高性能与超高性能混凝土的发展与应用-文档资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,HPC和UHPC的发展和应用,清华大学 冯乃谦,1,第七届HS/HPC国际会议上，认为超高性能混凝土是混凝土技术突破性进展，UHPC应用的强度高达250MPa，而且耐久性比HPC大幅度提高，说明混凝土材料和技术已进入了高科技时代。,2,1、世界上最古老的混凝土,将含僵石的粘土煅烧，压碎之后得到胶凝材料，其中有石灰、烧粘土及粘土。把砂石胶结起来，或把僵石胶结起来，做成房屋的地面，经长期碳化，表面坚硬，像石材。这就是5000年前中国最古老的混凝土。,5000年前的混凝土,我国甘肃大地湾发现的遗址中，有许多住宅群。这些住宅群地面是一种很坚硬的混凝土材料，颜色灰白。距今已有5000年的历史。,3,2、古罗马的混凝土,古罗马利用火山灰、石灰为胶凝材料，将火山渣或砂石胶结起来，得到了古罗马时代的混凝土，他们利用这种混凝土建造了教堂、斗兽场等建筑物。比较著名的有古罗马的万神庙。,距今2000年前,古罗马colosseo（公元7280年,）复原图,4,古罗马神殿,5,3、英国人发明的现代混凝土,1824年英国的阿斯普丁发明了波特兰水泥（Portland cement）。因这种水泥凝结硬化后颜色与英国波特兰的石头颜色相同，故有此命名。波特兰水泥将砂、石粘结在一起，就得到了现代混凝土。,1824年,1835年修建的全混凝土房屋,6,4、钢筋混凝土发明,1875年威廉拉塞尔斯申请了钢筋混凝土专利，并用钢筋混凝土预制件建造了低层住宅。,7,5,、预应力钢筋混凝土的发明,1917年法国人欧仁、弗雷西内开发了预应力混凝土结构体系。到了19世纪90年代，混凝土已广泛应用于各种工程项目，如码头、桥梁、河岸护坡及建筑等。,8,6,、普通混凝土的组成,根据社会发展，工程需要，除上述四种主要成分外，还有其它材料用于混凝土中，如化学外加剂、矿物掺合料、金属或聚合物纤维等。,胶凝相,水泥+水（胶凝相）,砂、碎石或卵石,水泥浆,骨料,岩石相,混凝土,水+水泥+砂+石,9,7,、硬化后混凝土结构构造,水泥浆,粗骨料,气孔,细骨料,10,（胶凝材料相）,硬化水泥浆,（水泥石）,（骨料相）,骨料,两者之间的粘结面,（界面）,可以把混凝土看成三相结构,水泥石 界面 骨料,水泥石、骨料身的特性及两者之间的界面结构性能决定了混凝土硬化后的性能。,11,8,、通过元素分析（EPMA）了解混凝土的结构和组成,硬化混凝土抛光面的EPMA,A骨料；CCa(OH),2,;hC-H-S；m硫铝酸钙水化物(3CaOAl,2,O,3,3CaSO,4,32H,2,O);u未水化水泥粒子,12,9、水泥浆骨料界面微观结构,水泥浆骨料界面的微观结构模型图,在接触层与骨料表面处几乎是垂直板状或层状的Ca(OH),2,结晶。（以CH代表）定向结晶，在中间层则分布着CH及钙矾石的粗大结晶及少量的C-H-S，呈现出一种强度不好的状态。硅酸盐水泥混凝土中，大量的CH结晶在骨料的表面形成一个粗糙的结构。强度低、抗渗性及耐久性不好。,13,10,、界面结构,骨料与水泥浆之间的界面上：,水膜层,Ca(OH),2,富集及结晶的定向排列,对策：抑制混凝土泌水,掺入超细粉（如硅粉），提高拌合物粘度，与Ca(OH),2,反应，生成SH相。,14,11、20世纪混凝土材料的重大突破,超高性能混凝土（,UHPC,）。基本前提：,新型高效减水剂的发明与应用,德国：三聚氰胺高效减水剂,日本：萘系高效减水剂,美国：改性木质素磺酸盐,聚羧酸高效减水剂的发展与应用，使混凝土从干硬性,半干硬性,塑性,流态化方向发展。,15,超细粉的回收、加工与应用,挪威、瑞典、冰岛与丹麦对硅粉的开发应用。,日本等国对超细矿渣的开发应用。,美国等对偏高岭土超细粉应用。,中国对天然沸石超细粉应用。,使混凝土从高强,超高强,超高性能方面发展。,金属纤维、有机纤维及无机纤维的发明与应用，使混凝土向,ECC,方向发展。,16,12、新型高性能水泥基材料的发明,（,1,）,MDF,水泥基材料（,macro-defectfree,）,（无宏观缺陷的水泥材料）,Birchall,提出，,1979,年英国化学工业公司和牛津大学研究。,随后，美国、日本、瑞典也开展了该项研究。,17,MDF(macro-defect free),（无宏观缺陷水泥）,Birchall,提出：,高标号硅酸盐水泥或铝酸盐水泥（,90,99,）,水溶性树脂（,4,7,）,水灰比,20,强制式高效剪切搅拌机 热压成型工艺。能得到的,MDF,的性能：抗压,300Mpa,，抗弯,150Mpa,。弹模,50Gpa,例：原材料：硅酸盐水泥 （水泥）,水溶性聚乙烯醇（,PVA,）（有机物）,丙三醇 （外加剂）,制备工艺：,(,水泥,+PVC+,外加剂）,制成混凝土,剪切搅拌,热压成型,养护,制品,日本大学教授笠井芳夫评价：,无流动性，成型困难，耐水性差，收缩大。至今仍未实用。,18,（2）DSP水泥基材料（densified system containing homogenously arranged ultra-fine particles）,（超细粒子密实填充的水泥材料）,由Bache详细阐述（专利）。是在瑞典、挪威、冰岛等国家对硅粉开发与应用的基础上发展起来的。日本电气化学工业公司将该项技术引入日本。,基本组成：水泥、硅粉、聚羧酸高效减水剂。,19,DSP,模样图及性能,20,Bache强调密实填充重要性。DSP的重要特征就是密实填充密实度最大填充，孔隙率最低。,分散剂（聚羧酸系高效减水剂）的掺入，使相邻颗粒之间表面力的连接作用消除，粘性物质的应力场降低。,2025SF代替相应的硅酸盐水泥，W/B=0.120.22,抗压强度500Mpa，弹模80Gpa，抗弯75Mpa。,今后用高C,2,S水泥+硅粉+聚羧酸系高效减水剂效果更好。,该项技术成为HPC、UHPC的基础。,21,13,、在,DSP,的基础上开发,HPC,、,UHPC,混凝土材料,DSP,ECC，（UHPC）,（DSP+S+F）,抗压强度200MPa,（达到250MPa）,HPC，UHPC,（DSP+S+G）,抗压强度150MPa,（达到180MPa）,22,14、HPC、UHPC应用实例,高度超过400m（435m）的超高层建筑，大量使用了C70、C80、C90、C100的HPC和UHPC。,23,明石大桥（海上最大跨度2km）,24,明石大桥的结构构造图。,海水中2个桥墩基础（2p、3p）（主塔基础）混凝土3536万m,3,HPC,25,超高层大跨度钢筋混凝土结构住宅,应用UHPC，抗压强度超过180MPa,26,UHPC结构特点,梁的跨度增大，柱子断面减小，可利用空间增大增多,27,UHPC在大跨度过街桥梁（人行天桥）中应用,跨度30m，厚度由2.0m1.2m,28,15,、,ECC,（,Engineered cementitions composites,）（,UHPC,）,DSP+S+F+,高效减水剂,ECC,ECC及应用实例,29,ECC及应用实例,新材料、新技术、新结构工法、抗震、舒适的居住空间,30,ECC及应用实例,ECC抗震结构构造；ECC人行天桥；ECC复合桁架,31,ECC及应用实例,建造在德国及法国的ECC收费站及行人桥,32,16、UHPC用的纤维,纤维,一般用于UHPC的纤维有碳纤维、钢纤维、有机纤维等。,33,UHPC的特点之一是低水灰比，为了确保流动性，必须加入高效减水剂。因此：,1）适宜于水灰比低特性的水泥，细度及粒子组成：粒子形状系数NC:0.67(w/c:0.180.20)，BC:0.80.9(w/c:0.14)，加水后早期水化性能（希望C,3,A，C,2,S,，,C,3,S,）,17、UHPC用的水泥,34,2）球状水泥：将水泥粒子加工成球状，而普通水泥粒子为碎石状。,普通水泥,球状水泥,35,球状水泥和普通水泥混凝土相比：,水泥种类,坍落度,(cm),含气量(%),W/C,(%),砂率,(%),单方混凝土用量（kg）,水泥,水,砂,粗骨料,外加剂,O.P.C,18,21,21,4,1,1,54,32,20,49,45,37,310,492,517,167,157,115,882,785,660,936,978,1143,P(0.75)A(1.5),M(6.0),M(23.0)SF(58),S.C,18,21,21,4,1,1,49,27,14,49,45,37,310,492,517,152,133,81,902,816,673,957,1017,1182,P(0.75)A(1.5),M(6.0),M(23.0)SF(58),36,球状水泥与普通水泥混凝土强度的比较,图17-1,球状水泥与普通水泥混凝土强度的比较,37,3)调整粒子（级配）水泥,将水泥组成中粒度分布进行调整，使胶凝材料填充率提高，并使水泥粒子的最大粒径增大，粒度分布向粗方向转移，同时掺合超细粉，以获得最密实的填充。,材料,相对密度,比表面积（cm,2,/g）,体积加权,平均粒径（,m）,细度模量,硅酸盐水泥,硅水生产时回收粗粉,石灰石粉,硅 粉,细骨料,粗骨料,3.17,3.17,2.71,2.26,2.58,2.62,3400,600,18000,200000,19.57,90.74,6.04,2.73,6.63,调粒水泥原料及物性表,38,代号,混合比例（%）,填充率,普通水泥,粗 粉,重质碳酸钙,硅 粉,A,100,0,0.5,B,70,30,0.57,C,70,20,10,0.55,D,70,20,10,0.55,E,70,20,5,5,0.55,调粒水泥粉体的配比、符号及填充率,39,试验代号,W/B,(%),s/a,(%),重量（kg/m,3,）,化学外加剂（B%）,含气量（%）,单位水量,水泥粉体,细骨料,粗骨料,高减水性外加剂,含气量调节剂,A25,25.0,39.6,165,660,618,950,1.8,0.008,2.0,A30,30.0,43.8,155,533,736,950,1.4,0.006,2.1,B20,20.0,33.8,165,825,482,950,2.4,0.015,2.4,B25,25.0,40.7,160,640,647,950,1.4,0.007,2.5,B30,30.0,44.7,155,517,762,950,1.4,0.006,2.2,C17.5,17.5,30.2,160,914,409,950,3.5,0.018,1.7,C20,20.0,36.3,155,776,537,950,2.4,0.012,1.1,C25,25.0,42.6,150,600,700,950,1.8,0.008,1.9,C30,30.0,46.3,145,483,812,950,1.5,0.006,2.5,D20,20.0,30.6,170,850,417,950,3.2,0.018,2.5,D25,25.0,38.7,165,660,594,950,2.3,0.012,2.8,D30,30.0,43.2,160,533,718,950,2.0,0.015,2.5,E17.5,17.5,27.0,165,943,348,950,4.0,0.028,1.9,E20,20.0,34.2,160,800,490,950,3.0,0.018,1.5,E25,25.0,41.1,155,620,658,950,2.0,0.014,2.7,E30,30.0,45.3,150,500,781,950,2.0,0.014,2.9,使用调粒水泥混凝土的配合比,40,试验代号,W/B,(%),混凝土物性,砂浆的物性,抗压强度,坍落度(cm),坍落度流动值(cm),粘度(s),屈服值(Pa),3d,7d,28d,91d,A25,25.0,26.0,61,16.1,67.5,76.5,92.7,105.3,118.3,A30,30.0,26.5,65,11.9,44.2,63.6,77.8,92.6,103.0,B20,20.0,27.0,63,24.6,91.1,77.2,93.7,110.1,117.2,B25,25.0,25.0,68,10.8,27.8,64.8,80.6,94.7,110.9,B30,30.0,26.5,64,11.9,38.3,45.6,64.5,78.6,92.4,C17.5,17.5,26.5,60,54.0,161.8,86.0,96.3,108.3,121.3,C20,20.0,-,74,18.5,17.6,86.7,95.4,109.8,122.9,C25,25.0,28.0,71,13.6,15.9,63.2,77.6,91.2,100.0,C30,30.0,25.5,59,8.9,43.5,55.0,69.7,84.2,97.2,D20,20.0,27.0,64,38.1,111.7,76.8,95.8,124.5,135.3,D25,25.0,27.5,66,17.2,41.9,58.8,80.5,107.9,127.1,D30,30.0,27.0,64,13.9,40.5,51.2,71.6,101.0,109.4,E17.5,17.5,27.0,62,59.7,158.3,82.6,99.1,125.0,133.7,E20,20.0,-,70,26.6,28.6,88.0,102.9,124.8,143.1,E25,25.0,-,68,16.5,27.4,65.9,84.5,106.8,117.1,E30,30.0,27.0,66,13.1,24.7,53.6,70.9,96.6,113.3,使用调粒水泥混凝土的性能,41,18、UHPC中的骨料,正确选择粗骨料的岩种、粒径、粒型及良好的级配是配制UHPC的重要环节。,1）不同品种粗骨料与混凝土抗压强度,42,2）粗细骨料品种与混凝土抗压强度,43,3）岩石与水泥石粘结强度,44,4）细骨料种类,与砂浆抗压强度,5）粗骨料表观密度,与混凝土抗压强度,45,6）吸水率与抗压强度,7）体积含量与抗压强度,46,8）骨料对耐久性能影响,47,9）,粒径大小的选择,如以E=4.510,4,MPa，,=10,10,3,erg/cm,2,v=0.2,潜在缺陷尺寸（椭圆形孔半径a）可以看孔是骨料的D。,D=10mm时断裂应力,10,；,D=20mm时断裂应力,20,；,20,=0.7,10,，也即骨料粒径增大断裂应力降低，故D,max,10mm的断裂应力大于,Dmax 20mm的断裂应力。,48,19、超细粉,利用超细粉与水泥之间的填充效应，使胶凝材料达到空隙率最低，得到最密实的水泥石结构。,图19-1 粒子组合与空隙率变化,49,20、高效减水剂,当前高效减水剂主要有四大类：聚羧酸系，萘系，胺基磺酸盐系及三聚氰胺系，由于功能不同，发展如20-1.,1）分类与发展,图20-1 各种高效减水剂的变迁,50,2）掺量与减水率,图20-2 各种减水剂的掺量和减水率,51,3）保塑,图20-3(1)聚羧酸高效减水剂的分子构造,52,图20-3(2)吸附基(m)与分散基(n)之比(m/n)对吸附速度的影响,图20-3(3)吸附基(m)与分散基(n)之比(m/n)对流动性经时影响,53,4）载体硫化剂与保塑,图20-4 含与不含载体硫化剂混凝土坍落度经时变化,54,UHPC,组成,材料,M1,M1Q,M2Q,B1,B1Q,B2Q,B3Q,水泥,kg/m3,900,733,832,800,630,723,580,砂0/1mm,kg/m3,1016,1008,975,440,433,425,354,玄武岩2/8,kg/m3,870,867,850,711,硅粉,kg/m3,225,230,135,200,197,118,177,钢纤维2.5voL%,kg/m3,192,192,192,192,192,192,194,石英粉,kg/m3,183,207,158,181,325,石英粉,kg/m3,131,超塑化剂,kg/m3,28.2,28.2,28.6,29.4,24.7,25.6,30.4,水,9/m3,185,161,161,166,151,157,141,（W/C）,W/B,(0.23),0.18,(0.24),0.19,(0.22),0.19,(0.23),0.18,(0.27),0.20,(0.24),0.21,(0.28),0.21,坍落度,cm,55,55,55,65,55,65,65,21、UHPC配合比,UHPC与ECC配比实例,55,UHPC配合比,胶结料：水泥+硅粉+矿渣超细粉等。高效减水剂用量为水泥质量百分数。,不同强度等级不同龄期强度,56,22、UHPC配制技术及特点,22,-1,新拌混凝土,（,1,）评价新拌混凝土两个指标,剪切力：两不同流速平行流动液体，流层间产生的内摩擦力。,结构粘度：粘性液体由于搅动作用粘性减退，停止搅动后粘性又增大；这种可变性粘度，称结构粘度。,57,（,2,）,UHPC,的流动特性,NC,与,HPC,流动特性,各种混凝土流动度性质范围,58,（3）坍落度及倒坍落度筒流下时间,塌落度损失以及倒坍落度筒流下时间倒坍落度筒流下时间反映混凝土在锥形管流动情况。,高层超高层泵送希望倒筒时间1012秒范围。倒筒时间太长（例如20秒以上），泵送困难。,例如：倒筒时间（秒）,初始 1h后,912 2025（超高泵送难）,59,（4）解决方法,单方用水量控制,聚羧酸高效减水剂,骨料品种、级配和用量,粉体效应（包括水泥品种）,60,（5）单方用水量控制,Marushima：单方用水量是评估新拌混凝土性能的一种方法。例如：W/B=0.18，Fc130Mpa的混凝土，聚羧酸系掺3.0。水150Kg/m，拌合2m混凝土，搅拌机电负荷60Kw。坍落度流动值740mm，流动值500mm时，T 810秒。,水150 Kg/m 搅拌负荷 流动 值500mm 时,T,水150 140Kg/m，搅拌机负荷60Kw 坍落度流动值500mm时T。而且坍落度损失快。,61,（6）坍落度损失控制,通过吸附基单体m与分散基单体n之比控制流动度损失。,控制聚羧酸高效减水剂中单体比值。,62,63,通过掺入糖钠与减水剂载体控制流动度损失,糖钠与载体控制坍落度损失,编号,倒筒时间（s）,坍落度（mm）,扩展度（mm）,0h,1h,2h,0h,1h,2h,0h,1h,2h,7,8,7,270,265,265,730,690,675,7,6,7.5,265,255,255,700,640,590,64,（7）粉体效应的利用（微填充效应的利用）,不同品种矿物超细粉的细度、掺量与浆体流动性（石云兴等）,1-磷渣；2-矿渣；3-沸-磷粉；4-沸-矿粉；5-沸-硅粉,W/B=0.29,NF 0.9,水泥100，浆体流动度240mm,不同超细粉水泥浆流动度,65,同品种不同细度的矿渣对UHPC流动性影响（徐文彬等）,比表面积（/Kg）,SL(mm),KJD(mm),DT(s),400,265,670/630,18.36,800,275,660/670,7.89,1000,265,630/620,8.36,W/B=0.20，C=500Kg/m，BFS=212.5，GP=12.5，SF=25，W=150Kg/m,66,不同矿物质超细粉搭配提高UHPC流动性 （冯乃谦）,粉体组合,SL(mm),KJD(mm),DT(s),C+BFS,265,650/630,18,C+BFS+SF,275,660/670,9,W/B=20,%,，,W=150Kg/m,，,C=500Kg/m，BFS,+GP,=2,50,Kg/m，,BFS,+GP+SF,=2,50,Kg/m,（SF=25）,67,22-2 UHPC早期性能,UHPC,中,W/B,，对早期和后期性能影响均大。,（,1,）,68,（2）（3）,由于W/B，水泥用量大，W/C，故造成自收缩。,69,(4),自收缩开裂及不同W/C混凝土的自收缩裂缝长度（mm/mm,2,）,70,（5）UHPC施工中注意事项,水泥用量大水化大易出现温度开裂。要控制入模,温度和温度差。,W/C混凝土泌水量相应混凝土浇注面容易,干燥而产生塑性变形开裂。浇注完后立即把浇注面,用湿草席盖上进行养护,。,71,22-3硬化混凝土性能,（,1,）强度,压缩强度（,N/mm,2,）,使用各种骨料的混凝土强度,每组左边为标养试件，右边为简易绝热养生,72,硅粉置换率与抗压强度比,73,不同骨料不同C/W强度,不同W/C不同龄期强度,不同养护条件不同龄期强度,74,强度与水灰比（水胶比）的数学模型,W/B与强度关系的线性模型 R2,f,c,（1d,MPa）=111.0-2191(w/cm)0.293,f,c,(28dMPa)=165.1-257.2(w/cm)0.535,f,c,(56d,MPa)=177.2-279.3(w/cm)0.512,W/C与强度关系的线型数学模型 R2,f,c,(1d,MPa)=151.0-311.0(w/c)0.530,f,c,(28d,MPa)=171.1-242.6(w/c)0.409,f,c,(56d,MPa)=181.7-257.7(w/c)0.366,W/B和W/C与强度关系的多重线性回归模型 R2,f,c,（1d,MPa）=156.2-65.27(w/cm)-269.5(w/c)0.546,f,c,(28d,MPa)=185.6-191.0(w/cm)-119.1(w/c)0.598,f,c,(56d,MPa)=194.8-216.7(w/cm)-107.7(w/c)0.550,75,（2）HPC、UHPC与NC相对比,所用材料对强度的影响很大；因UHPC强度往往大于骨料强度。,在UHPC和HPC中，薄弱环节是骨料与砂浆界面。,W/B=20，砂浆强度R,1。,粗骨料强度R,2,，粗骨料本身无缺陷。,R,1,R,2,，粗骨料与砂浆界面无缺陷。,在UHPC中骨料起增强作用。,骨料的体积V400L/m；D,max,=1020mm,UHPC抗压强度与抗拉强度、抗弯强度相比低于NC比值。,（R,拉,/R,压,）,UHPC,(R,拉,/R,压,）,NC,（R,弯,/R,压,）,UHPC,(R,弯,/R,压,）,NC,脆性增大,76,（,3,）耐久性,硅粉置换率和,CL,-,扩散深度经时变化,77,各种矿物质超细粉置换率和水渗透深度关系,78,（4）HPC和UHPC结构特点,ECC DS,P,+S+F,79,22-4经验总结,（,1,）挪威,HPC,发展成功的因素,1970,年混凝土,50Mpa,，坍落度,120mm,劳动密集,水泥 高强度,骨料 改善级配，低吸水性,化学外加剂 超塑性,硅粉 体积稳定性，强度,批量生产厂 高效率,经验 置信度高,质量保证 可预测性,1990,年混凝土强度,100Mpa,，坍落度,270mm,，可泵送，自密实。,80,（,2,）本讲座小结,1,、,DSP,的发展与应用，使,HPC,发展到,UHPC,（包括,ECC,）甚至更高的层次，使混凝土结构构件小型化、轻量化、高强度、高耐久；这是混凝土结构省资源、省能源与环境相容性的重要体现。,2,、,UHPC,配制过程中，以下方面是值得注意的：,（,1,）胶凝材料需要多组分配合，使其微观级配合理，孔隙体积降低；这样，在单方用水量相同情况下，流动性最大。（一般为水泥,+,超细矿粉,+,硅粉等）,（,2,）控制混凝土的单方用水量,C60C80,，,C100C120,，,C120,以上,160170kg/m,3,150kg/m,3,140145kg/m,3,（,3,）粗骨料要选择质地坚硬、强度高的硬质砂岩、安山岩、石灰岩等，粒径随着混凝土抗压强度提高而逐步降低。,例如：,C602025mm,C801015mm,C10010mm,细骨料一般采用中偏粗河砂，砂率随着用灰量增大而提高。,C100,以,81,上的,UHPC,，粗、细骨料的用量几乎相同。这样可以降低粗骨料的影响，提高砂浆强度。,（,4,）聚羧酸高效减水剂应具有高减水率以及控制流动性经时损失的功能。,用丙烯酸、丙烯酸酯合成的聚羧酸减水剂中的,m:n=6:4,（,m,吸附基，,n,分散基,),载体缓慢释放减水剂控制流动性损失的方法,糖钠缓凝，以控制流动性损失方法。,3,、,UHPC,的施工应用过程中注意的问题。,自收缩与自收缩开裂，塑性收缩开裂。,4,、,UHPC,进一步发展与应用,（,1,）高强度、高密实度、高耐久性模板,（,2,）清水混凝土模板,（,3,）轻质可钉、可锯的木材及各种型材,（,4,）超薄、超大跨度、超轻型结构,（,5,）抗震结构,82,谢谢听讲！,并请批评指正,本PPT由西部建设股份公司陈明宇帮助制作，对此表示衷心感谢！,83,