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(duì)傳統(tǒng)混凝土技術(shù)的一大突破，它的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)土木工程起到了重要推動(dòng)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(jì)實(shí)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(hào)：TU528.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2007）03-0042-02

一、前言

　　高性能混凝土（High-Performance concrete 簡(jiǎn)稱HPC）是20 世紀(jì)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(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等。由于強(qiáng)度提高、性能改善，結(jié)構(gòu)使用壽命增長(zhǎng)，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(jià)，利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，所以被國(guó)際上稱為之為“21 世紀(jì)綠色混凝土”。

二、高性能混凝土的優(yōu)越性

　?。?）高強(qiáng)度:多數(shù)學(xué)者認(rèn)為高性能混凝土必須是高強(qiáng)的，將其強(qiáng)度限制在50～60MPa；也有學(xué)者認(rèn)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(qiáng)度的混凝土（30～40MPa）適當(dāng)延伸。

　　（2）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?yàn)橐蠡炷恋母唧w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(shí)溫度收縮小，干燥收縮小，具有致密的細(xì)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(dòng)度、可泵性好，或自密實(shí)、免振搗。上海金茂大廈、東方明珠電視塔工程施工實(shí)現(xiàn)一次泵送C60 混凝土達(dá)到380 米高度。高性能混凝土的拌合物除高流動(dòng)性外，還必須具有良好的填充和抗離析能力。

　　（4）經(jīng)濟(jì)合理性:由于高性能混凝土中運(yùn)用大量的工業(yè)廢渣，副產(chǎn)品等，節(jié)約能源并且保護(hù)了環(huán)境。雖然其單價(jià)成本高于普通混凝土，但從總體造價(jià)來講，由于顯著減少了“非材料”費(fèi)用（人工，機(jī)械費(fèi)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(yùn)輸量，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)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(xì)骨料和水為主要材料，同時(shí)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(jì)，能提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，增加混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。高性能混凝土對(duì)材料的要求如下：

　?。?）水泥：水泥過細(xì)，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(qiáng)度等級(jí)不小于42.5 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

　?。?）粗骨料：粗細(xì)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(jí)配合理、粒形良好（三維尺寸接近）、質(zhì)地均勻堅(jiān)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。

　　（3）細(xì)骨料：宜選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂。細(xì)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。

　　（5）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(jìn)抗腐蝕能力和提高強(qiáng)度.工程中普遍采用的礦物摻合料有磨細(xì)和分選粉煤灰、磨細(xì)高爐礦渣和硅粉等 ，同時(shí)摻入兩種的效果較好。

　?。?）外加劑：對(duì)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(jì)實(shí)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(zhǎng)8496.28 米。設(shè)計(jì)采用高性能混凝土。原材料的選用如下：

　?。?）水泥： P.O42.5 級(jí)水泥，各項(xiàng)指標(biāo)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(xì)度和活性差異可使二者起到互補(bǔ)作用。選用的粉煤灰是F 類Ⅱ級(jí)灰和F 類Ⅰ級(jí)灰；選用的礦渣是S95 級(jí)，各項(xiàng)指標(biāo)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(jí)配碎石配制C50 以下級(jí)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(jí)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。

　　（4）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(gè)權(quán)威部門的檢測(cè)，性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

　?。?）水：采用的是自來水，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

2．配合比設(shè)計(jì)原則

　　高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮強(qiáng)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(jì)的原則。

　　膠凝材料的凝結(jié)硬化過程是混凝土獲得強(qiáng)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(shì)增大，而且可能造成混凝土的泛漿分層，對(duì)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(qiáng)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(xì)礦渣和粉煤灰。但摻量太多也可能帶來負(fù)面影響，如硬化初期對(duì)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(hù)技術(shù)等要求。高強(qiáng)混凝土的保證措施之一是嚴(yán)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(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)混凝土配合比的方法中，首先按強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算水灰比；按耐久性要求設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，首先是根據(jù)環(huán)境類別和作用等級(jí)，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(shí)性，降低混凝土的滲透性并減少收縮量，對(duì)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(shí)，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(qiáng)度呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而彈性模量則呈下降趨勢(shì)。高性能混凝土的砂率可根據(jù)膠凝材料總用量、粗細(xì)骨料的顆粒級(jí)配及泵送要求等因素來選擇。

3．配合比設(shè)計(jì)成果

配合比設(shè)計(jì)全過程如下：

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

4．配合比的檢測(cè)

　　新拌混凝土的性能檢測(cè)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(qiáng)度、彈性模量、電通量等幾個(gè)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(cè)中心驗(yàn)證，六項(xiàng)耐久性指標(biāo)全部符合要求。該大橋已生產(chǎn)混凝土的質(zhì)量均達(dá)到高性能混凝土標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)體澆注試件強(qiáng)度和56d 電通量值全部滿足設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)檢測(cè)情況見表1。

五、需要研究和探討的問題

　　（1）高性能混凝土推廣使用時(shí)間僅10 多年，成熟的經(jīng)驗(yàn)不多，相應(yīng)規(guī)范、指南剛剛出版，需要盡快加強(qiáng)相關(guān)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)原材料層面的研究與開發(fā)。

　　（3）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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)一步研究。

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