高性能混凝土的发展和应用(模板)-大工论文(通过)

高性能混凝土的发展和应用(模板)-大工

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题目：高性能混凝土的发展和应用

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高性能混凝土的发展和应用

内容摘要

混凝土是现代工程结构的主要材料，高性能混凝土（HPC）是近年来混凝土材料发展的一个重要方向。本文通过回顾混凝土技术的发展历程及现状，讨论了目前高性能混凝土技术的发展趋势。阐述了典型高性能混凝土与高性能混凝土的特点及工程应用，研究高性能混凝土和新型绿色高性能混凝土的特点和发展趋势后可得出结论：高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。

关键词：高性能混凝土；外加剂；矿物掺合料；配合比；工程应用

I

高性能混凝土的发展和应用

目录

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高性能混凝土的发展和应用

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高性能混凝土的发展和应用

引言

混凝土是现代工程布局的主要材料，高性能混凝土是近年来混凝土材料发展的一个重要方向。本文通过回忆混凝土技术的发展历程及近况，会商了木钱水泥混凝土技术的发展趋向。当前一个时期混凝土技术发展的主要趋向为高强化、高性能化、绿色化、高技术化和复合化。论述了目前高性能混凝土（HPC）的定义、组成、组织布局、共同比设想及养护还有其对混凝土性能的影响。

混凝土正在向高强、高性能和生态化的方向发展，绿色高性能混凝土是混凝土材料的发展方向，其应从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100多年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。从20世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木

工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。据统计，当今我国每年混凝土用量约109m3，并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。人类进入21世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，除其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能外，还在于其能否成为绿色材料。因此绿色高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。

在现代混凝土中，矿物掺合料曾经与水泥、集料、水、外加剂童谣重要，成为混凝土中的一个组分。粉煤灰和矿渣均能明显降低水化，降低温升，延缓水泥的水化放热，明显降低混凝土的绝热温升。因为粉煤灰和矿渣微粉在水泥混凝土中不具有三个基本效应，即形态效应、火山灰效应和微集料效应，有益于改善混凝土和易性和坍落度保持能力。混凝土中掺入一定量的粉煤灰还可以削减缩短，明显抑值混凝土徐变性能，从而提高混凝土布局的质量和耐久性。

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1绪论

自“高性能混凝土（HPC）”一词提出以来，曾经有近10年历史，但至今对它并没有统一的解释或定义。不同国家,甚至同一个国家的不同部门,对高性能混凝土的定义都有所不同，但大多数认为，HPC的强度应不低于50-60MPa。我国的吴中伟院士认为，应当根据用途和经济合理等条件对性能有所侧重，现阶段HPC低限可向中等（30MPa）适当延伸，但以不损害混凝土内部布局（孔布局、界面布局、水化物布局等）的发展与耐久性明确为：HPC是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量控制下制成；除采用优质水泥、水和集料以外，必须采用低水胶比和掺加足够数量的矿物细掺料与高效外加剂，HPC应同时包管下列性能：耐久性、工作性、各类力学性能、适用性、体积稳定性和经济合理性。

因此，高性能混凝土并不一定强调高强，也就是说高性能混凝土除了包含以前的概念外，还包括另外一个方面，就是普通混凝土的高性能化。在我国,一般把C10～C50强度等级的混凝土称为普通强度混凝土，C60～C90强度等级的混凝土称为高强混凝土，C100及C100以上的混凝土称为超高强混凝土。以下是三种典型的高性能混凝土: (1)超高强(活性细粉)混凝土:在混凝土中掺人超细粉物质，可以使硬化水泥石布局致密，孔

径细化，改善界面布局，具有高的抗渗性、耐久性和强度，即在混凝土中掺人超细粉物质可以改善高强混凝土的布局并提高其性能。国外已成功研制了立方体抗压强度可达200MPa～800MPa超高强活性细粉混凝土，其抗拉强度也可达25MPa～150MPa，它是一种超高强混凝土，并且这种混凝土在工程实践中也得到了应用。(2)机敏型高性能混凝土:自身诊断、自身控制、自身修复等机敏能力功能的机敏型高性能混凝土，如自密实混凝土、内养护混凝土、承受高温的高强混凝土。(3)普通混凝土的高性能化：普通混凝土的高性能化在公路路面研究上有其重要感化，但国内外大量研究与生产应用的高性能混凝土均属于高强度水泥混凝土，基本上是C60以上，此时面临的问题出现了，就是高强度招致了高脆性，假如直接用于路面有不成克制的瑕玷。我们可以这样理解：高性能混凝土必须具有高的耐久性。同时高性能混凝土也应具有高的强度。但仅仅是高强度，还不一定具有高耐久性。耐久性是高性能混凝土的最重要技术目标。它还要与使用的环境相结合，采取相应的计策，例如掺入矿物质超细粉。

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2典型高性能混凝土的特点及工程应用

高性能是在1990年的一次国际会议上对混凝土提出的新的要求。而高性能混凝土也是今后混凝土技术发展的一个基本方向。对高性能混凝土的定义，国内外的提法不尽相同，但归纳综合起来，可以归结为以下五个方面：

1.高耐久性，能在正常使用环境下具有超长的使用年限和较小的维护费用；在特殊要求的使用条件下，能满足抗侵蚀、抗冻融等抵抗恶劣使用环境下的特殊要求。

2.高施工性能，能在具体的施工条件下，顺畅地完成混凝土的运送和浇注，能得到密实性和均匀性优胜的混凝土布局。

3.较高强度，能满足设想承载力所提出的强度要求，且具有足够的后期强度增长能力，并包管在正常使用条件下的强度要求。

4.高体积稳定性，混凝土凝结前不分层、不离析，硬化后体积变化小，具有较好的抗裂能力。

5.能满足环境保护和可持续发展的要求。

本章主要对高性能混凝土的主要发展动向进行讨论，重点分析其特点和工程应用范围。

2.1典型高性能混凝土的特性

2.1.1超高强混凝土的特点

一般把强度等级为C60及其以上的混凝土称为高强混凝土，C100强度等级以上的混凝土称为超高强混凝土。它是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产而获得高强的混凝土。

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广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高，一般为普通强度混疑土的4～6倍，故可减小构件的截面，因此最适宜用于高层建筑。试验表明，在一定的轴压比和合适的配箍率情况下，高强混凝土框架柱具有较好的抗震性能。而且柱截面尺寸减小，减轻自重，避免短柱，对结构抗震也有利，而且提高了经济效益。高强混凝土材料为预应力技术提供了有利条件，可采用高强度钢材和人为控制应力，从而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混凝土结构，应用于大跨度房屋和桥梁中。此外，利用高强混凝土密度大的特点，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

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用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强的特点，建造具有高抗渗和高抗腐要求的工业用水池等。具体特点如下：

1、在一般情况下，混凝土强度等级从C30提高到C60，对受压构件可节省混凝土30－40%；受弯构件可节省混凝土10－20%。

2、高强混凝土比普通混凝土成本上要高一些，但由于削减了截面，布局自重减轻，这对自重占荷载主要部分的建筑物具有出格重要意义。再者，由于梁柱截面缩小，不仅在建筑上改变了肥梁胖柱的不美观的问题，并且可增加使用面积。以深圳贤成大厦为例，该建筑原设想用C40级混凝土，改用C60级混凝土后，其底层面积可增大1060平方米，经济效益十分明显。

3、由于高强混凝土的密实性能好，抗渗、抗冻性能均优于普通混凝土。因此，国外高强混凝土除高层和大跨度工程外，还大量用于海洋和港口工程，它们耐海水侵蚀和海浪冲刷的能力优于普通混凝土，可以提高工程使用寿命。[3]

4、高强混凝土变形小，从而使构件的刚度得以提高，改善了建筑物的变形性能。

2.1.2绿色高性能混凝土的特性

绿色混凝土的“绿色”涵义为：节约资源、能源；不破坏环境，更有利于环境；可持续发展，既满足当代人的需求，又不危害子孙后代，且能满足其需要。是指通过材料研选、采用特殊工艺、制造出来的具有特殊结构和表面特性的混凝土；既能减少环境负荷，又能与环境协调，它具有能适应动、植物生长，对调节生态平衡、美化环境景观，为人类构造舒适环境。

绿色高性能混凝土指应具有以下特点的混凝土：可满足混凝土的可持续发展，能减少环境污染，又能与自然生态系统和谐开发；比传统混凝土具有更高的强度和耐久性；可选择资源丰富，能耗小的原材料；能大量利用工业废弃资源，实现非再生性资源的可循环使用和有害物质的从低排放；适合人居，对人体无害。

绿色高性能混凝土首先应当是高性能混凝土，同时又是“绿色”混凝土，其特性如下：

1、高的工作性能。高性能混凝土在拌合、运输、浇筑时具有良好的高流动性（坍落度在200mm以上），不泌水不离析，施工时能达到自流平，坍落度经时损失小，具有良好的可泵性。高性能混凝土的这种优良工作性能可以保证施工时混凝土的质

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量均匀，避免一些原始缺陷，同时也能提高施工的速度，节省人工，收到良好的经济效益。

2、体积稳定性好。高性能混凝土在硬化过程中体积稳定，水化热低，混凝土温升小，硬化过程中不开裂，缩短时变小，硬化后具有致密的布局，不易产生裂缝。

3、高的强度。高性能混凝土应有高的早期强度及后期强度。高强度是高性能混凝土的重要特点，但不等于低强度混凝土不具备高性能。我国基本上认为高性能混凝土标号应在C50以上。目前发达国家高性能混凝土强度已达到C100以上，并已见诸工程应用。

4、高耐久性。高性能混凝土应具有高的抗渗性、抗冻融性及抗腐蚀性。高性能混凝土的渗透性和混凝土结构致密，能有效地抵抗硫酸盐、氯离子等有害介质的侵蚀，使混凝土即使在严酷的自然环境下也具有较长的使用寿命。有些国家设计的混凝土使用寿命能达到100年，目前我国提出混凝土的寿命至少应在50年以上。2.1.3机敏型高性能混凝土的特点

机敏型混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土，是智能混凝土的初始阶段，是混凝土发展的高级阶段。智能混凝土是在混凝土原有的组成基础上掺和复合智

能型成分使混凝土材料具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料，根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在的脆性破坏，能显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。近年来，损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土及仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相续出现，为智能混凝土的研究和发展打下坚实的基础。目前智能混凝土研究处于初级阶段,具有自诊断、自调节和损伤自修复等性能,并且这些性能在一种混凝土结构中不能全部体现出来,只是初步具有某一种智能(确切的说是一种反应性能)特性，其具体划分为：

1、自诊断智能混凝土

自诊断智能混凝土具有，压敏性和温敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能，但在混凝土基材中掺入部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能。目前常用的导电组分可分为3类：聚合物类、碳类和金属类，而最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑；金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片及金属网等。

2、自调节机敏混凝土

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自调节机敏混凝土具有电力效应和电热效应等性能。Wittmann F H在1973年首先研究了力由变形产生电、电力，由电产生变形效应。Wittmann F H在做水泥净浆小梁弯曲时，通过附着在梁上下外表的电极可检测到电压，且对其逆反应一电力效应进行了研究，发现梁产生弯曲变形，改变电压的方向时，弯曲的方向也发生相应的变化。

机敏混凝土的力电效应、电力效应是基于电化学理论的可逆效应，因此将电力效应应用于混凝土布局的传感和驱动时，可以在一定范围内对它们实施变形调节。例如，对于平整度要求极高的特殊钢筋混凝土桥梁，可通过机敏混凝土的电热和电力自调节功能进行调节由于温度自重所引起的蠕变；机敏混凝土的热电效应使其可以方便的实时检测建筑物内部和周围环境温度变化，并利用电热效应在冬季控制建筑物内部环境的温度，可极大的增进智能化建筑的发展。

3、自修复机敏混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带裂缝工作的。含有微裂纹的混凝土在一定的环境条件下是能够自行愈合的，但自然愈合有其自身无法克服的缺陷，受混凝土的龄期、裂纹

尺寸、数量和分布以及特定的环境影响较大，而且愈合期较长，通常对较晚龄期的混凝土或当混凝土裂缝宽度超过了一定的界限，混凝土的裂缝很难愈合。国内的研究表明，掺有活性掺和料和微细有机纤维的混凝土破坏后其抗拉强度存在自愈合现象；国外研究混凝土裂缝自愈合的方法是在水泥基材料中掺人特殊的修复材料，使混凝土结构在使用过程中发生损伤时，自动利用修复材料（粘结剂）进行恢复甚至提高混凝土材料的性能。美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry采用在空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为粘结剂，埋人混凝土中，制成具有自修复智能混凝土。当混凝土结构在使用过程中发生损伤时，空心玻璃纤维中的粘结剂流出愈合损伤，恢复甚至提高混凝土材料的性能。

2.1.4普通混凝土的高性能化

在泵送混凝土得到广泛应用，对混凝土的强度等级要求日益提高的情况下，人们对混凝土施工性能、早期的非荷载裂缝、耐久性方面给予广泛的关注。考虑到工程中大量应用的是C50以下强度的混凝土（以下简称为“普通混凝土”），混凝土的性能主要取决于水泥浆的数量和质量以及混凝土内部结构状态，普通混凝土是在以C50及以下强度等级的混凝土为对象，通

过对原材料的优选和质量控制、配合比优化、生产过程的有效控制，使生产出的混凝土拌合物具有良好的施工性能，硬化

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混凝土的结构改善，其强度及抗渗等级高于原来基准混凝土，具有相对较高的耐久性。这种通过改善普通混凝土的内部结构、提高性能、延长使用寿命的工作，称为“普通混凝土的高性能化”其主要特点为：

高性能化的普通混凝土具有较大的坍落度和较小的坍落度经时损失(一般情况下坍落度控制在180~200mm，90min坍落度基本无损失)。适宜的粘度、较大的流动性以及泌水性不离析的适宜的凝结时间等优良施工性能。在水泥用量减少的情况下，可以配制出强度相对较高的混凝土，特别在耐久性较普通混凝土提高等突出的技术特征。

混凝土耐久性取决于混凝土的抗渗、抗冻、抗氧化、抗腐蚀能力和体积稳定性，这些性能指标又能相互关联。根据国外文献资料，抗氯离子渗透是抗腐蚀的重要指标，是判定混凝土寿命的关键参数。抗碳化性能是指空气中的CO2与混凝土的Ca(OH)2发生化学变化，使混凝土中兴华，在水分侵入时，混凝土中的钢筋失去碱性保护而腐蚀、膨胀，使混凝土出现顺钢

筋的裂缝，不断恶化，最终导致结构破坏。碳化速度与混凝土的密实度相关，一般最直接的影响因素是水胶比，水胶比越大碳化速度越快。

2.2高性能混凝土的工程应用

如前所述，高性能混凝土的工程应用已经有了较大的发展，但是由于我国的现状，各种方法和技术还相对落后，仍需要在工程实践中不断使用和检验。因此，本节主要阐述的是高性能混凝土的材料要求、工程应用范围以及简单应用实例。2.2.1高性能混凝土的原材料及配合比

高性能混凝土(High performance concrete,简称HPC)是具有优异耐久性的混凝土。其主要特点是高强度、高抗渗性、高工作性能与体积稳定性，其原材料有：

1、水泥

用于生产高性能混凝土的水泥必须兼有高的28d抗压强度和好的流变性。一般宜选用不低于42.5强度等级的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。好的流变性意味着使用此水泥掺用适量的高效减水剂,在运输和浇筑过程中,可以控制混凝土的坍落度丧失和保持良好的工作性;应通过试配来选择水泥,选择水泥细度、石膏形态和数量、碱含量的数量符合设想和施工环境要求;

有耐硫酸盐腐蚀要求的混凝土,可选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥或高抗硫酸盐硅酸盐水泥;有碱集料反应控制要求时还需注意水泥的碱含量,当集料具有碱一硅酸反应活性时,水泥的碱含量不应超过0.60%。

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2、化学外加剂

化学外加剂应采用减水率高、坍落度丧失小、适量引气、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产物;配制高性能混凝土时,应通过试验选择与所用水泥顺应性好的外加剂。一样的高效减水剂,当用在低水胶比的高性能混凝土中时,不一定能到达用于较高水胶比混凝土中一样的效果,这与许多因素有关,如磺化程度、磺化位置、有效固体含量、聚合物链长度、聚合物的交联程度、剩余磺酸盐和杂质等。水泥与高效减水剂顺应性选择的原则是:在同一水泥中掺入几种高效减水剂显示流动度大、到达饱和点时掺星较少，坍落度经时丧失小等特征的组合为减水剂与水泥顺应性较好；反之顺应性不好，应当改换水泥品种或外加剂品种。

3、矿物外加剂

矿物外加剂对改善混凝土耐久性至关重要，应选用品质稳定的产物，常用的矿物外加剂有Ⅰ级粉煤灰、磨细粉煤灰、矿渣粉、硅灰和磨细天然沸石等。矿物外加剂性能目标应符合GB-2000高强高性能混凝土用矿物外加剂的要求，矿物外加剂的品种和细度明显影响高性能混凝土的水化热、流动性、早期体积稳定性、强度、耐久性和成本，应根据配制高性能混凝土的技术要求，通过试验确定期品种和掺量。

4、集料

细集料应选择质地均匀坚固、级配良好、吸水率低的中粗河砂或者人工砂，一般其细度模数应该大于 2.6,含泥量应该小于1.5%。配制C80以上的超高强混凝土时，其含泥量应该小于 1.0%，有条件时应冲洗后使用。集料应该抗压强度高和表面相对粗糙的品种，级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵石较为适用，一般控制粗集料的最大粒径不宜大于25mm，针片状颗粒含量不大于5%，不得混入风化颗粒，含泥量不应大于1%；配制C80以上高强高性能混凝土时，岩石的立方体抗压强度应该比要配制的混凝土强度高20%以上，粗集料的最大粒径不宜大于20mm,粗集料宜采用2级配，含泥量不得大于0.5%。

5、水

高性能混凝土的拌合用水应复核<63-89混凝土拌合用水标准>的要求。

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。它以耐久性作为设想的主要目标，针对不同用途要求，对耐久性、工作性、适用性、强度稳定性、体积稳定性和经济性等性能重点予以包管。为此，高性能混凝土在配置上的特性是采用低水胶比，选用优质

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原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂，其配合比在设计要求上应该注意：

混凝土的共同比应根据原材料品质、混凝土设想强度等级、混凝土耐久性以及施工工艺对工作性的要求，通过计算、适配、调整等步调选定。配制的混凝土应满足施工要求。设想强度和耐久性等质量要求。高性能混凝同比设想应首先考虑混凝土的耐久性要求，然后根据施工工艺对拌合物工作性和强度要求进行设想，并通过适配、调整、确认满足使用要求前方可用于正式施工。为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的施工性能和抗裂性能，混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、矿渣粉或硅灰等

矿物外加剂，其掺量应根据混凝土的性能通过实验确定。化学外加剂的掺量应使混凝土到达规定的水胶比和工作度，且使用的最高掺量不应对混凝土性能(凝结工夫、后期强度等)产生不利的影响。

2.2.2高强高性能混凝土的工程应用范围

高强高性能混凝土（简称HS-HPC）是强度等级超过C80的HPC，其特点是具有更高的强度和耐久性，用于超高层建筑底层柱和梁，与普通混凝土结构具有相同的配筋率，可以显著地缩小结构断面，增大使用面积和空间，并达到更高的耐久性。

1、主要技术内容

HS-HPC的水胶比≤28％，用水量≥200kg/m3，胶凝材料用量650～700kg/m3，其中水泥用量450～500kg/m3，硅粉及矿物微细粉用量150～200kg/m3，粗骨料用量900～950kg/m3，细骨料用量750～800kg/m3，采用聚羧酸高效减水剂或氨基磺酸高效减水剂。HS-HPC用于钢筋混凝土结构还需要掺入体积含量2.0～2.5％的纤维，如聚丙烯纤维、钢纤维等。

2、技术指标