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            高性能混凝土的研究與發展方向

             摘要

            隨著我國改革開放加上現代化技術的加速發展,我們國家建筑的規模也在逐漸加大。如何保證我們建筑的項目有優良的質量和長期的安全性,就吸引了政府和各級社會主管部門的重視。在許多土建工程項目中,混凝土的用量非常大。尤其是最近這些年,依托新的混凝土技術的發展,新型混凝土就被應用于越來越多的實際建筑項目中了,新性能混凝土也就是高性能混凝土。本文中,介紹了高性能混凝土的發展歷程,在國內外的發展程度,還有現狀。根據混凝土的物理化學性質,分析了高強度混凝土的特點,論述了高強度混凝土在國內外的一些研究成果和發展的程度。隨著中國高層、大規模、現代化建筑物的建設,高強度混凝土在新世紀會成為非常重要的建筑材料。

             關鍵詞:高性能混凝土;耐久性;體積穩定性ABSTRACT

            第1章引言

            從1824年波特蘭水泥生產到現在,已經有將近200年的時間了。以水泥作為主要成分的混凝土也經歷了兩個世紀的發展與進步,從最開始的普通混凝土到現在的高強度混凝土,質量變得越來越好,同時生產的過程對環境的破壞程度越來越低。所以,最近的100多年,混凝土被廣泛應用于各種建筑工程項目中,比如人們的住房建筑,公路鋪設,橋梁架設等等?;炷磷鳛楹芏嘟ㄖ镏杏昧孔畲蟮慕ㄖ牧?,混凝土的消耗量是非常巨大的。根據相關數據記載,近些年,我國混凝土每年的用量大約為110立方米,并且,隨著人們生活水平的不斷提高,住房需求不斷提升,這就加快了我國城市化的建設,隨著城市化的擴大,水泥的用量在成倍數增長。在這個過程中,混凝土也在不斷進步,不斷發展。由于混凝土要用于一些比較重要的建筑,那么安全性,穩定性,能保持多久,就顯得尤為重要。所以,高性能混凝土的研究必然會繼續發展。

            第2章高性能混凝土產生的背景和研究現狀

              2.1背景

            隨著社會的不斷發展,出現了很多的超高層建筑,長距離的公路建設,水下施工工程,還有一些要求更加嚴格的軍事工程。這樣,對混凝土的質量要求就更高了。在追求品質與效率的同時,面臨比較惡劣的自然環境,有的傳統建筑就出現了質量老化,結構損壞,甚至出現了一些惡性事件。生產水泥的過程,需要開采一些必要的生產原材料,這樣就破壞了自然環境,影響了生態平衡,這不符合可持續發展的原則。所以,我們的研發思路是,在提高混凝土質量的同時,節約資源,減少對自然環境的破壞。合理利用工業廢棄物,變廢為寶。而高性能混凝土的研發和發展,剛好符合這個大方向。這就是高性能混凝土產生并且不斷發展的現實背景。

            在一個建筑物中,混凝土是人工材料應用最多的一種建筑用料。那么,混凝土制作過程中,對自然環境的破壞就必須被重視。傳統的混凝土的原料全部來自天然資源,制備10噸水泥需要沙子15噸以上,清水6噸以上,石頭13噸以上。想要生產1噸波特蘭水泥,就得消耗1.5噸石灰巖,同時還需要大量煤和電能源,排放1噸二氧化碳氣體。長此以往,地球的溫室效應會加重,影響大氣氣候。由于制備混凝土消耗了大量的砂礫,導致很多地區的砂石開采過

            度,造成了地形,地貌的嚴重破壞。同時,也嚴重影響當地的農業生產。隨著城市現代化建設,老舊建筑為的改造,勢必會拆除一些老舊建筑物,這些被拆掉的混凝土又成了工業廢料,對環境造成了一定的威脅。

            所以,未來的混凝土研發應充分考慮廢棄物混凝土資源的再利用,從根本上節約水泥的原料得使用,以各種工業廢棄物為原料,更多地資源重復利用。將來的混凝土應具有高性能,特別需要耐久性。意味著節約耐久性和強度兩方面的資源。在這個背景下生產“高性能混凝土”。

             2.2研究現狀及發展方向

            考慮到混凝土的早期退化,發達國家在1980年代中期開始了以提高受到世界政府關注的混凝土材料的耐久性為目的的“高性能混凝土”的開發和研究的高潮[2]。上個世界80年代以后,人們越來越重視混凝土的強度,和耐久性,尤其是耐久性,更是被推上了一個新的重視地位。研發人員,通過各種不同的環境,建筑材料損失的程度及側重點,做了各種大量的實驗,并不斷改進,從而使水泥的耐久性不斷提高?,F代建筑物的質量也越開越高。當代,高性能混凝土的研究方向大概在以下幾個方面。

             2.2.1綠色高性能混凝土

            水泥混凝土是人們加工而成的材料。它消耗了很多自然資源和能源量,破壞了自然環境。這樣,一款高性能,并且綠色環保得混凝土研發就顯得尤為迫切。這就是綠色高性能混凝土。綠色高性能混凝土的普及很大程度降低了傳統水泥硬化階段產生的中和熱,這就提高了混凝的強度。并且,節約水泥原料,減小對自然環境的破壞是綠色高性能混凝土的突出特色。

             2.2.2超高性能混凝土

            超高性能混凝土如反應性粉末混凝土(rpc)具有高強度,壓縮強度和高致密性,高達300mpa。那個在軍隊、核電站和其他特別的項目中被很好地使用了。

             2.2.3智能混凝土

            所謂智能混凝土,就是在混凝土原始成分的基礎上,加上了一些智能成分,從而使混凝土成為一種多功能材料。具體的智能,多功能體現在哪些方面呢?比如,智能混凝土可以感知環境的變化,面對不同的環境,對自身做出一定的調節反應,以適應當前環境。之恩混凝土的自我識別,環境感知,自我診斷,自我控制等功能的出現和完善,都是智能混凝土以后的研究重點。

             第3章高性能混凝土的性能研究和應用分析

            ? ? ? 3.1高性能混凝土的概念

            高性能混凝土是最近二十年左右開始研發的一種新型混凝土。歐洲混凝土協會和國際預應力混凝土協會在日

            本,高流動自我填充混凝土(即無振動混凝土)被稱為HPC的中國土木學會的高強度高性能混凝土委員會作為基本要求,HPC定義為耐久性和可持續性的開發和適合混凝土生產和建設的混凝土[3]。不同的地域,不同的學者和不同的技術人員對高性能混凝土有著不同的認識。例如,美國的學者更注重高強度和體積穩定性,歐洲的學者則更注重水泥地耐用性,但是呢日本的學者則更多地注重比較高地實用性。但是,他們的基本特點是耐久性高。3.2高性能混凝土的性能

             3.2.1耐久性

            超塑劑和礦物超微粉末的組合可以有效減少水的消耗,縮減混凝土中的間隙,這樣就可以使混凝土的結構保持五十到一百年的安全穩定。這就大大提高了高性能混凝土的耐久性。3.2.2工作性

            評價混凝土和易性的一個重要指標是褪色實驗。高性能混凝土具有自我控制功能。收到碾壓時,高性能混凝土具有粘度大、粗骨架沉降速度慢、沉降距離短、穩定性好、碾壓時間均勻的特點。另一方面,水灰低,含水率低,高性能混凝土的超細粉體基本上沒有稀釋淡化現象。水泥漿的粘度大,偏析少。

             3.2.3力學性能

            混凝土是多種材料混合而成,并不是一種穩定的溶劑。它的強度會收到很多因素的影響。比如水灰比就會在很大程度上影響混凝土的強度。但是水灰比并非越大越好。不同的建筑物,不同的施工環境,不同的施工季節,對水灰比的要求都會不一樣。傳統的混凝土,改變水灰比的時候,混凝土的抗壓強度就會隨之變化。而高性能混凝土有一定的自我調節能力,可以緩解水灰比變化引起的抗壓程度的變化。同時,高性能混凝土在制作的過程中,還加入了一定的礦物材料,這些礦物材料可以填補水泥顆粒之間的縫隙,改變了接觸面的物理結構,這也就提高了混凝土的密實度,同時強度也就提高了。

             3.2.4體積穩定性

            混凝土在剛施工完,到早期硬化,再到最終硬化的過程,體積會發生很大的變化。而高性能混凝土的體積穩定性就比較好,即混凝土在早期硬化階段水化熱比較低,所以,在后期收縮階段,收縮變形引起的體積變化就不大。這既是體積穩定性。

             3.2.5經濟性

            高性能混凝土還具有比較高的經濟性。這是由它的基礎性質,強度高,耐久性強而決定的。由于高性能混凝土具有很高的耐久性,那么,用高性能混凝土建造成的建筑物,就結實耐用,使用壽命也很長,并且不容易出故障,維修成本就降低了。這就高性能混凝土的經濟性。相關研究表明在同一個建筑工程中,把碳60的混凝土,換成碳110碳137高性能混凝土可節約鋼材15%~25%,節約水泥30%~70%。高性能混凝土雖然自身的價格比較高,但同時質量也高,相同的工程量用量也少,所以綜合來看,還是節約成本的。

             第4章高性能混凝土發展和應用中所面臨的問題

            高性能混凝土在生產和應用推廣方面確實也存在一些問題。首先是生產過程中,原材料方面,粗骨料質量普遍比較差,同時細骨料的細化比又不足夠滿足要求。在這方面,我國仍然缺乏一些比較實用性強的統一的規范。其次,就是在施工過程中,施工人員的技術良莠不齊,又缺乏統一規范的技術培訓,導致在實際施工的過程中,技術手段不成熟,維護措施不到位,而使高性能混凝土的強度和密實度沒有得到充分的發揮。再次,關于高強度混凝土的研究,很多是在實驗室取得的數據,而在自然環境中,環境的溫度,濕度,風速,都是不斷變化的,這也導致在實際應用中,高強度混凝土取得的實際成績還是和實驗數據有一定的差異。從高強度混凝土的耐久性來看,高性能混凝土微管中的水分蒸發和凝結引起的體積收縮會在混凝土表面產生一定裂縫,這不利于氯離子的擴散,而氯離子可以防止碳化、抗凍融循環。高性能混凝土水泥用量高,水灰比低。硬化后,水會進入水中很長一段時間,水會通過微管擴散到內部。未水化的水泥顆粒將進一步水化,產生微膨脹,這也為混凝土表面的裂縫和各種有害介質的滲

            透提供了通道。在高性能混凝土的設計中,會產生氯離子侵入、堿-骨反應和鋼筋腐蝕的可能性,混凝土的強度折減比普通混凝土小且易碎,需要特別注意。

             第5章高性能混凝土質量與施工控制5.1高性能混凝土原材料及其選用

              5.1.1細集料

            細骨料必須是堅硬、干凈、傾斜的天然介質和粗大的河沙,它的質量要符合普通混凝土對砂礫的規范要求。沙子的厚度會在很大程度上影響混凝土的強度。一般情況,沙子的直徑越大,混凝土的強度也越大。為了攪拌強度在C50~C80混凝土砂,應該選擇纖維系數在2.3以上的中間砂,而對于強度在C80~C100混凝土砂則應該選擇纖維系數在2.6以上的細密率的中沙或者粗砂。

             5.1.2粗集料

            高性能混凝土必須在高強度、低水吸收等方面使用粗大的骨料。硬砂巖、石灰巖、花崗巖、玄武巖礫,選擇粗面、三角形、低針片狀的含量,達到等級。另外,粗骨料也要注意骨料的粒度、粒度、巖石的種類。一般來說,采用連續等級,特別是格調好的石灰巖砂石,粗糙面。粗骨料的線膨脹系數要盡可能小,這樣可以大大降低溫度應力的影響,混凝土的體積穩定性就會越高。

            5.1.3細摻合料

            在高性能混凝土的制備過程中,適當加入一些活性物質可以在一定程度上提高水泥的流動性,在水泥充分硬化后,強度也就在很大程度上提高了。并且,加入活性物質的過程,也改善了水泥中骨料之間的接觸面的機構,增加了混凝土的不透明度,耐久性延長。高性能混凝土中常用的活性細摻合料包括油炸粉、碎礦渣粉、硅灰、天然沸石粉等。粉煤灰是火力發電廠燃煤鍋爐排放的煙道灰??梢杂行Ц纳苹炷恋牟煌杆?,大大提高混凝土混合物的施工性[4]。大量的騰空混凝土對環境保護和資源保護也有很大意義。為了制備高性能的混凝土,必須使用低碳含量,低純度,低水需求的飛灰。

            5.1.4減水劑及緩凝劑

            由于高性能混凝土的高強度和一般混凝土混合物的大蕭條(約15-20cm),所以在低水結合劑比(通常為&lt;0.

            35)的一般條件下,使用高效的水減速裝置使混凝土大幅下降,水的還原率必須在20%以上。另外,為了減少混凝土塌陷的損失,也可以在減速劑中添加添加添加成分。而且,高性能混凝土具有比較低的水結合性,水泥顆粒間的間距就比較小,這樣就有少量離子可以自由進入溶液,還原劑對水泥的適應性很敏感。由于在建設過程中用泵抽水最高性能的混凝土,所以添加水還原劑后混凝土混合物的塌陷損失不會太快或太大。

             5.1.5礦物摻合料

            (1)飛灰是從鍋爐煙道氣中提取的微粉炭,被稱為飛灰。那個粒子主要是球形的,表面光滑。許多實施方式表明,與飛灰混合的混凝土的長期性能大大提高?;炷林酗w灰的主要功能包括以下兩點:①填充聚集體粒子的間隙

            ②可物理分散水泥顆粒并均勻分散③在骨料顆粒周圍聚集的飛灰和氫氧化鈣晶體之間的溶膠反應生成具有水泥性質的產物,強化弱的過渡帶,在改善混凝土性質上起著重要作用④騰空球延緩了中和速度⑤減少混凝土的溫度裂紋風險,減少由非常有益的水合熱引起的混凝土的溫度上升,并且可以通過加速聚苯乙烯反應增加28d強度。

             5.2配合比設計控制要點

              5.2.1設計思路有很大區別

            過去,是采用分配設計的方法,也就是通過工程中對混凝土強度登記的要求來確定水和灰之間的比例。在現在建筑中,水泥的水灰比并不是一個固定的值,而是根據實際的建筑工程的具體情況,來確定的一個動態的數值。比如,特殊隧道的修建和反拱設計強度的施工等水泥的強度要求會大于普通建筑。

             5.2.2膠凝材料用量及粉煤灰所占比例

            在混凝土的攪拌過程中,為了保證混凝土的穩定性,就需要加入一定的摻合料。比如,粉煤灰,礦渣材料等等。鐵路客運專線大力提倡將粉煤灰、礦渣粉等無機混合物與普通硅酸鹽水泥一起用作水泥材料。礦物混合材料如粉煤灰的使用不僅降低了水泥的生產成本,還提高了水泥的性能。首先,應提高混凝土的耐堿性和抗氯離子侵蝕性。國內外研究表明,當粉煤灰摻量大于20%時,混凝土的耐久性得到很好的提高[5]。更多的研究數據表明,飛灰色的最大含量達到約50%。一般來說,水泥混和材料的含量不到水泥材料總量的20%,這在鐵路混凝土結構物耐用性設計的中間規定中明確規定。當超過30%時,混凝土的水結合率不超過0.45。

             5.2.3含氣量的要求

            含氣量也是高強度混凝土和過去常用地普通混凝土地一個很常見地區別。過去,如果一個正在建筑地項目有防凍要求,比如冬季施工,就會在混凝土地制作過程中適當增加含氣量,也就是摻入更多的空氣。在混凝土中摻入一定量的空氣,不僅使混凝土更加抗凍,有利于冬季施工,還大大增加了混凝土的穩定性。所以,規定即使在制造防凍混凝土時,客運專線的風量也不受限制2%以下,而是建設品質管理所需的檢查事項之一。為了適當增加混凝土的空氣含量,并獲得更好的水還原和塑料存儲效果,可以使用新的聚羧酸鹽還原劑。

            5.2.4電通量指標

            這個指標對于旅客專用線的混凝土耐久性來說是最重要和特別的指標。目前影響混凝土緊湊性的最重要因素混凝土的緊湊性。以前,混凝土的密實度用混凝土的抗滲性來評價。但是抗滲性實驗在測定低強度混凝土的實驗中比較好用。當混凝土的強度超過碳三十的時候,水泥地不透明程度已經很強了,這就很難繼續測試了。這是電化學指標取代不透水標志作為混凝土耐久性控制的主要原因?;炷恋牧髁恐饕Q于水膠比。這條規則可以通過許多測試獲得。一般來說,當水粘結劑比小于0.5時,基本上可以滿足少于2000的助焊劑要求,而當水粘結劑比小于0.45時,基本上可以滿足少于1500的助焊劑要求。

            5.3高性能混凝土的施工控制

              5.3.1攪拌

            混凝土各種原材料的配比要嚴格按設計規范,計量的最大允許偏差比如符合有關規范的要求。原材料必須用電子測量裝置測量?;旌蠒r間不滿2分鐘,不超過3分鐘。在高溫和寒冷期混合混凝土時,為了使混凝土的成型溫度符合規則,有必要采取有效的控制原料溫度的對策。5.3.2運輸

            為了確保運輸過程中混凝土的均勻性,采取了有效措施,各種工作性能指數沒有明顯波動。為了防止當地混凝土的溫度上升(夏天)或結冰(冬天),必須對運輸裝置采取絕熱對策。運輸容器應采取適當措施,防止水分混入或蒸發。

            5.3.3澆筑

            (1)在將混凝土裝入模具之前,使用特殊設備測量溫度、跌落、空氣量、水結合率、橋接率及混凝土的其他加工性,只有混合性能符合設計或調配要求的混凝土才注入模具?;炷恋淖⑺疁囟纫话阋刂圃?-30℃(2)混凝土注入時的自由落下高度不在2m以上。超過2m支持輸送混凝土以確保沒有混凝土層分離,使用射門、裝配桶、漏斗和其他器具。3)連續注入混凝土。間隙時間不超過90分鐘。工程接頭不能寫在遺囑上。4)注水過程中新注入的混凝土與相鄰的硬化混凝土和地基工程介質之間的溫度差不在15℃以上。

            5.3.4振搗

            可以使用浸液振蕩器、安裝板振蕩器、表面板振蕩器和其他振動裝置來振動混凝土。請避免振動期間、型號、加強和嵌入部件的碰撞。當使用浸液振蕩器振動混凝土時,使用縱向振動。各點的振動時間應受到表面的泛濫或較大泡沫的影響。通常,為了避免振動,不超過30秒。如果需要將振蕩器的水平位置改變為具體的混合物,則振蕩器在垂直方向上緩慢地被提取,并且最初緩慢地移動到新的位置。振蕩器被放置在混合物中,并且不能水平拉伸。5.3.5養護

            高性能混凝土在剛澆筑完的幾天,硬度會快速加強,一般會在3天內達到設計強度的60%,在7天內達到設計強度的80%。所以說,混凝土的早期養護特別關鍵。一般來說,混凝土澆筑后,為了保持混凝土表面的濕潤性,主要采用模板養護。硬化時間不得少于14天。

             第6章高性能混凝土的發展前景

            隨著高性能混凝土的快速發展和普及應用,建筑過程對自然環境的破壞越來越嚴重。研究表明,水泥作為建筑領域最主要的原材料,根源上它是一種不可再生的資源。因此,高性能混凝土的技術核心是在一個建筑項目中減少水泥用量,減少建筑生產對自然環境的破壞。這才符合綠色施工原則??沙掷m發展不僅現在人們賴以生存的環境,而且還為子孫后代節約了資源。普及綠色高性能混凝土的研發制造與實際應用,從環保的角度看,迫在眉睫。

             結論

            有關高性能混凝土的生產,制作,配置的規范和要求的主要技術方法,本文討論了關于前期原料的選擇,還有中期的一些施工工藝要求,以及一些規范要求的理論依據。制備高性能混凝土的主要方式主要有改變原材料,改變原材料中各物質的顆粒大小,改變原材料各物質之間的分配比例,以及施工工藝方面的一些改善,例如振搗等。使用高強度混凝土不僅可以提高建筑物的質量,結實程度,還可以節約資源,減少環境污染。這樣就降低了成本,使整個工程在造價方面具有很大的競爭優勢,這就給混凝土的推廣提供了有利的條件。本文提出的設計思路具有精度高、操作方面、適用范圍廣泛等特點。用本文的方法制造的混凝土具有很多優良特點,比如和異性好,力學性能很穩定,用這種混凝土建造的建筑物,有比較好的耐久性,質量更好。所以未來,高性能混凝土技術在我國的研究和發展會非常迅速,是一個比較有前景的研究方向。

             參考文獻

            [1]吳中偉.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

            [2]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

            [3]丁大鈞.高性能混凝土及其在工程中的應用[M].北京:機械工業出版社,2007.[4]俞瑞堂.高性能混凝土的發展與展望[M].水利水電工程設計,1997.

            [5]陳肇元.等.混凝土結構耐久性設計與施工指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.[6]卞春麗,梁曉平.高性能混凝土技術特點及應用[J].ft西建筑2007,33(2):1822183.[7]陳家輝.高性能混凝土應用現狀及其前景[J]廣東土木與建筑,2000,(05).

             致謝

            這篇研究和論文在我的導師的精心照料和精心指導下完成。他的嚴肅科學態度、嚴謹的學術精神和優秀的工作作風深深感染了我,影響了我。老師不僅對我的研究給予了謹慎的指導,對我的思考和人生也給予了細心的注意。我想向老師表示真誠的感謝和敬意。也感謝一起愉快地度過畢業論文的學生。為了您的幫助和支持,我可以克服困難,一個一個地克服疑問,直到這篇論文的成功。

            論文要完成的時候,我的心情不可能平靜。從一開始就把主題順利完成,有幾個受人尊敬的老師、同學和朋友給了我無言以對的幫助。請接受我真誠的感謝!最后,我要感謝我的父母,我成長了,忍受了苦難。謝謝!

            最后,衷心感謝老師和同學。

            高性能混凝土的研究與發展方向

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