高強與超高強混凝土配制技術
......
摘要：闡述了研究開發(fā)高強與超高強混凝土的重大意義，提出了制備技術和途徑，說明了主要原材料及其性能要求。
關鍵詞：高強與超高強混凝土；制備；材料性能
引言
混凝土是人類最大宗的建筑結構材料，其發(fā)展可以劃分為低強低耐久混凝土、高強混凝土和高性能混凝土三個階段。從我國目前的生產力發(fā)展水平、混凝土配制技術、施工性能、設計和使用要求、施工機械及操作水平來看，目前正處于高強混凝土的配制和使用階段，這一時期還將經歷很長一段時間。因此，充分利用地方資源，研究優(yōu)質實用的高強或超高強混凝土配制技術，全面提高混凝土的生產和使用水平，是建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。
1 研究、開發(fā)、應用高強與超高強混凝土的重大意義
隨著人類社會的發(fā)展和進步，人類有能力拓展生存的空間。目前，人們正在向高空、地底及海洋進軍，現代建筑物越來越高層化、大跨化、輕量化；在海洋深處建造大型結構物，在海面上建造巨大的工作平臺；越來越多的跨大江、深谷、海峽的大跨度橋梁和海底隧道在建造。所有這些，都要求混凝土的質量越來越高。因此，高強度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料發(fā)展的方向。
目前，一般認為C 50～C 90屬高強混凝土范疇，C 100及以上強度等級是超高強混凝土。與普通混凝土相比，研究應用高強與超高強混凝土具有下列優(yōu)越性：
?。?）有效地減輕結構自重。鋼筋混凝土的最大缺點是自重大，在一般的建筑中，結構自重為有效荷載的8～10倍。當混凝土強度提高時，結構自重降低。一些世界著名的專家預言，80 %～90 %的鋼結構工程可用預應力鋼筋混凝土結構代替，當混凝土強度達到100 MPa時，可以設計成的預應力鋼筋混凝土結構，應當與鋼結構一樣輕，因為這時二者的比強度（強度與質量的比值）大致相等［1］。
（2）大幅度提高混凝土的耐久性。高強與超高強混凝土由于強度的提高、內部孔結構的改善以及膠凝物質相組成的優(yōu)化，其耐久性得到很大的改善。
?。?）節(jié)約材料和能源，降低建筑成本。
可見，使用高強與超高強混凝土可以獲得很好的技術經濟效果。因此，研究開發(fā)高強與超高強混凝土具有重大的意義。
2 制備高強與超高強混凝土的技術途徑
眾所周知，混凝土是一種典型的堆聚結構工程材料，具有大量的不同尺寸和開始的內部缺陷。由于混凝土的組分（水化新生物、未徹底水化的熟料顆粒、堅固的大小巖石集料）和結構元件（水泥石、砂漿組分、接觸區(qū)）彼此在強度特性、變形特性和物理性能方面有明顯的差異［2］，混凝土的實際強度比理論強度材料彈性模量E低10-3個數量級，這是由于混凝土在受外部作用時應力狀態(tài)很不一致，具有大量的應力集中現象所致。因此，研制高強與超高強混凝土，是建立在降低材料結構缺陷并提高其密度、增強組分的強度和形變性以及減少其內部應力集中基礎之上的。曾經或正在研究的制備高強與超高強混凝土的技術路線有以下幾條。
2.1 干硬性高強與超高強混凝土
這一路線是在發(fā)明高效減水劑之前，采用強制攪拌和沖壓及振動軋壓等成型手段獲得。由于工作環(huán)境惡劣，主要在制品廠、軌枕生產廠、橋梁廠使用，可獲得C 80～C 150范圍的高強及超高強混凝土。
2.2 高標號水泥+超細礦物摻合料+高效減水劑
這一路線是目前國際上較通用的技術路線。在普通混凝土中，為了保證混合料的施工和易性，其用水量（占水泥重量的50 %～70 ％）比水泥水化所需的水量（水泥重量的15 %～20 %）大得多。多余的水在水泥硬化后蒸發(fā)，在水泥石和水泥石集料界面區(qū)域形成大量的各種孔徑的孔隙，以及因泌水、干縮等所引起的微管和微裂縫，這些缺陷是導致混凝土強度下降和其它性能指標低的根本原因。因此，摻加高效減水劑、降低水灰比是一項行之有效的重要措施。
改善水泥石中水化物的相組成，提高其質量，是制備高強與超高強混凝土的另一重要課題。眾所周知，水泥水化后形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣及氫氧化鈣。其中水化硅酸鈣數量眾多，也最為重要。但由于水泥水化形成的大多是高堿性水化硅酸鈣，與低堿性水化硅酸鈣相比，前者強度低，后者強度高；同時存在的f CaO強度極低，穩(wěn)定性很差。因此，在制備高強與超高強混凝土時，要設法降低高堿性水化硅酸鈣的含量，提高低堿性水化硅酸鈣含量，同時盡量消除f CaO.其方法是在混凝土中摻入活性礦物摻料，使其含有的活性SiO2、Al2O3與f CaO及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應，生成低堿性水化硅酸鈣，以增加膠凝物質的數量，改善其質量。
2.3 高強與超高強堿礦渣混凝土
這一路線是采用磨細的高爐礦渣并加入堿組分獲得。當用第一主族元素（Li、Na、K）的化合物進行激發(fā)時，礦渣的水硬活性極佳。由于堿金屬化合物能在水中迅速離解成大量具有強大離子力的OH-離子，在離子力的作用下，礦渣玻璃體的結構很快解體并發(fā)生水化，產生大量的低堿性水化硅酸鈣和堿金屬水化鋁酸鹽膠凝物質，進而形成水泥石硬化體。根據重慶建筑大學蒲心誠教授等人的研究，采用這一路線，可以制成超快硬（1 d抗壓強度達70 MPa）、超高強（28 d抗壓強度達120.4 MPa）、高抗?jié)B（抗?jié)B標號＞S 40）、高抗凍（達1 000次凍融循環(huán)以上）、高抗蝕的堿礦渣混凝土，而且其它性能優(yōu)異，水化熱低，成本也不高。雖然目前不少人對其先進性、適宜性、可靠性和經濟性尚不了解，但可以預見，高強與超高強堿礦渣混凝土將成為21世紀的一種新型混凝土。
2.4 灰砂硅酸鹽混凝土
采用鈣質原料和硅質原料等混合磨細，用高溫蒸壓方法制備，可獲得100～150 MPa的高強混凝土。該混凝土水泥石主要由水化硅酸鹽組成。這一路線主要用于制管和制樁生產中。 [Page]
2.5 有機無機復合混凝土
制備聚合物浸漬混凝土、聚合物水泥混凝土以及聚合物膠結混凝土，使混凝土進入了使用有機無機復合膠結材和高分子有機膠結材的新階段。聚合物進入混凝土膠結料中，可大大提高混凝土的物理力學性能。如聚合浸漬混凝土的抗壓強度和抗拉強度較其基材可提高2～4倍，有很強的耐腐蝕性能，幾乎不吸水、不滲水，抗凍融循環(huán)在1 000次以上。但這種路線制得的高強與超高強混凝土因成本高，且工藝與常規(guī)不同，只在特殊場合使用。
3 制備高強與超高強混凝土的原材料及其性能要求
采用目前國際上通用的技術路線制備高強與超高強混凝土所用的材料是：水泥、集料、水、摻合料以及化學外加劑。這些原料的質量和性能，對高強與超高強混凝土的質量和性能具有很大的影響。
3.1 水泥
通常使用硅酸鹽水泥與早強硅酸鹽水泥。其中對水泥的品質和強度有如下的建議：
（1）使用525及更高標號的硅酸鹽水泥； （2）由于高強與超高強混凝土中水泥用量一般在500～700 kg/m3，水化熱高，因而需開發(fā)低水化熱的水泥。即水泥中C2S比例增大些，而C3S及C3A量減少些；
（3）水泥的質量穩(wěn)定，C3S的含量波動4 %，燒失量0.5 ％，硫酸鹽的波動范圍0.20 %.
3.2 集料
在一般的混凝土中，不同類型集料對抗壓強度的影響不大。但在高強與超高強混凝土中，集料的差異對混凝土的強度影響很大。一般來說，采用碎石比卵石有利，其原因不僅由于集料的密度及吸水率不同，而且也由于集料的強度以及粘結強度不同。
?。?）建議所采用集料的母巖強度＞1.7倍混凝土強度（如用玄武巖、輝綠巖作超高強混凝土集料）；
?。?）粗集料粒徑不能過大，一般建議為10～19 mm，且形狀好、級配佳；
（3）細集料也應盡量要求強度高、級配好、含泥量少；
?。?）粗集料常用壓碎指標值來要求，不少專家建議細集料也應用類似于壓碎指標的破碎度來要求。通過試驗，確定壓碎指標（或破碎度）與混凝土抗壓強度之間的相關性；
?。?）集料的彈性模量宜高些；
?。?）細集料以采用中砂為好，但特細砂經過試驗確定配比后也可用。
3.3 摻和料
高強與超高強混凝土常用的摻和料有硅灰、超細礦渣以及粉煤灰等。
?。?）硅灰是最好的活性礦物摻和料，但資源有限，成本高，包裝運輸不便。一般認為，硅灰的最佳摻量為10 ％左右。由于硅灰的加入使混合料的流動性明顯降低，為了保證其施工性，必須使用高效減水劑，且用量比不摻硅灰時要略大些；
?。?）超細礦渣的比表面積達800～1 000 m2/kg.將其摻入砂漿中，可使抗壓強度及其它性能有很大改善。超細礦渣的置換率一般為20 %～40 %.含超細礦渣的混凝土無論是早期還是后期強度都很高，但其成本也高；
?。?）一般情況下，將粉煤灰摻入混凝土中，早期強度降低，但后期強度增長。粉煤灰混凝土的強度受粉煤灰的質量、置換率與配合比等的影響。粉煤灰的火山灰活性越強，養(yǎng)護溫度越高，強度增長越顯著，其摻量為10 %～30 %；
（4）研制新活性礦物摻和料，如將高嶺土燒成偏高嶺土磨細［3］；合成的水化硅酸鈣或無水硫鋁酸鈣等；
（5）采用“雙摻”或“多摻”礦物摻和料的方法。如同時以20 ％的超細礦渣和10 ％的硅灰置換等量的水泥，混凝土56 d抗壓強度達140 MPa.
3.4 外加劑
在高強與超高強混凝土中常采用的化學外加劑有：高效減水劑、減少坍落度損失的復合AE減水劑、緩凝劑以及泵送劑等，其中以高效減水劑最為重要。高效減水劑的使用，可以大幅度降低水灰比，制成高強乃至超高強混凝土。目前，使用的高效減水劑主要有改性木質素磺酸鹽、萘磺酸鹽聚合物、三聚氰胺磺酸鹽聚合物等。
3.5 水
必須滿足規(guī)范中對水的品質要求。為保證高強與超高強混凝土的高質量和安定的品質，一般宜采用合格的自來水拌制混凝土。
4 結語
綜上所述，研制高強與超高強混凝土具有十分重大的意義。其配制必須從原材料的選擇、采用低用水量、低水灰比、高活性礦物磨細摻和料、高效減水劑、改善界面結構、提高水泥漿體的內聚力及水泥漿體與集料間的粘結力等因素來考慮。
（中國混凝土與水泥制品網 轉載請注明出處）
關鍵詞：高強與超高強混凝土；制備；材料性能
引言
混凝土是人類最大宗的建筑結構材料，其發(fā)展可以劃分為低強低耐久混凝土、高強混凝土和高性能混凝土三個階段。從我國目前的生產力發(fā)展水平、混凝土配制技術、施工性能、設計和使用要求、施工機械及操作水平來看，目前正處于高強混凝土的配制和使用階段，這一時期還將經歷很長一段時間。因此，充分利用地方資源，研究優(yōu)質實用的高強或超高強混凝土配制技術，全面提高混凝土的生產和使用水平，是建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。
1 研究、開發(fā)、應用高強與超高強混凝土的重大意義
隨著人類社會的發(fā)展和進步，人類有能力拓展生存的空間。目前，人們正在向高空、地底及海洋進軍，現代建筑物越來越高層化、大跨化、輕量化；在海洋深處建造大型結構物，在海面上建造巨大的工作平臺；越來越多的跨大江、深谷、海峽的大跨度橋梁和海底隧道在建造。所有這些，都要求混凝土的質量越來越高。因此，高強度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料發(fā)展的方向。
目前，一般認為C 50～C 90屬高強混凝土范疇，C 100及以上強度等級是超高強混凝土。與普通混凝土相比，研究應用高強與超高強混凝土具有下列優(yōu)越性：
?。?）有效地減輕結構自重。鋼筋混凝土的最大缺點是自重大，在一般的建筑中，結構自重為有效荷載的8～10倍。當混凝土強度提高時，結構自重降低。一些世界著名的專家預言，80 %～90 %的鋼結構工程可用預應力鋼筋混凝土結構代替，當混凝土強度達到100 MPa時，可以設計成的預應力鋼筋混凝土結構，應當與鋼結構一樣輕，因為這時二者的比強度（強度與質量的比值）大致相等［1］。
（2）大幅度提高混凝土的耐久性。高強與超高強混凝土由于強度的提高、內部孔結構的改善以及膠凝物質相組成的優(yōu)化，其耐久性得到很大的改善。
?。?）節(jié)約材料和能源，降低建筑成本。
可見，使用高強與超高強混凝土可以獲得很好的技術經濟效果。因此，研究開發(fā)高強與超高強混凝土具有重大的意義。
2 制備高強與超高強混凝土的技術途徑
眾所周知，混凝土是一種典型的堆聚結構工程材料，具有大量的不同尺寸和開始的內部缺陷。由于混凝土的組分（水化新生物、未徹底水化的熟料顆粒、堅固的大小巖石集料）和結構元件（水泥石、砂漿組分、接觸區(qū)）彼此在強度特性、變形特性和物理性能方面有明顯的差異［2］，混凝土的實際強度比理論強度材料彈性模量E低10-3個數量級，這是由于混凝土在受外部作用時應力狀態(tài)很不一致，具有大量的應力集中現象所致。因此，研制高強與超高強混凝土，是建立在降低材料結構缺陷并提高其密度、增強組分的強度和形變性以及減少其內部應力集中基礎之上的。曾經或正在研究的制備高強與超高強混凝土的技術路線有以下幾條。
2.1 干硬性高強與超高強混凝土
這一路線是在發(fā)明高效減水劑之前，采用強制攪拌和沖壓及振動軋壓等成型手段獲得。由于工作環(huán)境惡劣，主要在制品廠、軌枕生產廠、橋梁廠使用，可獲得C 80～C 150范圍的高強及超高強混凝土。
2.2 高標號水泥+超細礦物摻合料+高效減水劑
這一路線是目前國際上較通用的技術路線。在普通混凝土中，為了保證混合料的施工和易性，其用水量（占水泥重量的50 %～70 ％）比水泥水化所需的水量（水泥重量的15 %～20 %）大得多。多余的水在水泥硬化后蒸發(fā)，在水泥石和水泥石集料界面區(qū)域形成大量的各種孔徑的孔隙，以及因泌水、干縮等所引起的微管和微裂縫，這些缺陷是導致混凝土強度下降和其它性能指標低的根本原因。因此，摻加高效減水劑、降低水灰比是一項行之有效的重要措施。
改善水泥石中水化物的相組成，提高其質量，是制備高強與超高強混凝土的另一重要課題。眾所周知，水泥水化后形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣及氫氧化鈣。其中水化硅酸鈣數量眾多，也最為重要。但由于水泥水化形成的大多是高堿性水化硅酸鈣，與低堿性水化硅酸鈣相比，前者強度低，后者強度高；同時存在的f CaO強度極低，穩(wěn)定性很差。因此，在制備高強與超高強混凝土時，要設法降低高堿性水化硅酸鈣的含量，提高低堿性水化硅酸鈣含量，同時盡量消除f CaO.其方法是在混凝土中摻入活性礦物摻料，使其含有的活性SiO2、Al2O3與f CaO及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應，生成低堿性水化硅酸鈣，以增加膠凝物質的數量，改善其質量。
2.3 高強與超高強堿礦渣混凝土
這一路線是采用磨細的高爐礦渣并加入堿組分獲得。當用第一主族元素（Li、Na、K）的化合物進行激發(fā)時，礦渣的水硬活性極佳。由于堿金屬化合物能在水中迅速離解成大量具有強大離子力的OH-離子，在離子力的作用下，礦渣玻璃體的結構很快解體并發(fā)生水化，產生大量的低堿性水化硅酸鈣和堿金屬水化鋁酸鹽膠凝物質，進而形成水泥石硬化體。根據重慶建筑大學蒲心誠教授等人的研究，采用這一路線，可以制成超快硬（1 d抗壓強度達70 MPa）、超高強（28 d抗壓強度達120.4 MPa）、高抗?jié)B（抗?jié)B標號＞S 40）、高抗凍（達1 000次凍融循環(huán)以上）、高抗蝕的堿礦渣混凝土，而且其它性能優(yōu)異，水化熱低，成本也不高。雖然目前不少人對其先進性、適宜性、可靠性和經濟性尚不了解，但可以預見，高強與超高強堿礦渣混凝土將成為21世紀的一種新型混凝土。
2.4 灰砂硅酸鹽混凝土
采用鈣質原料和硅質原料等混合磨細，用高溫蒸壓方法制備，可獲得100～150 MPa的高強混凝土。該混凝土水泥石主要由水化硅酸鹽組成。這一路線主要用于制管和制樁生產中。 [Page]
2.5 有機無機復合混凝土
制備聚合物浸漬混凝土、聚合物水泥混凝土以及聚合物膠結混凝土，使混凝土進入了使用有機無機復合膠結材和高分子有機膠結材的新階段。聚合物進入混凝土膠結料中，可大大提高混凝土的物理力學性能。如聚合浸漬混凝土的抗壓強度和抗拉強度較其基材可提高2～4倍，有很強的耐腐蝕性能，幾乎不吸水、不滲水，抗凍融循環(huán)在1 000次以上。但這種路線制得的高強與超高強混凝土因成本高，且工藝與常規(guī)不同，只在特殊場合使用。
3 制備高強與超高強混凝土的原材料及其性能要求
采用目前國際上通用的技術路線制備高強與超高強混凝土所用的材料是：水泥、集料、水、摻合料以及化學外加劑。這些原料的質量和性能，對高強與超高強混凝土的質量和性能具有很大的影響。
3.1 水泥
通常使用硅酸鹽水泥與早強硅酸鹽水泥。其中對水泥的品質和強度有如下的建議：
（1）使用525及更高標號的硅酸鹽水泥； （2）由于高強與超高強混凝土中水泥用量一般在500～700 kg/m3，水化熱高，因而需開發(fā)低水化熱的水泥。即水泥中C2S比例增大些，而C3S及C3A量減少些；
（3）水泥的質量穩(wěn)定，C3S的含量波動4 %，燒失量0.5 ％，硫酸鹽的波動范圍0.20 %.
3.2 集料
在一般的混凝土中，不同類型集料對抗壓強度的影響不大。但在高強與超高強混凝土中，集料的差異對混凝土的強度影響很大。一般來說，采用碎石比卵石有利，其原因不僅由于集料的密度及吸水率不同，而且也由于集料的強度以及粘結強度不同。
?。?）建議所采用集料的母巖強度＞1.7倍混凝土強度（如用玄武巖、輝綠巖作超高強混凝土集料）；
?。?）粗集料粒徑不能過大，一般建議為10～19 mm，且形狀好、級配佳；
（3）細集料也應盡量要求強度高、級配好、含泥量少；
?。?）粗集料常用壓碎指標值來要求，不少專家建議細集料也應用類似于壓碎指標的破碎度來要求。通過試驗，確定壓碎指標（或破碎度）與混凝土抗壓強度之間的相關性；
?。?）集料的彈性模量宜高些；
?。?）細集料以采用中砂為好，但特細砂經過試驗確定配比后也可用。
3.3 摻和料
高強與超高強混凝土常用的摻和料有硅灰、超細礦渣以及粉煤灰等。
?。?）硅灰是最好的活性礦物摻和料，但資源有限，成本高，包裝運輸不便。一般認為，硅灰的最佳摻量為10 ％左右。由于硅灰的加入使混合料的流動性明顯降低，為了保證其施工性，必須使用高效減水劑，且用量比不摻硅灰時要略大些；
?。?）超細礦渣的比表面積達800～1 000 m2/kg.將其摻入砂漿中，可使抗壓強度及其它性能有很大改善。超細礦渣的置換率一般為20 %～40 %.含超細礦渣的混凝土無論是早期還是后期強度都很高，但其成本也高；
?。?）一般情況下，將粉煤灰摻入混凝土中，早期強度降低，但后期強度增長。粉煤灰混凝土的強度受粉煤灰的質量、置換率與配合比等的影響。粉煤灰的火山灰活性越強，養(yǎng)護溫度越高，強度增長越顯著，其摻量為10 %～30 %；
（4）研制新活性礦物摻和料，如將高嶺土燒成偏高嶺土磨細［3］；合成的水化硅酸鈣或無水硫鋁酸鈣等；
（5）采用“雙摻”或“多摻”礦物摻和料的方法。如同時以20 ％的超細礦渣和10 ％的硅灰置換等量的水泥，混凝土56 d抗壓強度達140 MPa.
3.4 外加劑
在高強與超高強混凝土中常采用的化學外加劑有：高效減水劑、減少坍落度損失的復合AE減水劑、緩凝劑以及泵送劑等，其中以高效減水劑最為重要。高效減水劑的使用，可以大幅度降低水灰比，制成高強乃至超高強混凝土。目前，使用的高效減水劑主要有改性木質素磺酸鹽、萘磺酸鹽聚合物、三聚氰胺磺酸鹽聚合物等。
3.5 水
必須滿足規(guī)范中對水的品質要求。為保證高強與超高強混凝土的高質量和安定的品質，一般宜采用合格的自來水拌制混凝土。
4 結語
綜上所述，研制高強與超高強混凝土具有十分重大的意義。其配制必須從原材料的選擇、采用低用水量、低水灰比、高活性礦物磨細摻和料、高效減水劑、改善界面結構、提高水泥漿體的內聚力及水泥漿體與集料間的粘結力等因素來考慮。
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投稿：news@ccement.com
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