高性能混凝土专业知识问答,据说懂6个以上才算行家!

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2018-11-23

01、什么是高性能混凝土?

高性能混凝土(high performance concrete,HPC)是一种以耐久性为目标,兼顾高强度、高工作性和高耐久性的新型的高技术混凝土。它可以大幅度提高普通混凝土性能,是针对不同用途要求,采用现代技术制作的低水胶比的混凝土。高性能混凝土对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、实用性、体积稳定性、强度、经济型。为此,高性能混凝土在配置上的特点是水胶比低,选用优质原材料,并除水泥、水、集料外,必须掺加足够数量的矿物外加剂和化学外加剂。高性能混凝土在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境保护扥各方面都具有重要意义,是一种环保型、集约型的新型材料,亦被称为“绿色混凝土”。

高性能混凝土的概念是20世纪90年代初提出的(1990年5月),美国国家标准与技术研究所(NIST)和美国混凝土协会(ACI)在美国马里兰州盖瑟斯堡召开的会议上首先正式提出高性能混凝土这一名词的定义。实际上,此前的一些重要工程中已采用了高工作性和高耐久性的高强混凝土。在最近的十多年中,高性能混凝土很快地被各国工程界所接受。这主要是因为高性能混凝土的使用对于各方都具有明显的效益:对于业主或用户来说,混凝土的耐久性好,安全使用期长,可减少维修费,保证安全;对于社会来说,高性能混凝土降低能耗、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;对于施工者来说,高性能混凝土操作方便,改善劳动条件,加快进度,减少模板和劳力,可提前交工;对于设计者来说,高性能混凝土减小断面,减轻自身质量,增加使用空间,取得明显的节约效果,还能帮助人们实现建筑的艺术性和灵活性。高性能混凝土在不少工程中得以推广应用,如高层建筑、海上石油钻采平台、桥梁工程、大型结构、隧洞衬砌、放射性废物贮罐等。而且随着人们逐渐重视工程质量,强调安全和环境保护,高性能混凝土真正进入推广应用时期。

日前,不同国家、地区以及不同学者对高性能混凝土的涵义的理解和见解还不统一。多数人认为,高性能混凝土必须具有高强度,这就限制了高性能混凝土的应用范围,不可能形成混凝土的发展方向。我国已故的吴中伟院士指出:“实现中低强度等级混凝土的高性能化,高性能混凝土的发展才具有广泛的现实意义。”法国科学家已经提出,即使从结构角度上不要求用高强度的混凝土,但要求长期耐久性的一切工程必须采用高性能混凝土。这些观点是全面的,是符合发展方向的。

高性能混凝土针对混凝土结构所处的环境特点而进行相应的性能设计,并通过施工过程控制使得相应性能得到保证,能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求,能最大限度地延长混凝土结构使用年限,降低工程造价。因此,高性能混凝土是混凝土结构耐久性得以保证的重要措施和必要措施之一。



02、什么是高性能混凝土的工作性?

混凝土的工作性是指其流动性、可塑性、稳定性和密实性,是混凝土拌合物塑性状态下所表现的若干基本性质的综合效应。高性能混凝土应具有良好的工作性,其新拌混凝土在成型过程中不分层、不离析,混凝土拌合物应具有较高的流动性,易充满模型;泵送混凝土,自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。

与普通混凝土相比,高性能混凝土胶凝材料用量增大,尽管拌合物的流动性大,但黏性增大,变形需要一定的时间。常用于高性能混凝土中的辅助胶凝材料主要有磨细矿渣、磨细粉煤灰和硅灰等,对高性能混凝土的工作性有不同影响,他们的掺量、细度和颗粒级配等都会影响混凝土的工作性。

一般不采用单一的混凝土坍落度值来评价高性能混凝土的工作性。从理论上讲,高性能混凝土的流变性仍近似于宾汉流体,可以用屈服剪切应力和塑性黏度两个参数来表达其流变特性。在实际工程中,采用变形能力和变形速度两个指标来综合反映高性能混凝土的工作性更为合理。基于这种理论基础,许多学者提出了一些评价高性能混凝土工作性的方法,Texas大学的Eric P. Koehler对世界范围内使用的工作性测试方法进行了汇总,一共列出了61种测试方法,其中用于混凝土工作性测试方法有46种,自密实混凝土测试方法有8种,砂浆和净浆测试方法有7种。


03、什么是高性能混凝土的体积稳定性?

混凝土的体积稳定性主要与混凝土的收缩性能有关。混凝土的收缩是指由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度变化等因素引起的体积缩小。混凝土的收缩按作用机理可分为自收缩、塑性收缩、硬化混凝土的干燥收缩、温度变化引起的收缩变形及碳化收缩变形五种。混凝土由于各种收缩而引起的开裂问题一直是混凝土结构物裂缝控制的重点和难点。

高性能混凝土应具有较高的体积稳定性,即混凝土在硬化早起应具有较低的水化热,硬化后期具有较小的收缩变形。低水胶比与矿物外加剂的大量掺入使高性能混凝土的硬化结构与普通混凝土相比有着很大的差异,结构的差异在带来高性能混凝土诸多性能上的突破的同时,随之带来了它的一些本质上的缺点:①自收缩大,主要发生在早期;②温度收缩大,温度收缩出现的时间提前;③混凝土施工后,早期收缩(其中包括部分自收缩值和干燥收缩)实测值较大、早期弹性模量增长快、抗拉强度并无显著提高、比徐变变小等因素共同导致了高性能混凝土(特别是高强混凝土)的早期抗裂性差。

近几年来,高性能混凝土在我国的应用实践表明,早期开裂问题已成为其在工程中应用时最容易出现的问题。



04、什么是混凝土的耐久性?

混凝土的耐久性是使用期内结构保证正常功能的能力,关系到混凝土结构物的使用寿命,随着结构物老化和环境污染的加重,混凝土耐久性问题已引起了各主管部门和广大设计、施工部门的重视。混凝土的耐久性劣化是指结构在所使用的环境下,由于内部原因或外部原因引起的结构的长期演变,最终使混凝土丧失使用能力,即耐久性失效。耐久性失效的原因有抗冻失效、碱-集料反应失效、化学腐蚀失效和钢筋锈蚀造成结构破坏等。

强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标,以往工程中习惯上只是重视混凝土的强度,或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性。曾有调查表明,国内一些工业建筑在使用25~30年后即需大修,处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15~20年。许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。如果忽视耐久性问题,迎接人们的将是混凝土工程大修的高潮,其耗费将数倍于工程建设投资。而其原因却往往是由于混凝土耐久性不足引起的。

混凝土的外部环境、内部孔结构、原料、密实度和抗渗性是影响混凝土耐久性能的重要因素,应结合工程实际,有针对性地采取相应措施来提高混凝土的耐久性。高性能混凝土的使用寿命比传统混凝土有大幅度提高,能够使混凝土结构完全可靠地工作50~100年以上。对于一些特殊工程的特殊部位,控制结构设计的并不是混凝土的强度,而是其耐久性。



05、影响混凝土结构耐久性能的因素有哪些?

影响混凝土结构耐久性的因素比较多,主要是混凝土结构所处的环境条件、建造结构所用的混凝土的性能以及施工过程控制三个因素。其中,环境是影响结构耐久性能的重要因素。环境中的气体、液体和固体会通过扩散、渗透进入混凝土内部,混凝土在这些介质作用下,会发生物理和化学变化,有时是有益的,多数情况下会导致硬化混凝土性能的劣化。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等。

提高混凝土耐久性的具体措施包括原材料的选择,配合比设计和结构设计、施工和后期维护等环节。水泥、集料、掺合料的性能对混凝土耐久性影响很大,对其品种需加以认真选择。进行混凝土配比的设计时尽量减少水泥用量和用水量,降低水化热,减少裂缝,提高密实度,采用合理的减水剂和引气剂,改善混凝土内部结构,掺入足量的混合料,提高混凝土耐久性能;按照使用环境设计相应的混凝土保护层厚度,预防外界气体和液体介质渗入内部腐蚀钢筋。混凝土工程施工过程中也应考虑结构耐久性,混凝土的拌制工艺应提高混凝土拌合料的和易性并减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝、收缩裂缝、施工裂缝、混凝土浇筑后应充分合理地进行振捣,提高混凝土密实度和抗渗性,加强养护,减少混凝土裂缝。结构物在使用阶段中应注意检测、维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此。


06、高强混凝土有什么特点?

强度是混凝土性能的一项重要指标,是结构设计的重要依据。随着混凝土技术的发展和实际工程应用中混凝土强度等级的不断提高,高强混凝土的强度等级下限也在不断变化。CECS 104 :99 《高强混凝土结构技术规程》1.0.2条规定:“高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物外加剂以常规工艺配制的C50~C80级混凝土。”但是近几年,一般把强度等级为C60及其以上的混凝土才成为高级混凝土。

高强混凝土作为一种新的建筑材料,以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性,在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到的广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高,故可减小构件的截面,因此最适宜用于高层建筑。高强混凝土框架柱还具有较好的抗震性能。高强混凝土材料用在预应力技术中,可采用高强度钢材和认为控制应力,从而大大地提高了受弯构件的抗弯刚度和抗裂度。因此,世界范围内越来越多地采用施加预应力的高强度混凝土结构,应用于大跨度房屋和桥梁中。高强混凝土还具有密度大的特点,可用作建造承受冲击和爆炸荷载的建(构)筑物,如原子能反应堆基础等。利用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强的特点,建造具有高抗渗性和高抗腐要求的工业用水池等。



07、高性能混凝土原材料组成有何特点?

高性能混凝土所用的原材料,除了传统混凝土所用的水泥、砂、石和水四大组成,还有化学外加剂(亦成为混凝土的第五组分)和矿物外加剂(亦称为混凝土的第六组分)。使用新型的高效减水剂和磨细矿物外加剂(或称矿物外加剂)是使混凝土达到高性能的主要技术措施。前者能降低混凝土的水胶比,增大坍落度和控制值混凝土的坍落度损失,赋予混凝土高的致密性和良好的工作性、后者能填充胶凝材料的孔隙,参与胶凝材料的水化,除了提高混凝土的致密性外,还能改善混凝土的界面结构,提高混凝土的耐久性与强度。由于高性能混凝土的高性能要求和配制特点,原材料中原来对普通混凝土影响不明显的因素,对高性能混凝土就可能影响显著,因此高性能混凝土和普通混凝土所用原材料的要求有所不同。


08、为什么说高性能混凝土是绿色混凝土?

混凝土是世界上使用量最大、应用最为广泛的建筑材料,为营造人类的生存环境、建造现代社会的物质文明作出了重要贡献。在地球环境日益恶化的今天,世界各国都在积极行动,开展工业生产的节能减排工作。混凝土产业的节能减排是建筑业节能减排的一个重要领域。

高性能混凝土应用现代混凝土科学技术,使混凝土的生产过程和应用过程绿色化:减少水泥用量;大量利用工业废渣、代用集料;减少生产过程中的噪声污染、粉尘污染等;更大量地利用废弃混凝土和建筑垃圾,减少环境负荷;高性能混凝土的使用寿命长,对于一些特殊工程的特殊部位,控制结构设计的不是混凝土的强度,而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地工作50~100年,减少维修费用。这些都是使混凝土这种传统材料成为绿色材料,能够长期使用的关键措施。高性能混凝土是混凝土可持续发展的出路,是水泥基材料发展的方向,是对传统混凝土的重大突破,在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境等方面都具有重要意义,是一种环保型、集约型的新型材料,可称为“绿色混凝土”。

高性能混凝土是混凝土绿色化生产的重要方向。目前国际上已广泛认识到,用高性能混凝土来替代传统的混凝土结构物和建造在严酷环境中的特殊结构,具有显著的经济效益。


09、高性能混凝土在水化结构上有何特点?

通常高性能混凝土的复合胶凝材料中矿物外加剂的比例可达30%~50%,水胶比不高于0.40~0.42,对于高强混凝土可低于0.30。为了调整混凝土的工作性,还大量使用多种化学外加剂,改变了新拌浆体的结构和性能,影响复合胶凝材料的水化过程及其性能,使其水化过程更加复杂。因此,在高性能混凝土水化结构分析时,必须综合考虑化学外加剂和矿物外加剂对混凝土性能的影响。

中国建筑材料科学研究总院采用多种微观分析的方法(TG-DTA,XRD、SEM和压泵法测孔等)研究和分析高性能混凝土的复合胶凝材料在低水胶比条件下的水化硬化过程。研究发现,磨细矿渣在水泥水化硬化过程中反应活性较大,在水化早期即形成较多的胶凝产物,提高了浆体微结构的密实度,不仅减少了在浆体中的含量,而且也改善了的形态,普通细度的矿渣由于颗粒相对较粗而反应较慢。比表面积在600/g以上的磨细矿渣在水泥水化硬化过程中,能够表现出与普通磨细矿渣所不同的作用,掺磨细矿渣水泥的水化速度高于硅酸盐水泥的水化速度,这是因为细小的矿渣粒子迅速与反应生成胶凝物质,从而加速了水泥熟料矿物的水化。磨细矿渣的反应活性较大,在水泥水化的早期阶段即参与水化过程,消耗CH晶体,促进水泥的水化,磨细矿渣和硅灰复合使用时表现出明显的叠加效应,能促进水泥浆体中晶体的生长,使浆体在早期即可形成比较坚固的结构骨架,同时又提高了C-S-H凝胶的生成数量,改善了硬化浆体的微观结构。复合胶凝材料系统在提高混凝中砂浆基体强度和集料与浆体之间的界面黏结性能方面有显著作用。

总之,高性能混凝土中矿物外加剂一般都具有反应活性,有些反应或协还较大,在水化早期即形成较多的凝胶产物,提高了浆体微结构的密实度,减少了在浆体中的含量,也改善了的形态,使浆体在早期即可形成比较坚固的结构骨架,改善了硬化浆体的微观结构。正是这些改善的水化结构保证了高性能混凝土中砂浆基体强度,集料与浆体之间的界面黏结强度都有所提高。

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