15
高性能混凝土的应用
加拿大联盟大桥
长度12.9 km，跨越诺森伯兰海峡，建于1993～1997
16
加拿大联盟大桥 Confederation Bridge, Canada
设计寿命： 100年 结构材料： 钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土 主桥梁基础：在基岩上重力基础 桥大梁： 预制混凝土箱型梁，4.5～14米高，190米长 主跨度： 44个桥墩，单跨一般长250米，共计11000米 施工方法： 预制主要的175个构件，最大重达7500吨
核电站
37
38
自密实混凝土 Self-Compacted Concrete
39
40
自密实混凝土的由来
最早由日本岗村甫教授开发成功
¾减少环境噪音 ¾节省劳动力 ¾改善混凝土浇筑质量
41
自密实混凝土的特性
强调混凝土拌合物的工作性 工作性包含：流动性
间隙通过性 抗离析性
42
7
自 密
铁路工程新材料
实
混
针对我国铁路工程建设的重大需求，围绕客运专线、
11
水 泥
矿渣
硅 灰
12
粉煤灰
2
高性能混凝土及其应用
HPC的概念最早于1990s提出； 不同的学者理解存在差异； 美国ACI:高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质
混凝土，必须采用严格的施工工艺、采用优质材料配 制的、便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度 高、具有韧性和体积稳定性等性能而耐久的混凝土， 特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的 建筑结构； 日本学者：强调高的工作性，如发展了自密实混凝土 SCC等等。
53
古典地聚合物的建筑实例
54
9
地聚合物成品
用地聚合物固化有害废物
55
56
用地聚合物做加固修补材料
57
纤维增强地聚合物复合材料
地聚合物＋粉煤灰＋有机纤维
16
Flexural stress (MPa)
12
8
4
FA10 FA30
FA50
FA0
0
0
4
8
12
16
20
24
Deflection (mm)
58
冲击试验结果
Steel tube concrete
63
发展
弹簧 2，E2
粘壶 η
( )( ) ( ) σ 0E2 E12 +η12ω2 E1 + E2 2 +η12ω2
ε0 =
E12 E22 +η12ω 2
Axial Stress (MPa)
tV
=
ρ
aVη − bVτ B
η = (1−η0 )e fV
τB
=τF
⎛ ⎜1 − ⎝
φ φM
⎞−m ⎟ ⎠
3.0
2.5
技术复 杂程度
初始材料与 寿命－循 产品对环 未来对混 施工费用 环费用 境的影响 凝土工业
的冲击
无宏观缺陷水泥与砂浆DSP
高
化学粘结陶瓷CBC
高
活性粉末混凝土RPC
高
自密实混凝土SCC
中
超塑化大掺量粉煤灰混凝土
低
高
高
不好
很小
高
未知
不好
很小
高
未知
不好
很小
中
未知
中
中
低
低
很好
很大
超塑化大掺量矿渣混凝土
低
45
板式无砟轨道结构充填层砂浆的难题
我国高速铁路主要采用板式无砟轨道结构型式，水泥沥 青砂浆充填层是制约其耐久性与平顺性的关键技术之一，存 在的主要难题有： ¾ 多组分的水泥沥青砂浆中各组分材料的作用及其影响规律 ¾ 使用条件下砂浆充填层的劣化过程与破坏机理 ¾ 先进、适用的水泥沥青砂浆技术性能指标体系 ¾ 适用于严寒环境下的水泥沥青砂浆及其技术是空白
2.0
1.5
1.0
0.5
应力－应变全曲线
0.0 0
5000
10000 15000 20000 25000
Axial Strainεμ()
48
8
揭示砂浆充填层劣化过程和破坏机理
劣化过程：离缝、开裂→水渗入 →碎裂 破坏机理：在列车动荷载作用下产生动 水压，充填层表面受到横向冲力，内部 缝隙受到锲力—动水压破坏理论
120 ×10-18
氯离子扩散系数m2/s 10-14
5 ×10-12
26
显
钢纤维 微
镜
砂粒
下 的
未水化水泥
RPC
27
28
29
30
5
RPC的配合比
RPC工作性
31
32
33
34
35
36
6
小梁
承受反复 冻融循环
作用
大梁承受 小梁分布
荷载
采用RPC， 荷载减小 2/3，基础 无需加强
法国 Cattenom
现有技术
术 性 能
分离度＞3％ 低温脆化
提 收缩脱空
分离度＜1％ 低温保持弹韧 填充饱满＞99％
升
实现服役寿命的延长
武广客运专线武汉综合试验段 （时速350km/h正线）
严寒地区 成高子无砟轨道试验段
工程化应用9km，运行测试结果良好
50
铁道部已批准该项成果在世界第一条严寒地区高速铁路——哈大客专 和沪宁城际等5条板式无砟轨道铁路中规模化工程应用。京沪高速铁 路工程应用的前期准备正在进行中。
研究成果为形成我国自主创新的高速铁路无砟轨道结构核 心技术体系，提供了相关理论基础与技术
47
构建了水泥乳化沥青砂浆微结构、流变与粘弹理论模型
复合胶凝体系微结构模型——沥青相连续 模型和水泥相与沥青相互穿网络模型 新拌砂浆的流变模型 硬化砂浆粘弹性体的应力－应变本构关系
沥青为连续体
E1, 弹 簧1
水泥沥青互穿网络
砂
704kg/m3
石
1029kg/m3
水
145kg/m3
减水剂
液体1742g/m3
高效减水剂
液体3076g/m3
引气剂
按要求加入
18
3
加拿大联盟大桥 Confederation Bridge, Canada
桥梁寿命： 决定于钢筋锈蚀开始时间与扩展期长短 锈蚀开始于：在钢筋表面氯离子浓度达到水泥含量的0.4%
h 不发生碱－硅酸盐 反应
21
22
桥墩混凝土:
由70％普通水泥、 25％粉煤灰和5％硅 粉组成的三组份胶 结材。
23
主桥塔混凝土:
206 米高，滑模施工. 由30％普通水泥、
64％磨细矿渣和6％硅 粉组成的三组份胶结 材。
90天龄期时混凝土 强度达到100MPa
24
4
活性粉末混凝土
Reactive Powder Concrete
«混凝土组成材料、结构与性能»
第六讲 混凝土技术进展及未来
中南大学土木工程材料研究所
1
传统混凝土面临的挑战
混凝土的使用对生态环境的影响 工程结构复杂，荷载大，所处环境严酷 混凝土结构的耐久性问题突出
2
甘肃酒泉盐渍土地基上修建的公路
采用含盐砂的混凝土路面因膨胀 而在预留的胀缝处被挤碎
离岸式码头钢筋混凝土 柱腐蚀破坏普遍严重
凝结期间加压 不加 10~50MPa
加热养护
20~90℃ 250~400℃
抗压强度MPa 170~230 500~800
60~100
抗折强度MPa 30~60 45~140
6 ~10
断裂能J/m2 2~4×(104) 0.12~4×(104) 140
弹性模量Gpa 50~60 65~75
透气性m2
2.5 ×10-18
低
低
很好
很大
阻锈剂
中
高
未知
不好
未知
环氧涂层钢筋
高
高
高
不好
未知
混凝土外表面涂层
高
高
高
不好
未知
结构阴极保护
高
高
高
不好
未知
7
8
化学外加剂在混凝土中的应用
加减水剂前
减 水 剂 的 作 用
加减水剂后
没加减水剂的水泥浆
加减水剂后的水泥浆
絮凝
分散
9
10
矿物掺合料在混凝土中的作用
形态效应 活性效应 微集料效应
改善混凝土界面过 渡区结构、增强水 化产物基体
四纵、四横
51
地聚合物 — 无机聚合物材料
52
地聚合物的工程性能
抗压强度 抗弯强度
弹模 密度 泊松比 断裂功 表面能 导热系数 比热 渗透系数(水) 收缩率 耐火温度 重金属固封效率 生产能耗 CO2 排放量
20~100 MPa 10~15MPa 50 Gpa 2.2~2.7 g/cm3 0.244 50~1500 J/m2 1.62 J/m2 0.24~0.38 w/m.K 0.7~1.0 KJ/kg 10-9 cm/s 硅酸盐水泥的 1/5~1/10 1000~1200℃ >90% 水泥的 2/5，陶瓷的 1/20，钢的 1/70，塑料的 1/150 比生产硅酸盐水泥低 80~90%
研究成果已编制5本行业技术标准，成为我国客运专线与高速铁路无砟 轨道设计与施工的指导性技术文件
《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》 《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》
研究成果为形成我国自主创 新的高速铁路无砟轨道结构 核心技术体系，提供了相关 理论基础与技术