高性能混凝土的发展与应用

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。
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
高强混凝土与早期开裂敏感性
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。
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。
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）
2) 水泥（胶凝材料）水化活性影响的变化
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。
我国水泥生产与供应的发展
V.M.Malhotra.
1) 水灰比降低 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。
1918年Abrams 提出的水灰比定则：
fc K1 / K2
w/c
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。
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。
强度—水灰比—水化活性
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。
美国混凝土学会 1998
高性能混凝土的定义
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
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。
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。
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。
1990年5月，在美国马里兰州Gaithersburg 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。
术语：高性能混凝土
High Performance concrete
Performance 表演、执行
and
Properties 性质、特性
混凝土技术的进展
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
高性能混凝土的发展与应用
The Development and Application of High Performance Concrete
清华大学土木工程系
覃维祖
一、高性能混凝土的由来与定义
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。
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。
高性能混凝土
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。
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20C，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
100%硅酸盐水泥
70%硅酸盐水泥 +30%粉煤灰
25%硅酸盐水泥 +75%磨细矿渣
图3-48 2.5 m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）
P.K.Mehta. Concrete:Structures, Properties and Materials
收缩应变受约束时 产生的弹性拉应力
无松弛作用时出现开裂
应 力
混凝土的 抗拉强度
应力松弛
松弛后的实际应力
开裂延迟 时间
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
新拌混凝土的坍落度
30年代 50年代 70年代 80年代 90年代 干硬、插捣 干硬、振捣 塑性、高频振捣 泵送、流态 泵送、自密实 0 cm 0-2cm 5-12cm 8-20cm 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。
Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. E & FN SPON 1994.
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。
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）
二、普通混凝土的微结构及其与性能的关系 新拌混凝土的结构：
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
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。
强度方程
fcu.k
= A • ce ( C/W – B )
f
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。
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。
低水灰比—水化活性—混凝土性能关系
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。