施工 ..... 高性能混凝土质量检验 （一）施工前检验 .... （二）施工过程检验••… （三）施工后检验 ....
54 58 59 59 62 64 64 64 65
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（一）高性能混凝土的定义
高性能混凝土是上世纪80年代末90年代初才出现的。

自从有了波特兰水泥后，水泥基材料经历了漫长的发展过程。

经过无数次改革、创造与发明，其科技内容已十分丰富。

早在30年前，28d抗压强度超过50MPa勺高强度混凝土已较多地在工程上应用。

些具有远见卓识的专家考虑到某些工程的需要，在提出高强度指标的同时，也提出了对混凝土工作性和耐久性的要求。

但当时还没有一个为大家所接受的名称，更没有定出指标和规程。

因此也有人认为，高性能混凝土是高强度混凝土的进一步完善。

由此可见，高性能混凝土这一名词出现至今已近20年。

但是，不同国家、不同学
者由于各自认识、实践、应用范围和目的要求存在差异，对高性能混凝土有着不同的定义和解释，例如：
1.美国国家标准与技术研究所（NIST）和美国混凝土协会（ACI）于1990年5月召开的讨论会上提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制，且便于浇捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有一定的韧性和体积稳定性等性能的耐久混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。

2. 1990年美国著名水泥化学专家Mehta PK提出：高性能混凝土不仅要求高强度，还应具
有高耐久性（抵抗化学腐蚀）等其他重要性能，例如高体积稳定性（高弹性模量、低干缩率、低
徐变和低的温度应变）、高抗渗性和高工作性。

3. 1992年法国Malier YA提出：高性能混凝土的特点在于有良好的工作性、高的强度尤其是早期强度、工程经济性、高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。

4.1992年日本的小泽一雅和冈村甫提出：高性能混凝土应具有高工作性（高的流动性、黏聚性与可浇筑性）、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。

5. 1992年日本Sarkar S L提出：高性能混凝土应具有较高的力学性能（如高抗压
强度、抗折强度、抗拉强度）、高耐久性（如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀）渗
、咼抗性，属于水胶比很低的混凝土家族。

我国著名水泥混凝土专家、中国工程院院士吴中伟教授在总结上述学者的观点，结合中国实际情况，提出如下高性能混凝土的定义：
高性能混凝土是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。

它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。

为此，高性能混凝土在配制上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。

这一定义目前已被我国工程界广泛接受。

由于不同的工程和应用部门对高性能混凝土有不同的要求， 因而常常对高性能混凝 土会提出不同的性能或指标，例如：
1.用于公路工程的高性能混凝土应满足下列要求(美国战略公路研究计划( SHRP 提出): (1) 水胶比不大于0.35 ; (2) 耐久性指数大于80%
(3) 4h 抗压强度高于17.2MPa,或24h 抗压强度高于34.5MPa,或28d 抗压强度高 于 68.9MPa 2. 用于桥梁，尤其是大跨度桥梁的高性能混凝土应满足下列要求: (1)水胶比不大于0.4 ； (2) 强度高于41.4MPa ； (3) 徐变率低。

3. 用于高层建筑的高性能混凝土应具有高强度、高弹性模量、轻质、低徐变率、 较高的工作性、高早期强度、高耐久性等特性，使长期以来建筑物的安全使用期从 30 50年提高到100年以上。

4. 用于港工工程的高性能混凝土应具有高耐久性(抗腐蚀、抗冻融循环等) 渗性、高强度、体积稳定性与抗冲击疲劳性好。

5. 用于重要水工建筑物(包括大体积混凝土工程)的高性能混凝土对耐久性与体 积稳定性有很高的要求，而对于强度和早期强度要求不高。

水工建筑常要求有很长的安 全使用期。

在寒冷、干热以及高速水流冲刷等条件下应用的高性能混凝土，尤其需要某 些特殊性能。

由于水工混凝土的工程量通常较大，混凝土的工作性好坏对混凝土的均匀 性、工程安全性以及施工经济性有极大影响，因此对混凝土的工作性常有较高的要求。

法国为发展高性能混凝土而设立的“混凝土新方法”国家科研项目提出: 混凝土应该是要求长期耐久性的一切工程所必须采用的， 即使结构上不要求应用高强度 混
凝土。

”这说明高性能混凝土不一定要求高的强度指标。

（二）高性能混凝土与普通混凝土的区别与联系
高性能混凝土是在普通混凝土技术的基础上发展起来的一种新技术混凝土， 无论从 原材料组成、结构、生产制造工艺到性能要求，两者之间既存在区别，也存在联系。

表 1-1列出了高性能混凝土与普通混凝土的区别与联系。

表1-1高性能混凝土与普通混凝土的区别与联系
、咼抗
“高性能
（三）铁路混凝土结构的耐久性状况
铁路是国民经济的动脉，铁路也是混凝土的应用大户。

铁路混凝土结构在铁路线路上占有相当大的比例。

令人遗憾的是，铁路工务部门发现，近二、三十年来，铁路混凝土结构出现了各种各样的病害，有些病害甚至发展到危及行车安全的地步。

以下是铁道部对全路桥梁和隧道的安全性进行的几次普查情况。

桥梁方面：兖石线1985年建成通车，1991年检查时发现，于1982〜1983年期间生产
的189孔32m及24m跨度的预应力混凝土梁（采用永定河产砂石和高碱水泥）中，有183孔
梁出现程度不同的膨胀裂缝。

根据裂缝特征，初步判定为碱一骨料反应（AAR病害。

随后发现，16m夸度的预应力混凝土梁也出现了程度不同的膨胀裂缝。

胶济、京沪、新兖、陇海等线共发现有AAR病害预应力混凝土梁553孔，迄今已投资531万元整治了173孔, 还有380孔需整治，尚需投资1000余万元。

1994年秋季调查结果显示，全国铁路桥梁中当时有6137座存在不同程度劣化损害, 占当年铁路桥梁总数约33600座的18.8%。

有300C多孔钢筋混凝土挢梁发生锈蚀，230O多
孔预应力混凝土梁顺筋开裂，所需修补加固费用约4亿元。

2000年调查发现，全路共有裂缝超限混凝土梁1155座/4154孔，发生钢筋锈蚀的混凝土梁达3000多孔，其中n形梁占绝大多数。

这些桥梁的竣工资料表明，建国后早期修建的铁路桥，很多在制梁时都掺加了CaCb作为早强剂及抗冻剂。

如京沪线上行新薛河桥、
上下行排洪道桥等，在制造23.8m预应力混凝土梁及16m n形梁时均掺加了CaCl2,从而加剧了桥梁钢筋锈蚀病害；徐州枢纽夹孟线大山二号及一号桥的8m夸度钢筋混凝土梁，由于设计及制造原始缺陷，加之氯盐侵蚀，造成了近200孔梁出现了严重的钢筋锈蚀病害。

而京广线百孔大桥，在维修时发现2孔31.7m跨度的预应力混凝土梁高强钢丝束锈蚀严重，若不
是及时发现，极有可能出现类似英国一样的预应力混凝土梁垮塌事故，后果不堪设想。

到2002年底，铁路桥梁总数约4万座，总孔数超过13万，其中混凝土桥梁就有12万孔以上，发现混凝土顺筋开裂的有3000多孔，占2.5%;碳化深度在20mr以上的约5000多
孔。

2003年的铁路秋季检查结果显示，全国铁路有失格桥梁7352座（占桥梁总数的
18.15%）,其中混凝土梁体发生顺筋开裂3345孔,大面积锈蚀3390孔, T型梁横隔板断裂3000多孔。

隧道方面：由于设计缺陷以及取用的混凝土强度等级过低，隧道衬砌的裂损、腐蚀和渗漏现象非常普遍。

据1997年调查，铁路隧道发生裂损的数量约占当年隧道总量的10%衬砌漏水十分严重。

铁道部科学研究院西南分院对广州、郑州、沈阳、哈尔滨等
路局所辖的部分隧道进行抽样调查发现，漏水隧道数量竟占50.4%,有的区段高达94% 严重漏水的约占其中的30%导致了铁路钢轨锈蚀、道床翻浆、电力牵引设备漏电，从而危害正常运行。

此外，由于隧道周围地下水中含有侵蚀性物质以及机车排放废气等的侵蚀，隧道混凝土出现了严重腐蚀。

据1998年底统计，我国铁路隧道受腐蚀而裂损的有734座，占隧道总数的13.2%。

70年代建成的成昆铁路某些区段，交付使用仅3年，就有
（四）铁路混凝土结构采用高性能混凝土的意义及可行性
22座隧道发生了化学腐蚀；到1978年普查发现，有的腐蚀深度已达30mr 以上，隧道底部 隆起有的达到330mm
另外，轨枕破损、接触网支柱破损以及墩台开裂破损等问题对铁路运营造成的影响 也一直困扰着铁路工务部门。

不同铁路混凝土结构物劣化情况见图
1-1〜图1-8。

图1-1表面开裂的混凝土桥梁 i-
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图1-2表面开裂的混凝土涵洞
图1-4劣化的混凝土桥墩
图1-3石家庄百孔桥大桥盐的腐蚀
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如前所述，混凝土结构病害已给工程界造成巨大损失。

为此，世界各国都不同程度地投入了大量的人力、物力用于预防混凝土结构病害、提高混凝土结构耐久性方面的研究。

通过大量研究和工程应用实践，人们发现，采用高性能混凝土施工是提高混凝土结构耐久性的重要途径。

因此，尽管高性能混凝土这一概念提出的时间不长，但人们在工程上应用高性能混凝土的热情很高，应用实例层出不穷。

1992年，法国MalierX对重要混凝土结构作了调查统计，发现有75%勺结构是按耐久性指标设计混凝土的，即只有25% 的结构是根据强度来设计混凝土的。

可见长期以来按保证强度单一指标的做法已有了变化。

上世纪90年代初，中国工程院资深院士、我国著名的混凝土材料科学家吴中伟教授首次将高性能混凝土介绍到我国。

随后，我国对高性能混凝土的研究和应用水平发展很快。

中国建筑材料科学研究院曾主持完成了国家“九五”科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”，针对影响混凝土耐久性的主要因素：碱一骨料反应、腐蚀、冻融、钢筋锈蚀等，深入系统地研究了重点工程混凝土的安全性问题，取得了可喜的成绩。

我国其它部门的研究单位、大专院校等也陆续开展了高性能混凝土的研究、工程应用以及标准的制定工作。

2002年11月，由中国工程院、清华大学等单位研究编制的《混凝土
结构耐久性设计与施工指南》，对混凝土结构的耐久性、混凝土结构的施工及混凝土耐久性的检验等问题均作了较为明确的规定。

建设部2002年颁布的《混凝土结构设计规范》(GB50010-12对混凝土结构的耐久性和设计使用年限做了重要规定；交通部2000 年颁布的《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)在混凝土耐久性方面新增了许多重要的补充条文；《公路水泥混凝土路面施工技术规范》和《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术规范》对公路混凝土中的钢筋锈蚀、冰(盐)冻破坏、碱一骨料反应破坏、酸雨破坏、路面磨损等均作出了新的规定。

虽然这些标准条文尚待完善，但我国有关部门在混凝土结构耐久性设计方面毕竟已经迈出了重要的一步。

在工程应用方面，我国也有一些重要建筑采用了高性能混凝土，如上海金茂大厦(C60)、北京西客站(C60)、北京静安中心大厦(C80)、辽宁物产大厦(C80)、南京邮电中心(C60)、长春国际商贸城(C55)、广州虎门大桥(C50)、上海杨浦大桥(C50)、万县长江大桥钢管混凝土(内外用，C60)等都是应用的典范。

此外，京津塘高速公路桥梁，北京某些立交桥和高架桥的梁体，三峡工程，杭州湾大桥等都是采用高性能混凝土施工的。

相比之下，我国铁路有关部门在混凝土结构耐久性方面的研究及应用方面的研究工
作并不很晚，但其在工程上的应用却低于国际水平。

1999年颁布的《铁路混凝土工程设
计规范》仍未能对隧道混凝土的耐久性问题采取适当的对策，导致建成后的隧道混凝土
发生了十分严重的开裂和渗漏病害（其中漏水占50.4%,约30磁漏严重），导致钢轨等配件锈蚀和电力牵引漏电，影响正常运转。

又如我国《铁路混凝土工程设计规范》对铁路结构物尚无明确的使用年限要求，造成我国绝大部分铁路钢筋混凝土梁在正常使用期间就过早产生了开裂病害。

此外，因水泥强度不断提高，工程建设的施工速度不断加快, 环境条件不断恶化，混凝土结构耐久性面临着更为严酷的挑战。

今天的低强度等级的普通混凝土，其耐久性已不如几十年前同样强度的混凝土，并已对我国铁路大量已建、在建工程留下了各种各样的隐患，许多铁路钢筋混凝土建筑物仅使用二、三十年甚至更短时间就出现了混凝土结构的劣化，不得不采用限载、大修或拆除的办法进行维护或处理。

令人欣慰的是，1995年，铁路有关部门在前期大量的研究工作基础上，为客运专线的建设制定了相应的规范和技术条件，如：《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设〔2005〕
157号）、《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（科技基〔2005〕101号）、
《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设〔2005〕160号）和《铁路混凝土工程施工技术指南》（TZ210- 2005）。

这些规范和技术条件的制定，为高性能混凝土在铁路混凝土结构中的广泛应用奠定了重要的基础。

这对于提高铁路混凝土结构的耐久性, 延长其使用寿命，节约建设资金，保护环境，具有十分重要的意义。

目前，客运专线全面采用高性能混凝土进行施工，广大施工单位已积累了大量的应
用经验，为京沪高速铁路在混凝土结构中采用高性能混凝土提供了良好的保证。

（五）高性能混凝土的应用前景
高性能混凝土是近代水泥基材料学与工程学取得的新成就，是混凝土技术长期实践的结果，在性能上已达到了完善的程度。

在科学技术飞速发展的今天，高性能混凝土的性能将不断提高，在土木建筑工程中的应用范围将迅速扩大，并将取得更多更大的效益。

材料与工程不断相互促进，将为人类带来更大的利益。

高性能混凝土不仅是对传统普通混凝土的重大突破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境保护等方面都具有重要意义，是一种环保型、集约型的新型材料，亦可称为“绿色混凝土”。

高性能混凝土可以为社会各个方面、各个层次的人员带来无穷的好处:
◎对于业主或用户一一因耐久性好，工程安全使用期延长，可减少维修费，保证安全，这实际上是最大的经济效益。

◎对于社会一一降低能耗、料耗，利用工业废渣、减少噪声污染，对环境有利，并消除不安全感。

◎对于施工者一一提高机械化作业程度，促进工程施工进度。

◎对于设计者一一减小断面，减轻结构自身重量，增加使用空间，取得明显的节约效果。

便于建筑艺术与灵活性的发挥。

上述明显的优越性与效益，使高性能混凝土的适用性不断扩大，在不少工程中得以推广应用。

例如高性能混凝土最早是用于美国的高层建筑、挪威的海上石油钻采平台和法国的桥梁工程，接着高性能混凝土又被许多大型结构如长大跨度桥梁、海上漂浮结构、隧洞衬砌、放射性废物贮罐等采用。

由于以上这些结构对耐久性、密实性、强度等都有很高的要求，可以认为，除高性能混凝土外，其他材料很难胜任。

因此，高性能混凝土即使其造价比普通混凝土有所增加，也还是值得采用的。

当前，阻碍高性能混凝土广泛应用的主要原因是经济比较。

由于原材料中的高性能减水剂和超细磨的细掺料价格较高，加上质量控制要求较严格也会增加一些费用，使高
性能混凝土的综合单价比常规混凝土的单价稍高，因此往往不易被用户接受。

其实混凝土材料费用在工程总造价中所占的比例和钢筋等原材料相比是很小的，混凝土材料所增加的费用很容易被其
他方面的效益所补偿，因此应当从工程总造价上进行比较，算大帐。

此外，随着科学技术的进步和生产水平的提高，经济性的概念也会随之变化。

例如，高效减水剂在开始推广使用时的阻力就很大，其原因之一也是经济比较。

随着生产建设和混凝土技术的发展（如高层建筑的发展，混凝土设计强度的提高，预拌、泵送工艺的普及等），高效减水剂的使用目前已很广泛。

高强度高性能混凝土的使用，可减小构件断面，节省钢筋，加快模板周转，增加使用空间，其经济效益远远超过混凝土材料所增加的费用。

而耐久性所带来的安全使用期的保证，尤其是在不利环境下，其社会效益、经济效益更是大大超过混凝土材料所增加的费用。

这种算大帐的概念相信会很快地被接受。

目前国内外高层建筑的底层柱采用C5O-C60勺高性能混凝土已成为通行的做法。

随着重视工程质量、强调安全和环境保护的正确认识逐渐深入人心，过去对高性能混凝土“高性能高造价”的看法将被“性能好、总效益高”所代替。

到那时，高性能混凝土将受到普遍欢迎，真正进入大推广和大收益的时期。

发展高性能混凝土的更大意义还在于，水泥混凝土这样的大宗材料的可持续发展。

即如何最大限度地节约资源和能源，最好地与环境相协调，而不是破坏环境。

只有如此, 水泥与混凝土才能成为可持续发展的主要建筑材料。

混凝土结构耐久性与高性能混凝土的关系
（一）混凝土结构的耐久性及其影响因素
混凝土结构耐久性系指由混凝土浇注成型的结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。

在结构设计中，结构耐久性又常被定义为在预定作用和预期的维修与使用条件下，结构及其部件能在预定的期限内维持其所需的最低性能要求的能力。

混凝土结构的耐久性受众多因素的影响，其中最主要的因素为混凝土结构所处的环境条件、结构构造、混凝土的性能以及施工质量等。

1环境条件
环境是影响混凝土结构耐久性能的重要因素。

环境不同，混凝土结构耐久性的具体
要求也不一样。

铁路混凝土结构所处环境类别分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、
冻融破坏环境和磨蚀环境。

不同类别环境的条件特征及作用等级列于表2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。

注：当混凝土薄型结构的一侧干燥而另一侧湿润或饱水时，其干燥一侧混凝土的碳化锈蚀作用等级应按虑。

表2-3化学侵蚀环境
1对于盐渍土地区的混凝土，埋入土中的混凝土遭受化学侵蚀；当环境多风干燥时，露出地表的毛细吸附区内的混凝土遭受盐类结晶型侵蚀。

2对于一面接触含盐环境水（或土）而另一面临空且处于干燥或多风环境中的薄壁混凝土，接触含盐环境水（或土）的混凝土遭受化学侵蚀，临空面的混凝土遭受盐类结晶侵蚀。

3当环境中存在酸雨时，按酸性环境考虑，但相应作用等级可降一级。

表2-4 冻融破坏环境
注：严寒地区、寒冷地区和微冻地区是根据其最冷月的平均气温划分的。

严寒地区、寒冷地区和微冻地区最冷月的平均气温t 分别为：t < -8o C, -8 o C < t < -3 o C 和-3 o C < t < 2.5 o C。

表2-5 磨蚀环境
环境。

2.结构构造
混凝土结构的构造对其耐久性亦具有重要影响。

混凝土结构的构造因素包括外形外观、表面防排水、钢筋的保护层厚度。

混凝土结构外形应力求简洁，便于养护维修。

混凝土结构的构造应有利于减轻环境对结构的作用，有利于避免水、水汽和有害物质在混凝土表面的积聚，便于施工时混凝土的捣固和养护。

混凝土结构表面应设置可靠的防、排水等构造措施。

必要时可采用换填土、降低地下水位及设防护层等工程措施，防止水和有害物质接触混凝土表面。

混凝土结构的各种接缝应尽量避开最不利环境作用的部位。

对于遭受严重冻融破坏和化学侵蚀的混凝土结构，应考虑暴露面上混凝土的可能剥蚀对构件（特别是薄壁构件）承载力的损害，设计时需适当增加混凝土厚度。

混凝土桥
梁端部应采取有效构造措施防止污水回流污染支座和梁端表面。

预应力后张梁的封锚混凝土宜采用水泥基聚合物混凝土，混凝土的水胶比应不大于本体混凝土的相应值，并采取可靠的防护措施，以防止环境水和其它有害介质渗入接缝。

隧道拱墙初期支护与二次衬砌之间应设置可靠的防水层。

钢筋的混凝土保护层厚度除遵守现行铁路工程有关专业标准的规定外，还应符合《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》的相关要求。

混凝土
保护层垫块的强度和密实度应不低于构件本体混凝土的强度和密实度。

预应力钢筋的混
凝土保护层厚度要求与普通钢筋的混凝土保护层厚度相同。

预应力后张梁的孔道宜优先采用高密度聚乙烯塑料管成型，不宜采用金属管成型。

若采用金属管成型，金属管外缘
至混凝土表面的距离，在结构的顶面和侧面不应小于1倍管道直径，在结构底面不应小于60mm无密封套管（或导管、孔道管）的预应力钢筋的混凝土保护层厚度应比普通钢筋的混凝土保护层厚度大10mm
3.混凝土的性能
混凝土的性能是影响结构耐久性至关重要的因素。

混凝土性能主要包括混凝土的工作性能、力学性能以及长期耐久性能。

混凝土的工作性是指混凝土拌和、运输、浇捣、抹面等主要操作工序能够顺利进行的有效内功的总称，包括流动性、充填性、粘聚性、可泵性以及稳定性等涵义。

混凝土的力学性能包括抗压强度和弹性模量。

抗压强度是指在规定的加载速度下,
对混凝土试件进行加压，所得的极限破坏强度乘以尺寸换算系数所得的数值。

加载速度
根据混凝土强度等级而定，混凝土强度等级V C30时，加荷速度取0.3〜0.5MPa/s ;混凝土强。