高性能混凝土性能

1. 高性能混凝土性能 宋少民

2. 讲 授 目 录 HPC的性能相对于传统混凝土而言当然应当是优异的。我们分以下几个方面来讨论。 • 高性能混凝土的工作性 • 高性能混凝土的体积稳定性 • 高性能混凝土的耐久性 • 高性能混凝土的力学问题 • 高性能混凝土的高温性能

3. 高性能混凝土的工作性 • 高性能混凝土的优良工作性，既包括传统混凝土拌和物工作性中的流动性、黏聚性（抗离析性）和泌水性等方面，又包括现代混凝土为适应泵送、免振等施工要求而要求的大流动性、坍落度保留好等方面。

4. 为使硬化后的混凝土具有较高的强度和密实性，与普通混凝土相比，高性能混凝土中胶凝材料用量可能增大，除水泥外，往往还要加入1-2种矿物外加剂，同时使用高效减水剂，在较低水胶比下获得高流动性，因此拌和物的黏性增大，变形需要一定的时间。为使硬化后的混凝土具有较高的强度和密实性，与普通混凝土相比，高性能混凝土中胶凝材料用量可能增大，除水泥外，往往还要加入1-2种矿物外加剂，同时使用高效减水剂，在较低水胶比下获得高流动性，因此拌和物的黏性增大，变形需要一定的时间。

5. 高性能混凝土的流变性仍近似于宾汉姆体。可以用屈服剪切应力和塑性黏度两个参数来表达其流变性能，而在实际工程中采用变形能力和变形速度来反映高性能混凝土的工作性更为合理。高性能混凝土的流变性仍近似于宾汉姆体。可以用屈服剪切应力和塑性黏度两个参数来表达其流变性能，而在实际工程中采用变形能力和变形速度来反映高性能混凝土的工作性更为合理。

7. 新拌混凝土的流变学参数 ①屈服值 用宾汉姆体描述新拌混凝土流变学特性时，屈服值（屈服应力）是最重要的参数。屈服值是使材料发生变形所需的最小应力。坍落度值越小，表明混凝土拌合物的屈服值越大，在较小的应力作用下越不易变形。 影响混凝土屈服值的主要因素有用水量和化学外加剂。

8. ②塑性黏度 是反映作用应力与流动速度之间关系的参数。坍落度大致相同，塑性黏度大，混凝土拌合物流动和变形速度慢。 胶凝材料用量多的混凝土，其塑性黏度有增大的趋向。特别是使用塑化剂减少单位体积用水量时，黏性较不掺塑化剂且坍落度相同的混凝土拌合物明显增大，造成泵压增大，可泵性变差。

9. 高性能混凝土工作性的测定方法 • 坍落度与坍落流动度 • V型漏斗试验 • U形充填性试验装置 • J-环试验 • L形流动仪及测试指标试验

22. 高掺量粉煤灰HPC的工作性比基准混凝土会有很大程度的改善和提高高掺量粉煤灰HPC的工作性比基准混凝土会有很大程度的改善和提高 高掺量粉煤灰HPC选用的粉煤灰一般属优质灰,粒度细、比表面积大、玻璃微珠含量高,能起到分散水泥颗粒絮凝体和对混凝土混合料的润滑作用。 由于优质灰烧失量小,需水量小,因而在单位用水量不变的情况下,在一定范围内随掺灰量增加,这种润滑作用大大加强,使得混合料的流动性增强,坍落度增大,坍落度损失减小。

23. 粉煤灰的细微颗粒在水泥浆体中还能较好地吸附水并扩散水层形成凝聚结构,从而限制固体颗粒下沉和水上升,减少混合料的泌水量。在一定范围内随着掺灰量增加水泥浆体中的吸附水、扩散水层和形成凝聚结构的作用加强,使混合料的泌水减少,粘聚性和保水性变好。粉煤灰的细微颗粒在水泥浆体中还能较好地吸附水并扩散水层形成凝聚结构,从而限制固体颗粒下沉和水上升,减少混合料的泌水量。在一定范围内随着掺灰量增加水泥浆体中的吸附水、扩散水层和形成凝聚结构的作用加强,使混合料的泌水减少,粘聚性和保水性变好。

24. 粉煤灰比重较水泥轻,其在高掺量粉煤灰混凝土中胶凝材料数量要比基准水泥混凝土多,而胶凝材料的浆体体积增加,将使混凝土有较好的塑性和粘性坍落度损失也会随着掺灰量增加而改善。粉煤灰比重较水泥轻,其在高掺量粉煤灰混凝土中胶凝材料数量要比基准水泥混凝土多,而胶凝材料的浆体体积增加,将使混凝土有较好的塑性和粘性坍落度损失也会随着掺灰量增加而改善。

25. 硅灰和磨细矿粉对复合胶凝材料浆体流变性能的影响硅灰和磨细矿粉对复合胶凝材料浆体流变性能的影响 • 在水泥中加入10%的硅灰可以显著增大浆体的屈服剪切应力和塑性黏度。 • 磨细矿粉对浆体的影响是屈服剪切应力明显增大,而塑性黏度显著减少。 • 掺加磨细矿粉的细度不宜过高，宜为比表面4200cm2/g-4500cm2/g 。

26. 高性能混凝土的体积稳定性 低水胶比与矿物细粉掺和料的大量掺入使高性能混凝土的硬化结构与普通混凝土有很大不同，反映在体积变化上就是自收缩大，主要发生在早期；水分向周围环境散失而引起的干燥收缩相对来说较小。强度等级高时温度收缩比较大。高性能混凝土的早期收缩大、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。

27. 由于水泥石内部的自干缩而产生的收缩.高性能混凝土的水胶比低:当低于0.3.时水泥石中的水泥不能完全水化，在凝结硬化过程中，末水化的水泥进一步水化时。吸取水泥石中毛细孔中水份。使毛细管产生自真空，在毛细管内部产生负压，从而使硬化水泥石产生自收缩。自收缩应力大于水泥石的抗拉应力时。水泥石(或混凝土)产生裂纹。水胶比越低，掺合料越细时，这种情况越严重。

28. 高性能混凝土由于自干缩并由此产生的自动收缩使混凝土产生早期裂纹，与长期的干燥收缩是不同的，必细把两者区别开来，才能了解高性能混凝土开裂的本质并采取相应的借施。自收缩主要发生在3 d内, 1d内自收缩愈大。 这种裂纹可以通过尽快地给混凝土提供附加水而得到降低。

29. 混凝土自收缩影响因素 • 水泥的矿物成分与水泥类型 水泥继续水化是自收缩的根本原因。C3A的影响最大。 • 水胶比 水胶比越低，自收缩越大。 • 矿物细粉掺和料 组成、活性、细度与自收缩大小有密切关系。 • 集料 集料起骨架作用，对限制自收缩有利。

30. 高性能混凝土自收缩的抑制措施 • 初凝后尽可能快地脱模，而且立刻用水养护混凝土的表面。 • 混凝土浇注入模后，尽快用水养护各个表面。 为了抑制自收缩必须重视早期养护,初凝后立即用内衬塑料绒钢模或透水模板供水。 • 用饱水轻质多孔集料或多孔活性细掺料进行 “自养护”。

31. 掺加粉煤灰或掺入适量的可控制膨胀速度的膨胀剂、保水外加剂和减缩剂。掺加粉煤灰或掺入适量的可控制膨胀速度的膨胀剂、保水外加剂和减缩剂。 • 选择适宜的水泥品种，尽可能选用低C3A和C4AF，高C2S的水泥。

32. 改善高强高性能混凝土收缩性能的措施 • 低掺量的钢纤维能有效阻止混凝土中裂纹的扩展，明显降低混凝土的收缩开裂趋势。 • 粉煤灰对高强高性能混凝土的收缩有明显的降低作用，抗开裂能力明显提高。 • UEA-H膨胀剂掺量为6-8%时，能够起到很好的补偿收缩效果。 • 减缩剂SRA的掺量为2%时高强高性能混凝土的3天和28天总收缩分别减少41%和27%。

33. 高性能混凝土的耐久性 • 混凝土的耐久性是它暴露在使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能力。混凝土的耐久性是一个综合性概念，它包括的内容很多，如抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化性、抗碱集料反应、抗氯离子渗透等方面。

34. 随着高性能混凝土的发展，人们越来越来重视混凝土的耐久性，耐久性指标成为混凝土配合比设计的重要指标之一。随着高性能混凝土的发展，人们越来越来重视混凝土的耐久性，耐久性指标成为混凝土配合比设计的重要指标之一。 • 黄士元先生指出：高性能混凝土的耐久性是针对具体环境的耐久性。

35. 混凝土的抗冻性能 • 冻融破坏机理： 混凝土是多孔材料，若内部含水，水在负温下体积膨胀约9％，而水泥浆体和骨料在低温下收缩，以致水分接触位置将膨胀，而融解时体积又将收缩，在这种冻融循环作用下，混凝土结构受到结冰体积膨胀造成的静水压力和因冰水蒸汽压的差别推动未冻结水向冻结区迁移所造成的渗透压力，当这两种压力所产生的内应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝，多次冻融循环使裂缝不断扩展直到破坏。

36. 抗冻性试验方法 • 快冻法和慢冻法是目前国际上同时存在的两种混凝土抗冻性检测方法。美国、日本、加拿大等国采用快冻法，而东欧国家仍采用慢冻法。我国在20世纪50 ～60年代采用慢冻法，60年代中后期水工、港工部门相继开展了快冻法的试验研究，目前港工和水工部门直接采用快冻法，并列入了部颁混凝土试验规程(JTJ 225—87和DL/T5150—2001)

37. 慢冻法 • 试件在标准条件下养护28d，并在达到规定龄期前4d要将冻融试件放入15 ～20℃的水中浸泡，而对比试件仍在标准养护室中养护。慢冻法的循环制度是于规定温度下在冷冻箱的空气中冻结4h(冻结温度为-15 ～ -20℃)，然后取出在恒温水槽中融4h，一冻一融为一个循环。 • 试件尺寸： 100mm×100mm×100mm

38. 快冻法 • 养护28d，试验前泡水4d。快冻法的冻融温度均以试件中心温度为准，冻结温度为-15～-17℃，融化温度为5 ～8℃，一个冻融循环为2 ～4h。试件在冻融过程中，均在饱水状态下进行。 • 试件尺寸： 100mm×100mm×400mm

39. 慢冻法存在的不足之处： • (1)试验周期长，一个循环至少8h，一般要10h左右； • (2)试验工作量大，由于慢冻法采用抗压强度作评定指标，因此试验时按规定要成型较多的试件，包括冻融试件和对比试件，加之慢冻法基本是人工操作，人员昼夜值班，因此试验工作量很大。

40. (3)试验误差大，失重率是慢冻法的一个评定指标，但试验中往往出现随冻融循环的增加试件质量反而增大的情况，有时甚至强度损失率达25％时，失重率仍为负值。而且慢冻试件的基准试件不是一组，而是一批试件，成型过程中试件强度的误差就直接影响对比结果。因此在试验过程中，强度损失率也出现忽高忽低的情况，使试验结果难于处理。(3)试验误差大，失重率是慢冻法的一个评定指标，但试验中往往出现随冻融循环的增加试件质量反而增大的情况，有时甚至强度损失率达25％时，失重率仍为负值。而且慢冻试件的基准试件不是一组，而是一批试件，成型过程中试件强度的误差就直接影响对比结果。因此在试验过程中，强度损失率也出现忽高忽低的情况，使试验结果难于处理。

41. 快冻法比慢冻法有较强的冻融破坏能力，但由于两种方法采用不同的评定指标和测试方法，加之慢冻法本身试验误差较大，因此，快、慢冻之间很难找到一个较为准确的相关关系。随着混凝土耐久性要求的提高和快速冻融设备的普及，快冻法将是评定混凝土抗冻融性能更适合的方法。快冻法比慢冻法有较强的冻融破坏能力，但由于两种方法采用不同的评定指标和测试方法，加之慢冻法本身试验误差较大，因此，快、慢冻之间很难找到一个较为准确的相关关系。随着混凝土耐久性要求的提高和快速冻融设备的普及，快冻法将是评定混凝土抗冻融性能更适合的方法。

42. 混凝土抗除冰盐剥蚀性能 • 除了受冻融破坏以外，寒冷地区的混凝土还会受到除冰盐的侵蚀，导致混凝土表面粗糙，凹坑及剥落。盐类剥蚀机理通常解释为以下几点: 1) 渗透压增大导致混凝土孔隙饱和吸水度提高，结冰压增大； 2) 盐的结晶压力； 3) 盐的浓度梯度使受冻时因分层结冰产生应力差。

43. 4) 浓度大于20% 的CaCl2水溶液，当环境温度超过30℃时生成3CaO·CaCl2·15H2O复盐而溶出，而低于30℃时生成的3CaO·CaCl2·15H2O复盐消耗Ca(OH)2的同时结晶析出，使混凝土结构产生剥蚀破坏。

44. 混凝土盐冻剥蚀破坏的主要特征 • (1)破坏从表面开始，逐渐向内部发展，表面砂浆剥落、集料暴露，剥落层内部的混凝土保持坚硬完好； • (2)这种破坏非常快，少则一冬，多则数冬可产生严重剥蚀破坏；

45. (3)剥蚀表面及裂纹内可见白色粉末(NaCl晶体)； • (4)由于除冰盐渗入混凝土中后很难排掉，因此，即使是停止撒除冰盐，混凝土仍将继续破坏直至盐污染混凝土层剥蚀完为止。

46. 预防措施 • 在材料设计和施工时，须考虑如下原则和技术参数： (1)掺引气剂，建议混凝土含气量大于5％； (2)控制水胶比，建议混凝土W/C小于0.45； (3)不使用掺矿物材料量大的水泥或混凝土，特别是要禁止用掺石灰石的水泥，但建议掺适量的硅灰；

47. (4)不使用吸水率和含泥量高的集料； (5)采用现浇混凝土或自然养护的构件，尽可能少用蒸养混凝土预制构件，特别是蒸养温度高的构件； (6)不要过分振捣和抹面，合理设置排水系统，禁止冰雪融化水直接排到其他部位混凝土表面。

48. 对寒冷地区混凝土路面提出如下建议： • (1)在没有采取预防技术措施的混凝土路面上停止撒除冰盐，包括南方受冻地区； • (2)对要撒除冰盐的北方新建混凝土道路，一定要求要采取相应的综合防治技术措施，即使不撒除冰盐也要掺适量引气剂以提高路面的普通抗冻耐久性； • (3)对要撒除冰盐的桥梁，在采取防治除冰盐破坏技术措施的同时，还要采取防治钢筋锈蚀的技术措施，如降低W/C、加大保护层厚度等。

49. 上图为某实际工程中因排水设计问题造成的盐冻破坏加剧的情况。 低凹处滞留的水结冰和除冰盐使用下的反复冻结，会加剧该位置的 盐冻破坏。结构的平面部位比垂直部位更容易受到冻融破坏。无组 织排水比有组织排水更容易出现冻融破坏。

50. 不恰当的抹面会造成表层混凝土的分层和表层含气量的损失， 使其在除冰盐作用之前就可能产生层状剥落。在除冰盐作用下， 其疏松的表面层和低的含气量导致的差的盐冻抵抗能力，使此 类混凝土表现出极差的抗盐冻能力，但其本体的混凝土质量是 好的和含气量是满足规范要求的。