第二部分高性能砼(HPC)一、高性能砼的概念（一）主要特点采用常规材料和生产工艺, 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、高体积稳定性和良好外观的混凝土.高性能混凝土不一定是高强混凝土.具有实用性、经济性、技术先进性和铁路适用性.（二）技术措施•优质的水泥和砂石料•掺加优质化学外加剂---减水剂,引气剂•掺加矿物掺合料---粉煤灰,矿渣粉,硅灰•低水胶比(<0.40)•限制胶凝材料总量和水泥用量;控制砼中碱含量,氯含量•严格的施工过程技术管理•力学性能、工作性能、耐久性的全面检验（三）基本原理•全面提升砼微结构三部分的质量，增加砼的密实性，削除薄弱因素，提高砼整体耐久性和强度。
•减少水泥石的孔隙率---水化硅酸钙凝胶,氢氧化钙和钙矾石晶体,未水化颗粒,其它小颗粒,毛细孔和各种孔隙.•粗细骨料的质量和级配更科学---骨料强度和表面状态,级配及在砼中所占比例.•减少骨料界面层厚度，增加其密实性---富集氢氧化钙和钙矾石结晶,界面层的密实性和厚度很重要.（四）存在问题• 1.水胶比少于0.4时,自收缩率增大,早期弹模较高,应力松弛能力降低,增加了开裂趋势.• 2.磨细矿渣(比表面大于4000) ,尤其是硅灰使砼早期收缩增加,弹模增大,应力松弛能力降低,增加了砼的开裂倾向.但粉煤灰使砼早期收缩减少,弹模也较低,可降低开裂的趋势.• 3.高性能砼的水胶比较低,掺合料较多,因此对砼的温度控制和湿养护要求更加严格,增加了施工难度和成本.二、砼原材料（一）水泥•宜用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,不宜用CA大于8%的水泥或其它早强型水泥.3•硅酸盐水泥的比表面积应300-350m2/Kg.•当骨料具有碱-硅酸反应活性或C40及以上砼时,水泥的碱含量不宜超过0.6%.•有抗硫酸盐侵蚀要求的砼,水泥熟料中A含量应不超过6%.• C3水泥矿物成份及性能S) 水化较快,强度高•硅酸三钙(C3S) 水化慢,发热量少,后期强度高•硅酸二钙(C2A) 水化很快,发热量大,强度低, •铝酸三钙(C3收缩大,耐硫酸盐侵蚀性差AF) 耐硫酸盐侵蚀性差•铁铝酸四钙(C4（二）砂石料•细骨料应选用级配合理、质地坚固、含泥量少、空隙率小的中粗砂,不宜用山砂,不得用海砂.•粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地坚固、空隙率小的洁净碎石.•粗细骨料的碱活性要经过检验,并符合有关技术要求.（三）化学外加剂1.减水剂的作用•减少砼用水量, 降低水泥石孔隙率, 改善结晶无序化. 界面孔结构; 界面Ca(OH)2过渡层减少, 水化硫铝酸钙Aft结晶尺寸减少, 界面强度提高. 因此提高砼的各项力学性能.•改善砼施工工作性能.•由于提高砼的密实性和强度, 改善砼的耐久性能.2.减水剂种类类型系列减水率普通减水剂木质磺酸钙5~12%15~30%高效减水剂萘系,密胺系,氨基磺酸系高性能减水剂聚羧酸系25~45%3.聚羧酸系减水剂优点•掺量少(0.15~0.3%), 减水率高(25~45%).•砼工作性好,坍落度损失小.•砼收缩小.•碱含量很少.•早强、缓凝、引气性可视需要复配调节.•无污染的环保产品•但与水泥和掺和料的工作度敏感性很强4.引气剂的作用•明显提高砼的抗冻性, 缓减硫酸盐腐蚀和碱骨料反应产生的膨胀应力.•有轻微减水作用, 减少表面泌水和骨料底部泌水.•改善砼的匀质性和工作性能, 尤其是明显提高可泵性.（四）矿物掺合料(粉煤灰,矿渣粉,硅灰)1.火山灰效应---低碱性CSH(C/S<1.5),晶须强度高,溶解度低,较稳定.2.二次反应---高碱性(CSH)转化为低碱性(CSH),消耗Ca(HO)2,结晶变小,界面过渡层变小,富集和取向性减少,提高水泥石界面强度.3.颗粒填充作用---水泥.矿渣.硅灰末水化颗粒大小差别大, 颗粒互相填充, 减小水泥石孔隙率, 改善次中心质和次介质的颗粒级配, 强化了中心质网络骨架.4.削减温峰作用---水化速度慢,放热总量小.5.提高耐久性---改善耐硫酸盐侵蚀性, 抑制碱骨料反应,增加密实性, 提高抗渗性和氯离子渗透性.三、砼配合比设计（一）配合比参数（二）砼拌合物性能（三）砼力学性能（四）砼的耐久性能（五）配合比设计步骤（一）配合比参数1.抗压强度等级：根据砼结构的环境类别和作用等级以及设计使用年限，查限值表可知最低强度等级。
该强度等级是耐久性强度等级，而设计强度等级要同时满足结构荷载要求的强度等级和耐久性强度等级，即取两者的较高强度等级。
2. 水胶比：查限值表满足最大水胶比限值要求。
3. 胶凝材料用量：查限值表满足最小用量要求，同时要符合最大量的限值：C30及以下砼的胶凝材料总量不宜大于400 kg/m3，C35～C40砼不宜大于450 kg/m3，C50及以上砼不宜大于500kg/m3 。
4. 矿物掺和料掺量：掺和料的品种和掺量应根据强度等级、耐久性要求、结构尺寸和施工方法进行选用，并符合有关规定。
砼中粉煤灰掺量大于30%时，砼的水胶比不得大于0.45。
预应力砼以及处于冻融环境的砼中粉煤灰的掺量不宜大于30% 。
5.不同环境下矿物掺和料用量范围（%）•环境类别矿物掺和料水胶比≤0.40 ＞0.40•碳化环境粉煤灰≤40 ≤30 •磨细矿渣粉≤50 ≤40•氯盐环境粉煤灰30~50 20~40•磨细矿渣粉40~60 30-50•化学侵蚀粉煤灰30~50 20~40•磨细矿渣粉40~60 30~50盐类结晶粉煤灰≤40 ≤30•磨细矿渣粉≤50 ≤40 冻融破坏粉煤灰≤30 ≤20•磨细矿渣粉≤40 ≤30 磨蚀环境粉煤灰≤30 ≤20 •磨细矿渣粉≤40 ≤30•注：1 本表中的掺量是指单掺一种矿物掺和料时的适宜范围。
当采用双掺时，其掺量参考本表并经过试验确定。
• 2 本表规定的矿物掺和料的用量范围仅限于使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的混凝土。
6.骨料有碱—硅酸反应：混凝土的碱含量应满足下表的规定.砂浆棒膨胀率在0.10～0.30%(预应力梁0.10-0.20%)时，除了混凝土的碱含量应满足下表的规定外，还应在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和复合外加剂，并应通过试验证明抑制有效。
使用年限一（100年）二（60年）三（30年）条件干燥环境 3.5 3.5 3.5潮湿环境 3.0 3.0 3.0含碱环境* 3.0 3.07.钢筋砼中氯离子总含量不应超过胶材总量的0.10%，预应力砼不应超过0.06%。
8.当砼有抗冻要求时，砼中应加引气剂或引气减水剂。
砼拌和物的含气量要符合有关要求，并经试验确定。
9.砼拌和物坍落度应根据施工要求确定。
（二）砼拌合物性能1.坍落度及其经时损失根据施工工艺进行设计，采用坍落度桶法进行测试.2.含气量根据抗冻性设计要求和试件的抗动性试验结果进行控制。
采用含气量测定仪测试。
3.泌水率泌水应少4.湿容重砼湿容重应为2400～2500kg/间。
5.砼入模温度：热天或冬期施工，大体积砼要加强测温。
（三）砼力学性能1、立方体抗压强度2、静力弹性模量一般可采用100×100×300或150×150×300的试件进行测试。
（四）砼耐久性试验1、抗裂性用圆环试件法对不同配合比砼抗裂性进行对比试验2、电通量、氯离子渗透系数、抗渗性应根据设计要求或结构所处的环境条件确定3、抗冻性：快冻法（五）配合比设计步骤1、根据相关标准进行原材料检验；2、根据环境条件和使用年限对砼强度等级和耐久性的设计要求，以及施土工艺对砼拌合物的要求，确定配合比基本参数：设计强度、水胶比、掺和料品种和掺加数量范围、含气量、坍落度等；3、计算各原材料单方用量，其中水胶比、胶凝材料用量、掺和料用量等配合比参数应符合限值要求；4、核算单方砼的总碱含量和氯离子含量，应符合规定要求；5、砼试拌，调整砼配比使其满足工作性和含气量要求，确定基准配合比。
6、在基准配合比基础上，适当改变水胶比、砂率、胶材用量、掺合料掺量、外加剂掺量等，选配出拌合物性能与要求值基本接近的3～5个配合比。
7、制作抗压强度试件和抗裂性对比试件，养护至规定龄期进行试验。
抗压强度试件每种配合比宜制作4组，标准养护至1d、3d、28d、56d时试压。
8、成型一组或多组耐久性试件，养护至规定龄期进行相关耐久性试验。
9、根据强度、耐久性及经济性原则，选择一个配合比作为施工配合比。
（六）砼配合比耐久性要求1、砼的电通量均应满足下表的基本要求设计使用年限一(100年)二(60年)、三（30年)56d电通量（C）<C30<1500＜2000 <2500 C30～C45<1200＜1500 <2000≥C50<1000＜1200 <15002、钢筋的砼保护层厚度应满足设计规定。
3、砼抗碱—骨料反应性能应符合下列规定：（1）骨料的碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率或碱—碳酸盐反应岩石柱膨胀率应小于0.10%；（2）当骨料的碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.10%～0.30%时，除了碱含量应满足要求外，砼中还应掺加矿物掺合料，并经试验证明抑制有效。
5、氯盐环境下砼抗氯离子渗透系数设计使用一(100年)二(60年)年限环境作用等L1L2、L3L1L2、L3级氯离子扩散≦7≦5,≦3≦10≦8,≦4系数（56d）7、冻融环境下砼的抗冻性设计使用年限一(100年)二(60年)三(30年)环境作用等级D1, D2 ,D3, D4D1, D2D3, D4D1, D2D3, D4抗冻等级(56d)≥F300,≧F350,≥F400,≧F450≥F250,≧F300≥F350,≧F400≧F200,≧F250≧F300,≧F350（七）附加防腐蚀措施•严重腐蚀环境下，砼结构还要采取附加的防腐蚀措施，主要有：•氯盐环境---表面浸渍或涂装,阻锈剂,环氧涂层钢筋,阴极保护技术.•化学侵蚀环境---换填土,降低水位,表面涂装,设防护面层.•冻融破坏环境---外设钢套,增大截面.(八)提高砼抗裂性的几项措施1.补偿收缩原理:掺膨胀剂混凝土在水化时体积产生膨胀,在约束条件下膨胀能产生一定的自应力,补偿混凝土的自收缩和干燥收缩,达到防裂目的.•掺膨胀剂砼的条件,一是必须在潮湿环境下应用;二是必须在有限制条件下(配筋和外约束)应用;三是膨胀和强度发展要协调;四是膨胀量和干缩率要匹配,7d膨胀值不如21d收缩值(膨胀落差)重要.膨胀剂类型类型代号膨胀源化学收缩%固体增加%氧化钙CEA Ca(OH)2 4.697氧化镁Mg(OH)217.1111明矾石铝酸盐EA-LAEA明矾石铝酸盐 6.3-7.6113-132硫铝酸盐UEACSA 钙矾石和Ca(OH)26.3-7.6113-1322. 纤维补强•1)纤维间隔阻裂机理:•纤维桥接水泥石微裂缝,承载拉应力,阻滞微裂缝的扩展,提高抗裂性.纤维间隔支配阻裂补强效果,纤维弹模大于水泥石弹模条件下,纤维的体积掺量和直径是决定因素.•纤维不能阻止裂缝发生,而能阻滞裂缝扩展,表现为:阻滞微裂缝扩展为肉眼可见的裂缝;在同裂缝宽度下提高承载能力;减小裂缝宽度增加裂缝密度;在冲击荷载下防止崩解;在疲劳荷载下阻滞裂缝扩展;扩裂韧性明显改善.2. 纤维补强•2)抗裂韧性明显改善:•材料韧性指受力破坏前吸收能量的性能,可以荷载-变形曲线下的面积度量.纤维补强砼的韧性可提高30-100倍.较好的韧性,在静荷载下对提高结构安全度,在动荷载下对提高抗冲击性耐疲劳性都非常有利.3)纤维种类•纤维类别品种•天然矿物纤维石棉•人造矿物纤维抗碱玻纤、抗碱矿棉、玄武岩纤维•天然有机纤维木质纤维素、剑麻纤维、椰壳纤维•合成有机纤维聚丙烯腈、聚丙烯、维纶、芳纶•金属纤维钢纤维、非晶态金属纤维•陶瓷纤维碳纤维、硼纤维2. 纤维补强•4)几种纤维砼比较:•钢纤维砼:弹模匹配,韧性和抗裂性改善明显,技术成熟.但制备有难度,成本增加一倍以上.•石棉纤维砼(砂浆):1950年代大量用于建筑制品(板、管),成本低但污染严重,已被禁用.•玻璃纤维砼(砂浆):1980年代大量用于建筑制品(板、管),成本低但耐碱性难题尚末解决.•聚丙烯睛等合成纤维等由于弹模低对塑性状态砼和砂浆抗裂效果好,后期抗裂效果不明显.•碳纳米管纤维预计可增强水化硅酸钙凝胶,防止纳米级微细裂缝,有望从根本上改善砼的脆性.3. 聚合物改性•聚合物改性砼(砂浆)主要提高砼的抗拉强度、极限延伸率和韧性,从而改善抗裂性,提高密实性和耐久性.•聚合物水泥砼采用的聚合物主要有:•1)水溶性聚合物(单体):甲基纤维素(MC),聚乙烯醇(PVA),糖醇,聚丙烯酸钙,三聚氰胺树脂,间苯二胺环氧树脂等•2)聚合物水分散体:天然橡胶乳胶(CR),丁苯橡胶(SBR),甲基丙烯酸甲酯;聚丙烯酸酯(PAE),乙烯-聚醋酸乙烯共聚物(VAE);环氧树脂乳液,沥青乳液,石蜡乳液及混合乳液等.•聚合物掺量大成本增加大;粘度过大影响工作性.3. 聚合物改性•聚合物浸渍砼是硬化砼中浸渍低粘度的单体或预聚物再经聚合处理的复合材料,可明显提高强度、密实性和耐久性.但工艺复杂、成本高、推广难, 结构砼现场浸渍以提高砼表面层的密实性,对提高结构耐久性有实际应用价值.•浸渍液有:•乙烯单体:甲基丙烯酸甲酯,苯乙烯,丙烯腈.•液状树脂:不饱和聚酯树脂,环氧树脂.•其它:硫黄,石腊.•工艺包括干燥,抽真空,加压浸渍,聚合(加热或辐射).四、砼施工质量控制1. 砼温度控制•混凝土入模温度,冷天不低于5度,热天不高于30度•新混凝土与岩土或旧混凝土间温差不大于20度•蒸养混凝土静停温度不低于5度,4~6h且终凝后升温,升温和降温速度不宜大于10度/时,恒温温度不宜超过60度,最高为65度.•养护水温不得低于混凝土表面温度15度.•养护期间混凝土中心与表层,表层与环境间温差不超过20度,桥粱不超过15度.2. 砼保湿养护时间混凝土类型水胶比大气潮湿(RH≥50%)，无风，无阳光直射大气干燥(RH＜50%)，有风，或阳光直射日平均气温T（℃）潮湿养护期限（d）日平均气温T（℃）潮湿养护期限（d）胶凝材料中掺有矿物掺合料≥0.455≤T＜1010≤T＜2020≤T2114105≤T＜1010≤T＜2020≤T282114≤0.455≤T＜1010≤T＜2020≤T141075≤T＜1010≤T＜2020≤T211410胶凝材料中未掺矿物掺合料≥0.455≤T＜1010≤T＜2020≤T141075≤T＜1010≤T＜2020≤T211410≤0.455≤T＜1010≤T＜2020≤T10775≤T＜1010≤T＜2020≤T14107。