高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用

2009年4月第38卷　第4期施　工　技　术

C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY

冯乃谦

(清华大学, 北京　100084)

[摘要]随着新型高效减水剂的发明与应用、矿物超细粉的回收与加工、纤维材料的发展以及新型水泥基材料的发

明, 混凝土技术有了重大突破, 尤其是高性能混凝土(HPC ) 和超高性能混凝土(UHPC ) 。目前,HPC 和UHPC 已经广泛地应用于世界各地的重特大工程中。在UHPC 配制中, 要特别注意采用合理的配合比, 同时指出混凝土在不同龄期的强度均明显高于设计基准强度。另外, 新拌UHPC 粘性大, 流动慢, 测定坍落度、扩展度所需时间长, 施工困难, 为了解决这一问题, 提出控制单方用水量、控制坍落度损失、。UHPC 收缩开裂, 通过控制水灰比、水胶比等能有效抑制其发展。

[关键词]混凝土; 高性能; 超高性能; 应用; 配合比; [中图分类号]T U5281311

[]A [) 20001206

H igh Performance Concrete

and U ltra 2high Performance Concrete

Feng Naiqian

(Tsinghua Univer sity , Beijing 　100084, China )

Abstract :Asthe development of new technologies , which are the invention and application of new water reducer , the recovery and processing of

ultrafine m ineral powder , the development of fiber and the invention of new cement 2based material , concrete has been developing rapidly , especially high performance concrete (HPC ) and ultra 2high performance concrete (UHPC ) , which are widely used in many projects. The research shows that reas onable m ix proportion is im portant for UHPC preparation and the concrete strength at different ages is higher than design reference strength obviously. Furtherm ore , new UHPC has s ome characteristics of large viscosity , small flow velocity , long consum ption for measuring slum p and slum p flow , which affect construction. In order to s olve these disadvantages , s ome methods are put forward , such as controlling water consum ption of per square meter , controlling slum p loss , applying powder effect , and s o on. M oreover , controlling water 2cement and water 2binder ratio can inhibit self 2shrinkage cracks of UHPC.

K ey w ords :concrete; high performance ; ultra 2high performance ; application ; m ix proportion ; strength

　　2005年6月在美国召开了高强度(HS ) 、高性能混凝土(HPC ) 第7次国际会议。工程师和材料科学家们一起讨论了HS ΠHPC 的最新研究和应用情况。会议认为超高性能混凝土(UHPC ) 是混凝土材料的重大突破。此外, 日本鹿岛公司等单位在5000年前中国甘肃大地湾遗址发现的古代混凝土技术基础上, 研发出万年混凝土, 这对混凝土结构寿命也会带来重大突破。

1　混凝土技术重大突破的前提111　新型高效减水剂的发明与应用

1960年左右, 德国发明和应用了三聚氰胺高效减水

量研究和开发了矿渣超细粉; 而美国等对偏高岭土超细粉在HPC 中的应用取得了更大的进展; 中国对天然沸石在混凝土中的应用, 处于世界前列。

矿物超细粉的开发和应用, 使普通混凝土(NC ) 高性能化, 促进了高性能混凝土HPC 和UHPC 的发展。

113　纤维材料的发展和应用

金属纤维、有机纤维与无机纤维的发明与应用, 使混凝土技术向工程胶结复合材料(ECC ) 方向发展。在此期间, 水泥性能也不断提高和完善, 这是UHPC 的重要前提。

2　新型水泥基材料的发明

211　M DF (macro 2defect free ) 水泥基材料

M DF 即无宏观缺陷水泥材料, 由Birchall 提出, 并

剂, 并配制出流态混凝土, 大量应用于工程中。日本引进了该项技术, 并于1965年左右发明了萘系高效减水剂。美国则发明了改性木质素磺酸盐高效减水剂。近

10年来, 聚羧酸高效减水剂的发展与应用, 使混凝土从

于1979年由英国化学工业公司和牛津大学共同研究。

干硬性→半干硬性→塑性→流态化方向发展。

112　矿物超细粉的回收、加工与应用

挪威、瑞典、冰岛与丹麦等国, 为了提高混凝土性能, 最早回收了硅粉, 并应用于混凝土中; 日本等国大

[收稿日期]2008211213

[作者简介]冯乃谦, 清华大学教授, 博士生导师, 北京市清华大学东8252201　100084, 电话:(010) 62784189, E 2mail :fengnq @tsinghua. edu. cn

　2施工技术第38卷

随后, 美国、日本和瑞典等国也开展了该项研究。

Birchall 提出的M DF 由下列材料组成:①高强度等

混凝土材料, 使DSP +S (砂) +F (纤维) 抗压强度>

200MPa (实际达到250MPa ) ; 使DSP +S (砂) +G (碎石)

级硅酸盐水泥或铝酸盐水泥(90%～99%) ; ②水溶性树脂(4%～7%) , 水灰比

212　DSP (densified

system

containing

hom ogenously

arranged ultrafine particles ) 水泥基材料

DSP 即超细粒子密实填充水泥基材料, 由

Bache 详

抗压强度>150MPa (实际达到180MPa ) 。

311　工程胶结复合材料ECC (

engineered cementitious

com posites )

国外将其列为UHPC 的一种, 由DSP +S (砂) +F

(纤维) +高效减水剂制成。ECC 的特点是具有很高的

抗弯强度和变形抗裂性能。

31111　ECC 用于混凝土结构的防震抗震

日本是一个地震灾害多发的国家, 钢筋混凝土结构往往设有抗震、防震装置。ECC 是防震抗震的最好材料, 如图3。

细阐述。该项专利是在瑞典、挪威、DSP 剂, 其模式如图1所示。

图3　ECC 抗震构造

Fig. 3　Anti 2seism ic structure of ECC

31112　UHPC (ECC ) 用于桥梁结构

1) 最早在工程上应用UHPC

的国家是加拿大, 在Sherbrooke 建造了一条UHPC 行人桥。

图1　DSP 模式

Fig. 1　DSP m odes

2) 2001年, 在法国Valence 建造了2条道路桥, 分

别为2015m 和2215m , 为运输车辆及行人使用, 如图4所示。该桥的UHPC 中, 在不同部位掺入了约215%～

310%体积含量的钢纤维。

Bache 强调粉体密实填充的重要性。DSP 的重要

特征是密实填充, 使孔隙率降低, 如图2所示。

图2　不同超细粉与水泥组合孔隙率变化

Fig. 2　P orosity change of combination of different

ultrafine particles with cement

图4　建造在法国Bourg 2les 2Valence 的道路桥

Fig. 4　R oad bridge built in France

　　3) 在德国, 应用UHPC 建造了一座复合结构的人行桥, 长135m , 最大跨度40m 。该桥的外貌及截面如图

5所示。

4) 日本也有用UHPC 与钢复合的桥梁, 如图6所

粉体浆体在聚羧酸高效减水剂作用下, 使相邻颗粒表面力连接作用消除, 粘性浆体的应力均降低。以

20%硅粉代替相应的硅酸盐水泥, 水胶比W ΠB =0112

～0122, 抗压强度≥500MPa , 抗弯强度≥75MPa , 弹性模量≥80G Pa 。如以C 2S 含量高的水泥与硅粉和聚羧酸高效减水剂配制DSP 材料, 效果更好。

DSP 技术成为HPC 和UHPC 的基础。3　HPC 与UHPC 的开发与应用

示。另外, 日本明石大桥建造于神户淡路鸣门高速公路的本州和淡路岛之间的明石海峡。桥长3911m , 为三跨吊桥, 中跨达1991m ,1988年5月开工, 于1998年

4月完工。桥两端锚固基础使用了40多万m 3免振自

密实混凝土(HPC ) , 而海上两个主塔桥墩大量使用了水下不分散混凝土。

在DSP 基础上, 开发出HPC 、UHPC 和ECC 等新型

2009N o. 4冯乃谦:高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用　3

为FC150的UHPC , 钢筋混凝土底层柱截面减小, 梁的跨度增大, 有效利用的空间增多。

4　UHPC 的配制411　原材料

1) 水泥　在UHPC 中水泥用量大, 故建议采用C 2S

图5　德国K assee UHPC 行人桥

Fig. 5　Pedestrian bridge built with UHPC in G

ermany

含量高的低、中热水泥。

2) 超细粉　常用的超细粉有硅粉、超细矿渣粉及

超细粉煤灰等, 在UHPC 胶凝材料中起微填充作用, 增大混凝土流动性, 提高强度和耐久性。

3) 高效减水剂　常用聚羧酸高效减水剂, 减水率

要达到30%以上, 而且要具有保塑功能。

4) 骨料() , 粒形要好,

图6　ECC 在日本桥梁中应用

Fig. 6　Application of ECC in Japanese ,

UHPC 配合比如表1所示。表1中M 1、M 1Q 和M 2Q

312　HPC 、UHPC 1) , 。屋顶长98m , 宽28m , 85cm; 结构像一个机翼, 如图7所示。

配合比中无粗骨料, 属于ECC 系列; 而B 1、B 1Q 、B 2Q 和

B 3Q 则含有玄武岩粗骨料, 属于超高性能混凝土系列。UHPC 的水胶比W ΠB (或水灰比W ΠC ) 均较低, 为0118

～0121(0122～0128) ; 但由于使用聚羧酸高效减水剂,

图7　利用UHPC 建造的收费站

Fig. 7　T oll station built with UHPC

坍落扩展度仍很大, 达55～65cm 。

在日本, 对不同设计基准强度的UHPC 采用表2配合比。

不同强度等级混凝土在不同龄期的强度如图9所示。由图9可知, 设计基准强度150MPa 的UHPC ,10年龄期强度超过了180MPa ; 设计基准强度120MPa 的

UHPC, 10年龄期强度约140MPa ; 而设计基准强度100MPa 的UHPC ,10年龄期强度达到120MPa 。413　配制技术特点与对策41311　新拌混凝土

UHPC 的粘性大, 流动慢, 施工困难,UHPC 新拌混

　　2) 广州珠江新城西塔工程　该工程高度为435m , 是一座超高层建筑, 大量使用了

C70、C80、C90HPC , 并研发C100UHPC , 一次泵送高度超

过400m (见图8) 。

3) 超高层大跨度钢筋混

凝土住宅楼　在日本东京、横滨等地, 采用HPC 、UHPC 建造了近10栋超高层住宅楼。由原来混凝土FC60～FC80发展

配合比

编号

M 1M 1Q M 2Q B 1B 1Q B 2Q B 3Q

图8　正在施工中的

西塔工程Fig. 8　W est 2tower project

in construction

凝土特性如图10所示。普通混凝土(NC ) 与HPC 或

表1　UHPC 配合比

T able 1　M ix proportion of UHPC

超塑

化剂

[***********]1725163014

(kg Π材料组成Πm 3)

水泥

[***********]580

砂

(≤1mm )

[***********]25354

玄武岩

(2Π8) ———

[1**********]1

硅粉

[***********]177

钢纤维

石英粉Ⅰ石英粉Ⅱ

(215V %)

[***********]194

水

[***********]141

水灰比W ΠC

[***********]2701240128

水胶比

W ΠB

[***********]2001210121

坍落扩展

度Πcm

[1**********]565

—

[**************]

——————

131

表2　日本UHPC 配合比

T able 2　M ix proportion of UHPC in Japan

施工技术第38卷

拌合2m 3混凝土, 测出搅拌机负荷为60kW , 坍落扩展度740mm; 当坍落扩展度为500mm 时, 所需流动时间8～10s 。当用水量稍微增加(由150kg Πm 3增加到155kg Π

m 3) , 搅拌机负荷下降, 坍落扩展度达到500mm 时所需

(kg Π用量Πm 3) 设计基水胶比防高温爆

目标含高效减

准强度Π(W Π裂纤维ΠB ) Π胶细粗

气量Π%水结骨骨

水剂Π%2

(N Π(kg Π%mm ) m 3)

[***********][***********][***********][***********][**************]

时间也缩短。而当单方用水量由150kg Πm 3减少为

140kg Πm 3时, 搅拌机负荷增大, 坍落扩展度达到500mm

　　注:3高效减水剂掺量1155%有误, 应为3155

时所需时间增大, 坍落度经时损失也加快。

4131212　控制坍落度损失, 特别是倒筒时间

控制坍落度损失及倒筒时间的方法有3种。

1) 通过聚羧酸高效减水剂单体比来控制

聚羧酸高效减水剂的分子结构如图11a 所示, 由, m 与分散基n , (见

) , 。

图9　Fig. of different

grades at different ages

UHPC 具有相同坍落度时,UHPC 流动慢(见图10a 中

v 0) ,NC 流动快(见图10a 中v 1) , 即UHPC 施工困难。

NC 的塑性粘度与屈服值几乎成正比关系; 而UHPC (或HPC ) 的塑性粘度大, 即测定坍落度、坍落扩展度所需

时间长。

图11　聚羧酸高效减水剂分子结构

与混凝土流动性经时变化

Fig. 11　M olecular structure of high range poly carboxylate

water reducer and ong oing change of concrete flow

2) 通过掺入缓凝剂及保塑剂来控制

例如水胶比W ΠB =0125的UHPC , 用水量165kg Π

图10　UHPC 新拌混凝土特性

Fig. 10　Characteristics of new concrete with UHPC

m 3, 聚羧酸高效减水剂含固量40%, 掺量115%, 外掺

含固量3%的糖钠; 另一方案是聚羧酸高效减水剂掺量112%, 外掺115%保塑剂。2种新拌混凝土的性能及经时变化如表3所示, 表明2种方法均能控制新拌混凝土性能的变化, 但是掺缓凝剂时如控制不好,2～

3d 也不会凝结。

表3　UHPC 新拌混凝土性能及经时变化

T able 3　Performance and ong oing change of new concrete with UHPC

具体评价UHPC 新拌混凝土泵送施工性能优劣, 我国采用倒坍落度筒混凝土流下时间长短来评价。例如:倒筒时间≤10s 时,UHPC 易于泵送施工; 而且还需要控制倒筒时间的经时变化, 一般经时2h , 倒坍落度筒混凝土流下时间基本不变。例如:混凝土倒筒落下时间初始15s ;2h >25s , 这样的UHPC 在泵送过程中很容易堵管。

41312　对策

4131211　控制单方用水量

M arushima 认为, 单方用水量是评估新拌混凝土性

混凝土

类型掺缓凝剂掺保塑剂

倒坍落度筒流下时间Πs 初始

1h 86

2h 710715

坍落度Πmm 初始

270265

1h 265255

2h 265255

坍落扩展度Πmm 初始

730700

[1**********]0

能的一种方法。他以水胶比W ΠB =0118的UHPC 为例, 用水量150kg Πm 3, 外掺聚羧酸高效减水剂310%。

4131213　粉体效应的利用

2009N o. 4冯乃谦:高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用　5

如上所述,DSP 的特点是由于胶凝材料粒子间的紧密填充, 孔隙大幅度降低。因此, 以不同品种超细粉与水泥匹配, 在相同用水量下, 可以使浆体流动性增大; 或者在具有相同流动性下, 含超细粉的浆体可降低用水量, 如图12

所示。

收缩开裂, 同时由于水泥用量大, 水化放热大, 易产生温度开裂; 要控制入模温度和温度差。同时会使UHPC 泌水量少, 浇注面混凝土容易干燥而产生脆性变形开裂。故UHPC 浇注后应立即用湿草席覆盖。

UHPC 不同W

ΠC 混凝土的自收缩开裂比较如图13

所示。随着W ΠC 降低, 自收缩开裂长度增大。在表4中, 虽然水胶比20%比较低, 但用水量为150kg Πm 3, 水泥用量500kg Πm 3, 水灰比为013。以单方混凝土用水量考虑, 自收缩开裂可能降低。

图12　超细粉掺量对浆体流动性影响

Fig. 12　In fluence of m ixing am ount of ultrafine

particles on paste fluidity

由图12可见, 体流动性; 5%应, 及沸石多孔, 同品种不同细度的超细粉对UHPC 流动性的影响如表4所示。其中, 水胶比W ΠB =0120, 水泥C =

500kg Πm 3, 磨细矿渣粉BFS =21215kg Πm 3, 石膏G P =1215kg Πm 3, 硅粉SF =25kg Πm 3, 用水量W =150kg Πm 3。

表4　不同细度矿渣粉对UHPC 流动性影响

T able 4　In fluence of slag with different finess on UHPC fluidity 比表面积Π(m [1**********]

图13　不同W ΠC 混凝土自收缩开裂比较

Fig. 13　Autogenous shrinkage cracking com paris on

of concrete with different water cement ratio

此外, 以10%的饱水沸石超细粉代替10%水泥, 掺入UHPC 中, 能有效抑制自收缩和自收缩开裂。

6　硬化混凝土性能611　强度

1) 不同骨料硬化混凝土强度如图14所示。W ΠC =14%时, 山砂2硬质砂岩的UHPC 强度低于山砂2安山

坍落度Πmm

265275265

坍落

扩展度Πmm

670Π630660Π670630Π620

倒筒时间Πs

[1**********]36

　　由表4可见, 比表面积800m 2Πkg 的矿渣粉, 坍落度、坍落扩展度最大, 倒筒时间最短。

不同细度的超细粉组合对UHPC 流动性的影响如表5所示。其中, W ΠB =0120, W =150kg Πm 3, C =500kg Π

m 3。①BFS +G P =250kg Πm 3; ②BFS +G P +SF =250kg Πm 3(SF 为25kg Πm 3) , 水泥比表面积340m 2Πkg , 矿渣粉400m 2Πkg , 石膏与矿渣粉含量相同, 硅粉比表面积20万cm 2Πg 。

表5　不同超细粉组合对UHPC 流动性影响

T able 5　In fluence

of different ultrafine particles

combination on UHPC fluidity

岩B , 同样低于安山岩A 碎砂2碎石与安山岩B 碎砂2碎石的UHPC 强度。可见, 骨料的吸水率尤为重要。

图14　不同粗细骨料UHPC 强度

倒筒时间Πs

189

Fig. 14　UHPC strength with different coarse and fine aggregates

粉体组合

C +BFS ①C +BFS +SF ②

坍落度Πmm

265275坍落扩展度Πmm

650Π630660Π670

2) 超细粉对水泥置换率不同时,UHPC 抗压强度如

图15所示, 随硅粉对水泥置换率增加,3、7d 的强度比基准混凝土强度低, 但28d 后的强度均高于基准混凝土强度。在UHPC 设计时硅粉对水泥置换率可达15%以上。

3) 水灰(胶) 比的影响　S. F. Freyue ,W. M icah Hale

　　通过上述各种措施, 可使新拌混凝土结构粘度降低, 倒筒时间缩短, 保塑时间延长, 便于UHPC 的施工。

5　早期混凝土性能

UHPC 由于水灰比低, 混凝土浇注成型后会产生自

　6施工技术第38卷

　　由表6可知,UHPC 比HPC 具有更高的强度和耐久性。

7　挪威HPC 发展成功的因素

J. M oksnes 在《高性能混凝土———一种被证实尚未

达到潜在性能的材料》中指出:挪威的混凝土由20世纪70年代的50MPa 、坍落度120mm 、劳动力大量消耗, 到90年代开发了强度100MPa 、坍落度270mm 的泵送自密实混凝土, 其成功的主要因素:①水泥　高强度;

图15　不同硅粉置换率时UHPC 抗压强度

Fig. 15　UHPC strength with different silica fume replacement ratio

②骨料　改善级配, 低吸水性; ③外加剂　超塑化剂; ④超细粉(硅粉) 　体积稳定性, 提高强度; ⑤批量化生产　高效率; ⑥经验积累　置信度高; ⑦质量保证体系　, 也是配制

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performance concrete bridge technology in the US A [A ]ΠΠSeventh International Sym posium on Utilization of High 2strength ΠHigh 2performance C oncrete[C].W ashington , 2005,1(6) .

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Feng Naiqian. High 2strength concrete technology [M ].Beijing :China Building M aterial Industry Publishing H ouse , 1992. (in Chinese )

和B. W. Russell 对水胶比为0122～0141的HPC 抗压强度试验结果进行线性回归分析, 结果如下:①按W ΠB 进行线性回归时　 f c (1d ,MPa ) =11110-21911(W ΠB ) ,

R =01293; f c (28d ,MPa ) =16511-25712(W ΠB ) , R =

01536; f c (56d ,MPa ) =17712-27913(W ΠB ) =012

②按W ΠC 　f c ) =151-31110(W ΠR 1c 28d , ) 1-24216(W ΠC ) , R 01; f c (,MPa ) =18117-25717(W ΠC ) , R 2=01366。③按W ΠC 与W ΠB 进行多重回归

分析时　 f c (1d ,MPa ) =15612-65127(W ΠB ) -26915

(W ΠC ) , R 2=01546; f c (28d ,MPa ) =18516-19110(W Π

B ) -11911(W ΠC ) , R =01598; f c (56d ,MPa ) =19418-221617(W ΠB ) -10717(W ΠC ) , R =01550。

由此可见,HPC 的抗压强度与W ΠC (或W ΠB ) 呈线性关系。按W ΠB 计算时, 早期(1d ) 龄期的相关系数较低, 按

W ΠC 时, 后期(56d ) 龄期的相关系数较低, 而按W ΠC 与W ΠB 双重回归分析时, 早期与后期的相关系数均较高。

612　耐久性

Schm idt 和Fehling 通过试验, 对比了NC 、HPC 和UHPC 的耐久性参数值, 如表6所示。

表6　NC 、HPC 和UHPC 的耐久性参数特性值

T able 6　Durability parameters of NC ,HPC and UHPC

混凝土类型

项目

总孔隙率Π%

毛细孔Π%氮渗透Πm 2

氯离子扩散(6h 快速迁移试验) 侵入深度Πmm 碳化深度(20℃,65%,3年) Πmm

(g Π抗盐冻剥蚀量Πm 2)

NC HPC

(C35E N206) (C100Π115E N206)

UHPC 4～6115～210

111520～50(经水热养护)

约15约8

10-16237

约8约5

10-1784150(引气) 11

好消息

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吸水系数

　　注:抗盐冻试验(CDF 2test ) ,28个循环, 极限剥蚀量1500g Πm 2; 氯

离子扩散试验见T ang 和Nielss on 1992年文献; 吸水系数确定见德国规范DIN52617