高性能混凝土的研究与发展现状材料学专业.doc

中文题目 高性能混凝土的研究与发展现状 高性能混凝土的研究与发展现状 摘 要 随着我国改革开放和现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。在众多的土木工程建设中，混凝土的应用面之广，使用次数之多是很少见的。尤其中近年来，一种较新的混凝土技术正在快速发展并且运用到许多实际工程项目中，那就是高性能混凝土。 高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC) 由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程。 本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，列举了高性能混凝土在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。随着我国建筑向高层化、大型化、现代化的发展，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。 关键词：高性能混凝土；耐久性；体积稳定性 目 录 引 言 1 一、高性能混凝土产生的背景和研究现状 1 （一）背景 1 （二）研究现状及发展方向 2 二、高性能混凝土的性能研究和应用分析 2 （一）高性能混凝土的概念 2 （二）高性能混凝土的性能 3 （三）高性能混凝土发展和应用中所面临的问题 3 三、高性能混凝土质量与施工控制 4 （一）高性能混凝土原材料及其选用 4 （二）配合比设计控制要点 5 1.设计思路有很大区别 5 2.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例 6 3.含气量的要求 6 4.电通量指标 6 （三）高性能混凝土的施工控制 6 四、高性能混凝土的特点 7 （一）高耐久性能 7 （二）高工作性能 8 （三）其它 8 五、绿色高性能混凝土 8 （一）研发绿色高性能混凝土的必要性 8 （二）绿色高性能混凝土的可行性 9 （三）绿色高性能混凝土的发展 9 六、高性能混凝土的发展前景 10 七、结 论 10 参考文献 11 致 谢 12 引 言 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，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此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。 高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。 一、高性能混凝土产生的背景和研究现状 （一）背景 当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求;处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果;原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然材料及工业废渣保护环境, 走可持续发展的道路, 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。 混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0.6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1.5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。 因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。 （二）研究现状及发展方向 针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。从20世纪80年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。进入20世纪90后代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向： (1)绿色高性能混凝土 水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。 (2)超高性能混凝土 超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（Reactive Powder con-crete,RPC）,其特点是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。 (3)智能混凝土 智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。 二、高性能混凝土的性能研究和应用分析 （一）高性能混凝土的概念 高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。 （二）高性能混凝土的性能 与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能： 1.耐久性。高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。 2.工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。 3.力学性能。由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。 4.体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。 5.经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究 发现用C110~C137的高性能混凝土替代C40~C60的混凝土，可以节约15%~25%的钢材和30%~70%的水泥。虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起来说，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。 （三）高性能混凝土发展和应用中所面临的问题 在高性能混凝土的应用过程中也存在一些问题，在高性能混凝土的原材料方面，我国水泥质量不稳定，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。在高性能混凝土的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使HPC的密实性和质量不稳定；在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使混凝土表面产生裂缝，这对HPC的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀创造可能；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。 三、高性能混凝土质量与施工控制 （一）高性能混凝土原材料及其选用 1.细集料。细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响,一般情况下,砂子越粗,混凝土的强度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂,对于C80～C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。 2.粗集料。高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石,级配符合规范要求。由于高性能混凝土要求强度较高,就必须使粗集料具有足够高的强度,一般粗集料强度应为混凝土强度的115倍～210倍或控制压碎指标值＞10﹪。