高性能混凝土

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高性能混凝土的发展及其应用***（*******）湖南科技大学土木工程学院，*****摘要：本文阐述了高性能混凝土的发展现状及最新研究成果,讨论了高性能混凝土的定义,对其优异特性进行了较为详尽的分析"在总结了高性能混凝土成分设计的基础上,提出了一些需要关注的意见和建议。

最后,列举了近三十年来高性能混凝土在国内外路桥建设中的应用实例!从中可知高性能混凝土已经成为路桥工程建设中最为重要的结构材料之一。

关键字：高性能混凝土；性能；成分设计；路桥建设1高性能混凝土的定义关于高性能混凝土的研究最早是由挪威学者在1986年提出的:掺入挪威盛产的硅灰，能大大提高混凝土的强度"抗渗性、抗氯离子扩散性、从而提高混凝土的耐久性。

而高性能混凝这个概念则是在1990年5月由美国混凝土协会( (ACI)正式提出。

高性能混凝土指的是具有高耐久性、高强度性、优良工作性、高体积稳定性的混凝土材料。

各国学者对高性能混凝土的研究有着自己的侧重点。

美国学者更强调耐久性和尺寸稳定性，而日本学者偏重高工作性。

我国大多数研究者比较赞同冯乃谦、吴中伟等提出的观点: 高性能混凝土应具备高耐久性，要在高强度基础上与使用环境结合考虑；此外，良好流动性也必不可少。

当然，在实际研究与应用中，需要综合考量各方面因素，对高性能混凝土中的某些性能酌情偏重。

2高性能混凝土的特性Neville等认为高性能混凝土在成分上与一般混凝土有较大的区别(首先，高性能混凝土通常含有硅灰+粉煤灰或磨细高炉矿渣等活性矿物掺合料；其次，骨料的粒径要小于普通混凝土，再者，必须使用新型高效减水剂"在合理控制配合参数和施工工艺后，高性能混凝土能表现出以下一些特性。

2.1工作性高性能混凝土具有优良的工作性能，包括高流动性、高聚性、可浇注性等、塑性混凝土坍落度一般在1~5cm范围内，高性能混凝土在新拌状态下坍落度值则超过20cm同时,为了获得高强度和高密度,新型高效减水剂的使用保证在较低的水胶比条件下，高性能混凝土也能获得较好的流动性。

2.2耐久性混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境，使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能，除了一些在上世纪九十年代在极恶劣环境下建造的高性能混凝土工程外，关于HPC在非常恶劣的环境下工作超5~10年的跟踪实验记录少之又少，所以想要精确地预测HPC的寿命是非常困难的。

认为基于普通混凝土方面的经验，可以安全地假设高性能混凝土更加耐用。

Gagne等认为混凝土的耐久性主要取决于混凝土的渗透性和环境的恶劣程度，因此关于其评价应包括侵蚀介质如何渗入混凝土中，以及环境对混凝土特性的影响。

他们通过观察氯离子在某些高混凝土中的渗透值证实空隙连通性随水胶比减小而显著变差，使侵蚀介质在混凝土中移动更加困难。

2.3力学性能作为结构材料，高性能混凝土在注重耐久性的前提下，也必须具有较高的强度，反应高强度混凝土强度力学性能指标一般有#混凝土立方体抗压、拉伸和弯曲强度、轴心抗压、劈裂强度等。

Khanzadi通过回弹仪来测定高性能混凝土的硬度Yutadas等对高性能混凝土进行了杨氏模量的测定。

3高强混凝土的发展及应用随着科学技术的进步和发展,现代建筑不断向高层、大跨、地下、海洋方向发展。

高强混凝土由于具有耐久性好、强度高、变形小等优点,能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸发展和承受恶劣环境条件的需要,同时还能减小构件截面、增大使用面积、降低工程造价,因此得到了越来越广泛的应用,并取得了明显的技术经济效益。

高强混凝土指采用常规的水泥、砂子为原材料,采用一般的制作工艺,主要依靠添加高效减水剂或添加一定数量的活性矿物掺合料,使新拌混凝土具有良好的工作性,并在硬化后具有高强高密实性能的水泥混凝土。

在我国,通常将强度等级等于和超过C50的混凝土称为高强混凝土,这一标准比较适合我国的国情。

美国至今仍采用ACI(美国混凝土协会)在1984年提出的以圆柱抗压强度标准值达到或超过42MPa(相当于我国的C50)的混凝土作为高强混凝土的分类标准,但也有许多国家将这一界限定得更高。

与传统的混凝土相比,高强混凝土在原材料上有两点不同:低水胶比和多组分。

其目的是为了增加混凝土的密实程度,改善骨料和水泥浆体之间的界面性能,从而达到高强度和良好的耐久性。

为了大幅度地提高混凝土强度,很早以前就有人开展研究工作。

1930年日本发表了通过加压振捣与高温养护得到100MPa高强混凝土的报告,其它一些国家的研究成果也有过一些报道。

但当时高强混凝土还只是处于研究阶段,没有在实际工程中得到应用。

直到1960年代由于高效减水剂的开发与逐步推广应用,才使得高强混凝土迅速走向实用化。

到了1980年代末,以无水石膏为主要成分的高强混凝土掺合料的开发,与高效减水剂性能继续地改善,即使采用普通的振捣与常压养护方法,也能够制备80～100MPa的超高强混凝土并使其得到应用。

同时,以北欧为代表,通硅粉和高效减水剂复合使用,得到了强度为100MPa以上的高强混凝土。

随着混凝土材料技术不断的发展与完善,混凝土的强度与性能将得到不断的提高与改善。

最初,高强混凝土主要应用在高层建筑中,即将高强混凝土用于底层墙柱中,这样就可大幅度减少混凝土用量,增加建筑使用面积和缩短施工工期,带来了明显的经济效益。

高强混凝土改变了钢结构在超高层建筑中的统治地位,现在世界上最的房屋建筑已不再是钢结构而是让位于由钢筋混凝土建造的马来西亚吉隆陂的PetronasTowers,这一双塔大厦高450m,底层受压构件用C80高强混凝土。

目前,已用于实际高层建筑中且强度等级用得最高的仍是1988年和1989年建于美国西雅图的两幢钢—混凝土组合结构Two Union Square和PacificFirstCentre。

其3m和 2. 2m直径的钢管混凝土柱中的混凝土强度等级相当于C120,最高达到C130。

桥梁结构中采用高强混凝土有着更大的潜力:高强混凝土能有效降低桥梁结构自重并且增加结构刚度,有利于增大桥跨,减少桥墩,增高桥下净空,更为重要的还在于降低平时维修的费用和增长使用寿命;预制件厂生产的预制混凝土制品和预应力制品也是高强混凝土的一个重要领域:高强混凝土能耐腐蚀和海浪冲刷,所以很适合建造码头、船坞、防波堤、采油平台等港口和海洋工程。

我国对现代高强混凝土的研究和应用起步并不晚,早在1980年前后,就在海军大型拱形防护门(宽13m、高21m)中采用了坍落度达15 cm、强度达到88. 4MPa的高强混凝土,在湘桂铁路复线的红水河斜拉桥中采用了高坍落度的高强混凝土(其实际强度超过C60级)。

由于技术、经济、政策上的一些因素及缺乏相应的设计施工条例,还由于我国不少工地的施工管理落后,高强混凝土的推广在以后几年中非常滞缓。

近几年来随着我国城市建设高潮兴起,高强混凝土在技术及经济效益上的巨大优势日益为人们所认识,并在一些地方和部门中的应用取得了突破性的进展。

1990年,在较多城市的高层建筑中应用C60混凝土, 1995年以来,C80级高强混凝土已在上海世纪广场、辽宁物产大厦、北京静安中心、广州建和中心等工程中局部试用;张璐明等用粉煤灰掺料制备出80～90MPa高性能混凝土王一光等采用3%超细矿渣等量取代水泥,利用过裹砂石工艺配制出C80～C90高性能混凝土,蒲心诚等运用常规的材料及通用的工艺方法研制成功了超高强高性能混凝土,其28 d龄期抗压强度离高达到了130MPa。

4高性能混凝土需进一步研究的问题在高性能混凝土今后的发展过程中,还有许多材料与工程方面的难题需要解决。

这些问题的解决对材料与工程技术的进展将起到有力的推动作用。

4.1 水泥基材料的组成结构与性能的关系材料组成结构与性能的关系是近代材料科学的一个核心问题。

为使高性能混凝土的各种性能得以进一步提高,必须对材料组成的粒子尺寸、级配、孔结构、集料界面区结构以及组分间的相互作用、物理力学、化学性质的差别等进行研究。

3.2 高效减水剂与复合外加剂高效减水剂解决了高性能混凝土的低水胶比和低用水量与工作性之间的矛盾,因而成为高性能混凝土不可缺少的组分。

但对高效减水剂与水泥和矿物细掺料之间、复合使用外加剂时的几种外加剂之间的相容性,以及如何更好地发挥叠加效应等问题。

3.3 矿物细掺料矿物细掺料不仅有利于水化作用和强度、密实度和工作性,增加粒子密集堆积,减低孔隙率,改善孔结构,而且对抵抗侵蚀和延缓性能退化等都有较大作用。

扩大稳定矿物细掺料的来源,充分发挥其有了稳定产品性能,方便使用,应研究细掺料的科学分类和品质标准,为此还应对不同矿物细掺料、不同来源但却是同种矿物细掺料的活性进行机理性的研究。

3.4 复合化超叠加效应的研究与应用高性能混凝土是一种多组分复合材料,各组分性能的叠加甚至超叠加效应表现得十分明显。

因此,可选用两种以上矿物细掺料加上两种以上外加剂(包括矿物外加剂,如膨胀剂)同时掺加,以进一步改进性能和取得某种特性。

高性能混凝土中胶凝材料与外加剂等多组分复合所产生的超叠加效应要比玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的复杂,包含着不同层次的粒子(中心质)及其与相应介质的界面,对各种性能的改进起着各自的作用,因此,必须在复合化原理的基础上,采用现代研究手段与方法,各学科协同进行研究。

3.5 对波特兰水泥熟料进行改革,发展环保型胶凝材料在熟料烧成上向低钙化发展,减少C3S和C3A等耐久性、能耗和环境保护方面的缺陷,提高胶凝材料的绿色度。

3.6 配合比选择和施工质量控制的计算机化高性能混凝土属于现代混凝土,其优越的工作性和可靠性可使施工进度大幅度加快,改善劳动环境,减轻劳动强度,有利于采用计算机技术以至让机器人参与施工,提高自动化的程度。

高性能混凝土对原材料质量和施工管理水平都比普通混凝土更加敏感,因此应当使配合比选择和施工控制计算机化,以提高混凝土工程质量和效率。

目前,不少人围绕计算机化试图建立有关数学模型,但多数人所依据的数据量都不足,以至都有实用的局限性。

在现阶段急需做的工作是,尽快建立原材料的数据库,并逐渐扩展,建立可靠而易于操作的系统。

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