高性能混凝土專業知識問答,據說懂6個以上才算行家!

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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)是一種以耐久性為目標,兼顧高強度、高工作性和高耐久性的新型的高技術混凝土。它可以大幅度提高普通混凝土性能,是針對不同用途要求,采用現代技術制作的低水膠比的混凝土。高性能混凝土對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、實用性、體積穩定性、強度、經濟型。為此,高性能混凝土在配置上的特點是水膠比低,選用優質原材料,并除水泥、水、集料外,必須摻加足夠數量的礦物外加劑和化學外加劑。高性能混凝土在節能、節料、工程經濟、勞動保護以及環境保護扥各方面都具有重要意義,是一種環保型、集約型的新型材料,亦被稱為“綠色混凝土”。

高性能混凝土的概念是20世紀90年代初提出的(1990年5月),美國國家標準與技術研究所(NIST)和美國混凝土協會(ACI)在美國馬里蘭州蓋瑟斯堡召開的會議上首先正式提出高性能混凝土這一名詞的定義。實際上,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強混凝土。在最近的十多年中,高性能混凝土很快地被各國工程界所接受。這主要是因為高性能混凝土的使用對于各方都具有明顯的效益:對于業主或用戶來說,混凝土的耐久性好,安全使用期長,可減少維修費,保證安全;對于社會來說,高性能混凝土降低能耗、料耗、利用工業廢渣,減少噪聲污染,對環境有利,并消除不安全感;對于施工者來說,高性能混凝土操作方便,改善勞動條件,加快進度,減少模板和勞力,可提前交工;對于設計者來說,高性能混凝土減小斷面,減輕自身質量,增加使用空間,取得明顯的節約效果,還能幫助人們實現建筑的藝術性和靈活性。高性能混凝土在不少工程中得以推廣應用,如高層建筑、海上石油鉆采平臺、橋梁工程、大型結構、隧洞襯砌、放射性廢物貯罐等。而且隨著人們逐漸重視工程質量,強調安全和環境保護,高性能混凝土真正進入推廣應用時期。

日前,不同國家、地區以及不同學者對高性能混凝土的涵義的理解和見解還不統一。多數人認為,高性能混凝土必須具有高強度,這就限制了高性能混凝土的應用范圍,不可能形成混凝土的發展方向。我國已故的吳中偉院士指出:“實現中低強度等級混凝土的高性能化,高性能混凝土的發展才具有廣泛的現實意義。”法國科學家已經提出,即使從結構角度上不要求用高強度的混凝土,但要求長期耐久性的一切工程必須采用高性能混凝土。這些觀點是全面的,是符合發展方向的。

高性能混凝土針對混凝土結構所處的環境特點而進行相應的性能設計,并通過施工過程控制使得相應性能得到保證,能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求,能最大限度地延長混凝土結構使用年限,降低工程造價。因此,高性能混凝土是混凝土結構耐久性得以保證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動性、可塑性、穩定性和密實性,是混凝土拌合物塑性狀態下所表現的若干基本性質的綜合效應。高性能混凝土應具有良好的工作性,其新拌混凝土在成型過程中不分層、不離析,混凝土拌合物應具有較高的流動性,易充滿模型;泵送混凝土,自密實混凝土還具有良好的可泵性、自密實性能。

與普通混凝土相比,高性能混凝土膠凝材料用量增大,盡管拌合物的流動性大,但黏性增大,變形需要一定的時間。常用于高性能混凝土中的輔助膠凝材料主要有磨細礦渣、磨細粉煤灰和硅灰等,對高性能混凝土的工作性有不同影響,他們的摻量、細度和顆粒級配等都會影響混凝土的工作性。

一般不采用單一的混凝土坍落度值來評價高性能混凝土的工作性。從理論上講,高性能混凝土的流變性仍近似于賓漢流體,可以用屈服剪切應力和塑性黏度兩個參數來表達其流變特性。在實際工程中,采用變形能力和變形速度兩個指標來綜合反映高性能混凝土的工作性更為合理。基于這種理論基礎,許多學者提出了一些評價高性能混凝土工作性的方法,Texas大學的Eric P. Koehler對世界范圍內使用的工作性測試方法進行了匯總,一共列出了61種測試方法,其中用于混凝土工作性測試方法有46種,自密實混凝土測試方法有8種,砂漿和凈漿測試方法有7種。


03、什么是高性能混凝土的體積穩定性?

混凝土的體積穩定性主要與混凝土的收縮性能有關。混凝土的收縮是指由于混凝土中所含水分的變化、化學反應及溫度變化等因素引起的體積縮小。混凝土的收縮按作用機理可分為自收縮、塑性收縮、硬化混凝土的干燥收縮、溫度變化引起的收縮變形及碳化收縮變形五種。混凝土由于各種收縮而引起的開裂問題一直是混凝土結構物裂縫控制的重點和難點。

高性能混凝土應具有較高的體積穩定性,即混凝土在硬化早起應具有較低的水化熱,硬化后期具有較小的收縮變形。低水膠比與礦物外加劑的大量摻入使高性能混凝土的硬化結構與普通混凝土相比有著很大的差異,結構的差異在帶來高性能混凝土諸多性能上的突破的同時,隨之帶來了它的一些本質上的缺點:①自收縮大,主要發生在早期;②溫度收縮大,溫度收縮出現的時間提前;③混凝土施工后,早期收縮(其中包括部分自收縮值和干燥收縮)實測值較大、早期彈性模量增長快、抗拉強度并無顯著提高、比徐變變小等因素共同導致了高性能混凝土(特別是高強混凝土)的早期抗裂性差。

近幾年來,高性能混凝土在我國的應用實踐表明,早期開裂問題已成為其在工程中應用時最容易出現的問題。



04、什么是混凝土的耐久性?

混凝土的耐久性是使用期內結構保證正常功能的能力,關系到混凝土結構物的使用壽命,隨著結構物老化和環境污染的加重,混凝土耐久性問題已引起了各主管部門和廣大設計、施工部門的重視。混凝土的耐久性劣化是指結構在所使用的環境下,由于內部原因或外部原因引起的結構的長期演變,最終使混凝土喪失使用能力,即耐久性失效。耐久性失效的原因有抗凍失效、堿-集料反應失效、化學腐蝕失效和鋼筋銹蝕造成結構破壞等。

強度和耐久性是混凝土結構的兩個重要指標,以往工程中習慣上只是重視混凝土的強度,或片面追求高強度而忽視混凝土的耐久性。曾有調查表明,國內一些工業建筑在使用25~30年后即需大修,處于嚴酷環境下的建筑物的使用壽命僅15~20年。許多工程建成后幾年就出現鋼筋銹蝕、混凝土開裂。如果忽視耐久性問題,迎接人們的將是混凝土工程大修的高潮,其耗費將數倍于工程建設投資。而其原因卻往往是由于混凝土耐久性不足引起的。

混凝土的外部環境、內部孔結構、原料、密實度和抗滲性是影響混凝土耐久性能的重要因素,應結合工程實際,有針對性地采取相應措施來提高混凝土的耐久性。高性能混凝土的使用壽命比傳統混凝土有大幅度提高,能夠使混凝土結構完全可靠地工作50~100年以上。對于一些特殊工程的特殊部位,控制結構設計的并不是混凝土的強度,而是其耐久性。



05、影響混凝土結構耐久性能的因素有哪些?

影響混凝土結構耐久性的因素比較多,主要是混凝土結構所處的環境條件、建造結構所用的混凝土的性能以及施工過程控制三個因素。其中,環境是影響結構耐久性能的重要因素。環境中的氣體、液體和固體會通過擴散、滲透進入混凝土內部,混凝土在這些介質作用下,會發生物理和化學變化,有時是有益的,多數情況下會導致硬化混凝土性能的劣化。混凝土結構所處環境類別分為碳化環境、氯鹽環境、化學侵蝕環境、凍融破壞環境和磨蝕環境等。

提高混凝土耐久性的具體措施包括原材料的選擇,配合比設計和結構設計、施工和后期維護等環節。水泥、集料、摻合料的性能對混凝土耐久性影響很大,對其品種需加以認真選擇。進行混凝土配比的設計時盡量減少水泥用量和用水量,降低水化熱,減少裂縫,提高密實度,采用合理的減水劑和引氣劑,改善混凝土內部結構,摻入足量的混合料,提高混凝土耐久性能;按照使用環境設計相應的混凝土保護層厚度,預防外界氣體和液體介質滲入內部腐蝕鋼筋。混凝土工程施工過程中也應考慮結構耐久性,混凝土的拌制工藝應提高混凝土拌合料的和易性并減少用水量;大體積混凝土的澆筑振搗應控制混凝土的溫度裂縫、收縮裂縫、施工裂縫、混凝土澆筑后應充分合理地進行振搗,提高混凝土密實度和抗滲性,加強養護,減少混凝土裂縫。結構物在使用階段中應注意檢測、維護和修理,對處于露天和惡劣環境下的基礎設施工程更應如此。


06、高強混凝土有什么特點?

強度是混凝土性能的一項重要指標,是結構設計的重要依據。隨著混凝土技術的發展和實際工程應用中混凝土強度等級的不斷提高,高強混凝土的強度等級下限也在不斷變化。CECS 104 :99 《高強混凝土結構技術規程》1.0.2條規定:“高強混凝土為采用水泥、砂、石、高效減水劑等外加劑和粉煤灰、超細礦渣、硅灰等礦物外加劑以常規工藝配制的C50~C80級混凝土。”但是近幾年,一般把強度等級為C60及其以上的混凝土才成為高級混凝土。

高強混凝土作為一種新的建筑材料,以其抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、孔隙率低的優越性,在高層建筑結構、大跨度橋梁結構以及某些特種結構中得到的廣泛的應用。高強混凝土最大的特點是抗壓強度高,故可減小構件的截面,因此最適宜用于高層建筑。高強混凝土框架柱還具有較好的抗震性能。高強混凝土材料用在預應力技術中,可采用高強度鋼材和認為控制應力,從而大大地提高了受彎構件的抗彎剛度和抗裂度。因此,世界范圍內越來越多地采用施加預應力的高強度混凝土結構,應用于大跨度房屋和橋梁中。高強混凝土還具有密度大的特點,可用作建造承受沖擊和爆炸荷載的建(構)筑物,如原子能反應堆基礎等。利用高強混凝土抗滲性能強和抗腐蝕性能強的特點,建造具有高抗滲性和高抗腐要求的工業用水池等。



07、高性能混凝土原材料組成有何特點?

高性能混凝土所用的原材料,除了傳統混凝土所用的水泥、砂、石和水四大組成,還有化學外加劑(亦成為混凝土的第五組分)和礦物外加劑(亦稱為混凝土的第六組分)。使用新型的高效減水劑和磨細礦物外加劑(或稱礦物外加劑)是使混凝土達到高性能的主要技術措施。前者能降低混凝土的水膠比,增大坍落度和控制值混凝土的坍落度損失,賦予混凝土高的致密性和良好的工作性、后者能填充膠凝材料的孔隙,參與膠凝材料的水化,除了提高混凝土的致密性外,還能改善混凝土的界面結構,提高混凝土的耐久性與強度。由于高性能混凝土的高性能要求和配制特點,原材料中原來對普通混凝土影響不明顯的因素,對高性能混凝土就可能影響顯著,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、為什么說高性能混凝土是綠色混凝土?

混凝土是世界上使用量最大、應用最為廣泛的建筑材料,為營造人類的生存環境、建造現代社會的物質文明作出了重要貢獻。在地球環境日益惡化的今天,世界各國都在積極行動,開展工業生產的節能減排工作。混凝土產業的節能減排是建筑業節能減排的一個重要領域。

高性能混凝土應用現代混凝土科學技術,使混凝土的生產過程和應用過程綠色化:減少水泥用量;大量利用工業廢渣、代用集料;減少生產過程中的噪聲污染、粉塵污染等;更大量地利用廢棄混凝土和建筑垃圾,減少環境負荷;高性能混凝土的使用壽命長,對于一些特殊工程的特殊部位,控制結構設計的不是混凝土的強度,而是耐久性。能夠使混凝土結構安全可靠地工作50~100年,減少維修費用。這些都是使混凝土這種傳統材料成為綠色材料,能夠長期使用的關鍵措施。高性能混凝土是混凝土可持續發展的出路,是水泥基材料發展的方向,是對傳統混凝土的重大突破,在節能、節料、工程經濟、勞動保護以及環境等方面都具有重要意義,是一種環保型、集約型的新型材料,可稱為“綠色混凝土”。

高性能混凝土是混凝土綠色化生產的重要方向。目前國際上已廣泛認識到,用高性能混凝土來替代傳統的混凝土結構物和建造在嚴酷環境中的特殊結構,具有顯著的經濟效益。


09、高性能混凝土在水化結構上有何特點?

通常高性能混凝土的復合膠凝材料中礦物外加劑的比例可達30%~50%,水膠比不高于0.40~0.42,對于高強混凝土可低于0.30。為了調整混凝土的工作性,還大量使用多種化學外加劑,改變了新拌漿體的結構和性能,影響復合膠凝材料的水化過程及其性能,使其水化過程更加復雜。因此,在高性能混凝土水化結構分析時,必須綜合考慮化學外加劑和礦物外加劑對混凝土性能的影響。

中國建筑材料科學研究總院采用多種微觀分析的方法(TG-DTA,XRD、SEM和壓泵法測孔等)研究和分析高性能混凝土的復合膠凝材料在低水膠比條件下的水化硬化過程。研究發現,磨細礦渣在水泥水化硬化過程中反應活性較大,在水化早期即形成較多的膠凝產物,提高了漿體微結構的密實度,不僅減少了在漿體中的含量,而且也改善了的形態,普通細度的礦渣由于顆粒相對較粗而反應較慢。比表面積在600/g以上的磨細礦渣在水泥水化硬化過程中,能夠表現出與普通磨細礦渣所不同的作用,摻磨細礦渣水泥的水化速度高于硅酸鹽水泥的水化速度,這是因為細小的礦渣粒子迅速與反應生成膠凝物質,從而加速了水泥熟料礦物的水化。磨細礦渣的反應活性較大,在水泥水化的早期階段即參與水化過程,消耗CH晶體,促進水泥的水化,磨細礦渣和硅灰復合使用時表現出明顯的疊加效應,能促進水泥漿體中晶體的生長,使漿體在早期即可形成比較堅固的結構骨架,同時又提高了C-S-H凝膠的生成數量,改善了硬化漿體的微觀結構。復合膠凝材料系統在提高混凝中砂漿基體強度和集料與漿體之間的界面黏結性能方面有顯著作用。

總之,高性能混凝土中礦物外加劑一般都具有反應活性,有些反應或協還較大,在水化早期即形成較多的凝膠產物,提高了漿體微結構的密實度,減少了在漿體中的含量,也改善了的形態,使漿體在早期即可形成比較堅固的結構骨架,改善了硬化漿體的微觀結構。正是這些改善的水化結構保證了高性能混凝土中砂漿基體強度,集料與漿體之間的界面黏結強度都有所提高。

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