高性能混凝土配制技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘 要：高性能混凝土是對傳統(tǒng)混凝土技術(shù)的一大突破，它的出現(xiàn)和發(fā)展對土木工程起到了重要推動作用。文章介紹了高性能混凝土的優(yōu)越性和原材料組成，并結(jié)合某大橋的配合比設(shè)計實例提出了需要研究和探討的問題。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土 耐久性 原材料 配合比

中圖分類號：TU528.31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2007）03-0042-02

一、前言

　　高性能混凝土（High-Performance concrete 簡稱HPC）是20 世紀80 年代提出的概念。它采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的摻合料和高效外加劑的一種新型高技術(shù)混凝土，能根據(jù)不同使用要求，滿足耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等。由于強度提高、性能改善，結(jié)構(gòu)使用壽命增長，工程結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土可以節(jié)約資源、降低工程造價，利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展，所以被國際上稱為之為“21 世紀綠色混凝土”。

二、高性能混凝土的優(yōu)越性

　?。?）高強度:多數(shù)學(xué)者認為高性能混凝土必須是高強的，將其強度限制在50～60MPa；也有學(xué)者認為，高性能混凝土應(yīng)根據(jù)具體的工程要求，允許向中等強度的混凝土（30～40MPa）適當(dāng)延伸。

　?。?）高耐久性:高性能混凝土具有優(yōu)異的抗?jié)B和抗介質(zhì)侵蝕能力。因為要求混凝土的高體積穩(wěn)定性和高抗裂性，使它具有高彈模、低收縮、低徐變和低溫度應(yīng)變的特性。且在硬化過程中體積穩(wěn)定，水化熱低，溫升小，冷卻時溫度收縮小，干燥收縮小，具有致密的細觀結(jié)構(gòu)，不易產(chǎn)生宏觀及微觀裂縫，抗?jié)B性能優(yōu)良。

　?。?）高工作性:即高流動度、可泵性好，或自密實、免振搗。上海金茂大廈、東方明珠電視塔工程施工實現(xiàn)一次泵送C60 混凝土達到380 米高度。高性能混凝土的拌合物除高流動性外，還必須具有良好的填充和抗離析能力。

　　（4）經(jīng)濟合理性:由于高性能混凝土中運用大量的工業(yè)廢渣，副產(chǎn)品等，節(jié)約能源并且保護了環(huán)境。雖然其單價成本高于普通混凝土，但從總體造價來講，由于顯著減少了“非材料”費用（人工，機械費用）等，建設(shè)成本還是比普通混凝土低。另外，利用高性能混凝土建造大跨度的橋梁和高層、超高層建筑，可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重，降低基礎(chǔ)荷載，減少材料用量和運輸量，帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

三、高性能混凝土的材料組成

　　高性能混凝土是以水泥、粗骨料、細骨料和水為主要材料，同時摻入足夠數(shù)量的礦物摻合料和高效外加劑，經(jīng)過適當(dāng)拌合、硬化而成。合理的施工配合比的設(shè)計，能提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實度，增加混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。高性能混凝土對材料的要求如下：

　?。?）水泥：水泥過細，C3A 含量過高，將導(dǎo)致水泥水化速度過快，使混凝土收縮增大、內(nèi)外溫差偏大、抗裂性下降，影響混凝土的耐久性。要求水泥比表面積≤350m2/kg；C3A≤8.0%。水泥中的堿含量過高不僅容易引發(fā)混凝土的堿—骨料反應(yīng)，而且增加混凝土的開裂傾向。要求堿含量≤0.06%。通常使用強度等級不小于42.5 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

　?。?）粗骨料：粗細骨料總量占混凝土體積 65 %～75%，在混凝土中起主要骨架作用。宜選用級配合理、粒形良好（三維尺寸接近）、質(zhì)地均勻堅固、線脹系數(shù)小的潔凈碎石。一般采用致密的輝綠巖、花崗巖、大理石等材料。最大粒徑不超過15～20mm。

　?。?）細骨料：宜選用級配合理、質(zhì)地均勻堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂。細度模數(shù)在2.6～3.2 之間。

　　（4）水：高性能混凝土拌和用水采用飲用水。

　?。?）摻和料：高性能混凝土需摻入適量的、比表面積為4000～8000cm/g 的活性礦物摻合料，以降低新拌混凝土硬化過程中的溫度升高、改善施工性能、增進抗腐蝕能力和提高強度.工程中普遍采用的礦物摻合料有磨細和分選粉煤灰、磨細高爐礦渣和硅粉等 ，同時摻入兩種的效果較好。

　?。?）外加劑：對混凝土具有良好的改性作用。應(yīng)采用減水率高、坍落度損失小、適量引氣、能明顯提高混凝土耐久性且質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。外加劑的性能品質(zhì)、勻質(zhì)性和與水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本條件。除采用減水劑外，還要加入一些緩凝劑、引氣劑、增稠劑、膨脹劑等。

四、配合比設(shè)計實例

1．原材料的選用

　　某大橋是新建鐵路溫福線上的一座特大型橋梁，全長8496.28 米。設(shè)計采用高性能混凝土。原材料的選用如下：

　　（1）水泥： P.O42.5 級水泥，各項指標符合要求。

　?。?）摻和料：選用的礦渣的比表面積在400m2/kg 左右。用雙摻（即礦渣和粉煤灰）的辦法，利用二者的細度和活性差異可使二者起到互補作用。選用的粉煤灰是F 類Ⅱ級灰和F 類Ⅰ級灰；選用的礦渣是S95 級，各項指標符合要求。

　　（3）骨料：采用的碎石是隧道洞渣，由5～16mm 和16～31.5mm 的二級配碎石配制C50 以下級別的混凝土，而C50 以上的混凝土用碎石是5～16mm 和10～20mm 的二級配碎石。為預(yù)防混凝土發(fā)生堿—骨料反應(yīng)，選用的是非堿活性骨料。

　?。?）外加劑：外加劑的性能品質(zhì)、勻質(zhì)性和與水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本條件。選用的是聚羧酸系列CX-8 型。該外加劑通過多個權(quán)威部門的檢測，性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

　　（5）水：采用的是自來水，經(jīng)檢測各項指標均滿足要求。

2．配合比設(shè)計原則

　　高性能混凝土配合比設(shè)計應(yīng)充分考慮強度和耐久性，以及原材料的性能、水膠比、砂率、用水量等多重因素，遵循綜合設(shè)計的原則。

　　膠凝材料的凝結(jié)硬化過程是混凝土獲得強度及耐久性的重要環(huán)節(jié)，混凝土的破壞常常是從水泥石凝膠的變形開始的。過高的膠凝材料用量，不僅可使混凝土開裂趨勢增大，而且可能造成混凝土的泛漿分層，對混凝土的耐久性反而不利。膠凝材料的數(shù)量主要是滿足工作性和膠結(jié)強度的需要，單方膠凝材料用量應(yīng)盡可能減少。

　　在水泥品質(zhì)得到保障的前提下，可以使用大摻量礦物摻合料——磨細礦渣和粉煤灰。但摻量太多也可能帶來負面影響，如硬化初期對溫、濕度的敏感性，應(yīng)充分考慮摻合料品質(zhì)、水膠比影響、外加劑的摻入效應(yīng)、養(yǎng)護技術(shù)等要求。高強混凝土的保證措施之一是嚴格控制混凝土的總堿含量和總氯離子含量，措施之二是摻加礦物摻合料。配合比設(shè)計是確?；炷聊途眯宰铌P(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，提出混凝土最大水膠比、最小膠凝材料用量限值，就是有效而可行的措施。在以往按強度設(shè)計混凝土配合比的方法中，首先按強度等級計算水灰比；按耐久性要求設(shè)計混凝土配合比時，首先是根據(jù)環(huán)境類別和作用等級，確定混凝土的水膠比和各種膠凝材料用量。在條件許可的情況下，盡量選用較低的水膠比，減少單方用水量和膠凝材料用量，有利于提高混凝土的密實性，降低混凝土的滲透性并減少收縮量，對提高混凝土的耐久性非常有利。

　　砂率主要影響混凝土的工作性。當(dāng)水膠比不同時，最優(yōu)砂率也有所不同。一般而言，隨著混凝土砂率的增加，強度呈增長的趨勢，而彈性模量則呈下降趨勢。高性能混凝土的砂率可根據(jù)膠凝材料總用量、粗細骨料的顆粒級配及泵送要求等因素來選擇。

3．配合比設(shè)計成果

配合比設(shè)計全過程如下：

　　掌握高性能混凝土配合比理論—配合比計算書—選擇原材料—試配并觀測拌和物性能—配比調(diào)整—反復(fù)試配—拌和物性能測試—混凝土力學(xué)性能測試—整理報告資料—提交報告—監(jiān)理審批—鐵道部質(zhì)量監(jiān)督檢測中心驗證。

4．配合比的檢測

　　新拌混凝土的性能檢測包括和易性、坍落度、泌水率、含氣量等；混凝土凝結(jié)硬化后的抗裂性、強度、彈性模量、電通量等幾個方面。其中預(yù)制梁的配合比和材料送鐵道部質(zhì)量監(jiān)督檢測中心驗證，六項耐久性指標全部符合要求。該大橋已生產(chǎn)混凝土的質(zhì)量均達到高性能混凝土標準，實體澆注試件強度和56d 電通量值全部滿足設(shè)計要求。生產(chǎn)檢測情況見表1。

五、需要研究和探討的問題

　?。?）高性能混凝土推廣使用時間僅10 多年，成熟的經(jīng)驗不多，相應(yīng)規(guī)范、指南剛剛出版，需要盡快加強相關(guān)實用經(jīng)驗的收集整理工作。規(guī)范、指南的學(xué)習(xí)尚不能滿足高性能混凝土施工的要求。

　?。?）高性能混凝土的概念提出來了，但原材料仍和以前普通混凝土使用的原材料區(qū)別不大，需要加強原材料層面的研究與開發(fā)。

　?。?）高性能混凝土成型后，外觀光潔度和普通混凝土相比要差很多，色差也比較大，需經(jīng)過更多的實驗研究。

　?。?）該橋已完成的墩身中，有多處出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)時間一般在墩身混凝土灌注完成后15～30 天，裂紋寬度0.05～0.2mm，深度約40mm。高性能混凝土在其他工程的應(yīng)用，也大都出現(xiàn)過裂紋，原因不太明確，有待進一步研究。

參考文獻

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