高性能混凝土配合比设计.ppt
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1、1/70,高性能混凝土,2/70,高性能混凝土的组成,水泥,水,水泥浆,石子,砂子,骨 料,新拌混凝土,100%质量比,6080%,1025%胶凝材料,2040%,68%,45%,2535%,凝结硬化,硬化混凝土,混凝土外加剂,为了改善或提高工作性,矿物外加剂,3/70,各组成材料的作用,骨 料廉价的填充材料,节省水泥用量混凝土的骨架,减小收缩,抑制裂缝的扩展传力作用降低水化热提供耐磨性,水泥润滑作用与水形成水泥浆,赋予新拌混凝土以流动性胶结作用包裹在所有骨料表面,通过水泥浆的凝结硬化,将砂、石骨料胶结成整体,形成固体,4/70,各组成材料的作用,水混凝土中的拌和水有两个作用:供水泥的水化反应
2、赋予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔(空)隙中使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性有利对渗透性、强度和耐久性不利,5/70,各组成材料的作用,外加剂化学外加剂:改善混凝土的性能缓凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢;促凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢;减水剂减少拌和需水量;引气剂在混凝土中引起封闭气孔;矿物掺合料:减少水泥用量,改善混凝土性能粉煤灰硅灰矿渣,6/70,7/70,第一章 绪论,第四节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化,8/70,高性能混凝土是指采用常规材料和生产
3、工艺,能保证混凝土结构所要求的各项力学性能,并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。,高性能混凝土拌和物配制的目标,9/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,耐久性 高性能混凝土配制的目标主要是耐久性,而用于承重结构,则强度应满足不同构件的要求。换句话说,不论设计强度是多少,首先应满足结构耐久性的要求。如混凝土结构一旦侵蚀破坏,会造成巨大损失。,10/70,我国危桥数量急剧增加,时 间(年),危 桥 数 量(座),桥 梁 里 程(延米),2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,1990,1991,1992,1993,1994,1995,19
4、96,1997,1998,1999,2000,2001,2002,2003,2004,2005,1.0E+05,2.0E+05,3.0E+05,4.0E+05,5.0E+05,6.0E+05,危桥总数,危桥总延米,交通部统计图,高性能混凝土拌和物配制的目标,11/70,干燥收缩和碳化反应产生类似的裂缝!,高性能混凝土拌和物配制的目标,12/70,结晶肿胀导致裂缝产生!,高性能混凝土拌和物配制的目标,13/70,桥塔支柱上的纵向裂缝,14/70,梁上的纵向裂缝,15/70,钢筋锈蚀导致裂缝产生!,16/70,硫酸盐侵蚀导致裂缝产生!,17/70,18/70,北京西直门桥混凝土裂化实例,高性能混凝
5、土拌和物配制的目标,19/70,国家可持续发展战略,性能,耐久性,使用寿命,混凝土结构服役寿命,美国学者Setter的五倍定律:节省1美元,多追加5美元(钢筋锈蚀),多追加维护费用25美元(开裂),多追加维护费用125美元(严重破坏):放大效应,以武汉长江隧道工程为例,工程总投资20.5亿元,如果工程主要结构构件管片的使用寿命提高50,将产生巨大的社会经济效益,高性能混凝土拌和物配制的目标,20/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,作 用:结构骨架和防水主体,最重要和最关键的衬砌结构构件性能要求:强度和抗渗性,耐久性和防火性能成 本:管片制作与安装费用占隧道工程造价2030,21/70,HIL
6、S 功能/结构一体化设计示意图,高性能混凝土拌和物配制的目标,22/70,HILS实物模拟图,高性能混凝土拌和物配制的目标,23/70,压印模具 压印效果,界面强化工艺,高性能混凝土拌和物配制的目标,24/70,抗渗试验,三环拼装,三环拼装,HILS组装,高性能混凝土拌和物配制的目标,25/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,混凝土渗透性是影响混凝土耐久性重要指标,与混凝土的内部结构有关,影响因素包括拌和物的均匀性、稳定性,以及硬化混凝土的密实度、中心质网络的形成、界面结构、尺寸稳定性和所用原料的品质等。,26/70,高性能混凝土拌和物配制的目标,一般来说,只要保证成型密实、均匀、硬化后无原始
7、裂缝,强度高的混凝土密实度也高;目前使用的各种矿物细粉料和减水剂,均可以使强度不高的高性能混凝土水灰比降低,同时满足工作性要求,而成型密实;为避免由于温度应力而产生裂缝,要尽量降低水泥水化热和混凝土内部的温升;从原材料的选择和配合比上还要尽量降低混凝土的干缩,防止开裂。,27/70,2.强 度,强度是建筑设计和混凝土配合比设计的主要依据。高强混凝土具有减小高层建筑底层柱和大跨度桥梁等构件的断面、降低结构物自重、扩大使用面积等优势。混凝土强度很高时,结构延性的问题就变得突出,必须改变现有结构体系。,高性能混凝土拌和物配制的目标,28/70,2、强 度,影响强度和密实度的主要因素是水胶比、胶凝材料
8、。受界面的影响,粗集料粒径、砂率和浆体数量也会对强度有所影响。,高性能混凝土拌和物配制的目标,29/70,现代混凝土的两大特点:,长距离运输、高流态输送,高性能混凝土拌和物配制的目标,3.工作性,30/70,3.工作性 高性能混凝土拌和物的工作是保证混凝土浇筑质量的关键。高性能混凝土拌和物具有高流动性、可泵性。若用坍落度来表示,则其坍落度应大于180mm;要求免振时,坍落度应大于250mm。拌和物应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性;为了保证施工的质量,在配料时还要考虑减小流动性的损失。,高性能混凝土拌和物配制的目标,31/70,3.工作性影响高性能混凝土拌和物工作性的因素:水灰比胶凝材料种类
9、及用量砂率集料级配外加剂品种及用量等。,高性能混凝土拌和物配制的目标,32/70,第一章 绪论,第四节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土拌和物配制的目标高性能混凝土拌和物配合比参数的选择确定高性能混凝土拌和物配合比的方法高性能混凝土配合比设计的计算机化,33/70,与强度的相关性;灰水比一经确定,不能随意变动。,可塑状态混凝土总体积为水、胶凝材料、砂、石的密实体积之和。,在灰水比固定、原材料一定的情况下,使用满足工作性的最小用水量(即最小的浆体量),可得到体积稳定的、经济的混凝土。,为降低混凝土的温升、提供混凝土抗环境因素侵蚀的能力,在满足混凝土早期强度要求的前提下,应尽可能减少胶凝材料中的
10、水泥用量。,一、混凝土配合比法则(吴中伟1955提出的,高性能混凝土仍然适用),高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,34/70,二、配制强度,按下式确定试配强度 fcu,o fcu,k+3 式中:fcu,o混凝土试配强度(MPa)fcu,k设计强度标准值(MPa)标准差(商品混凝土搅拌站=4.5 MPa),高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,35/70,三、配合比参数的选择,高性能混凝土中由于掺入了高效减水剂和活性矿物掺合料,使得用于描述其强度与水胶比之间关系的强度公式成为一个技术关键。,在北美,普遍采用Abrams水灰比定理。对纯水泥混凝土,水灰比与强度之间的反比关系以下式表示:,f混凝土的
11、抗压强度;X水灰比(体积比);K1,K2实验参数,其大小取决于除水灰比之外的其它因素,如原材料性能,实验龄期以及所采用的度量单位等,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,36/70,Abrams公式描述了在混凝土原材料,特别是水泥确定的条件下混凝土强度与其水灰比之间的关系。对不同的原材料,将存在不同的K1、K2值。当部分水泥被掺合料取代后,Abrams公式同样适用,只不过需将公式中的水灰比改为水胶比,这一推广的前提条件是胶结料的组成比例固定不变。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,37/70,法国F.de.Larrard等将Feret公式进行推广,得到如下的混凝土强度公式:,式中f28c混凝土
12、28天圆柱体特征抗压强度;KG 集料类型决定的系数;RC 水泥强度,即由份砂、份水泥、半份水(重量比)制成的砂浆的28天强度;A 每方混凝土中引入的空气体积(升);(0.5)火山灰性系数;K2=0.2LF/C(0.07)填充料活性系数;W,C,PFA,SF,LF和BFS分别为混凝土中水,水泥,粉煤灰,硅粉,石灰石微填料和矿渣的含量。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,推广后的Feret式假定等量的矿渣和水泥将具有同样的28天强度效应,实际上,这种假设在大多数情况下是不合适的,即BSF前面的系数不为,甚至为一变量,其大小与所用矿渣、水泥的性质以及矿渣的掺量有关。,38/70,澳大利亚Ken W
13、.Day在他的混凝土配比设计系统中采用如下强度公式:,式中 混凝土的含气量(%),当混凝土强度,水泥用量在一定范围内(一般小于550kg/m3)时采用第一表达式,而在此范围之外时,采用第二表达式,这主要是由于混凝土强度并不随水泥用量的增大而无限制地提高。当水泥种类改变时,他采用强度修正系数以考虑强度的变化。,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,当掺入活性矿物掺合料时,他采用“等效水泥用量(Ceq)”以取代上述表达式中的C:式中 Ceq等效水泥用量;C实际水泥用量;C1等掺合料的用量;K1等由实验得到的系数,一般地,对粉煤灰为0.9-1.2;对矿渣为0.9-1.2;对硅粉为3-4。实际上,对某种
14、确定的掺合料,K1等系数不仅随掺合料的性质而变化,而且随掺合料用量,混凝土龄期等的变化而变化。,39/70,为和我国的技术规定JGS55相衔接,欧阳东采用Bolomey公式来发展含掺合料因素的强度公式。从水泥组成的观点来看,混凝土的掺合料可视作水泥的组成部分水泥混合材。这样六组分的混凝土系统可视作五组分的混凝土系统,其中水泥组分由原来的纯水泥(C)转换为另一种水泥B(B=C+M),在这种情形下,Bolomey强度公式对此系统适用,此时Bolomey强度公式:,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,40/70,(x)数据最好的取得途径则是:在掺合料成为规格化的商品之后,(x)(按不同水泥类别分别测
15、试)作为最重要的参数之一,由掺合料的制造商提供。,式中(x)称之为掺合料强度效应函数,x是掺合料的掺量。当配制混凝土的水泥品种稳定,水灰比变化不大时,(x)主要与掺合料的品种、质量和掺量有关,当对于某一特定的掺合料,(x)是掺量(x)的函数,此时,积累的(x)数据可以长期使用,也可以与使用同类型水泥、掺合料的其他人共享。,水胶比宜0.38,高性能混凝土拌和物配合比参数的选择,41/70,基本参数,单方混凝土用水量宜175 kg/m3。胶凝材料总量宜为300 kg/m3550 kg/m3,其中矿物微细粉用量宜胶凝材料总量的30%。砂率宜为37%44%。高效减水剂掺量根据坍落度要求而定。,高性能混
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