高強(qiáng)高性能混凝土

    根據(jù)《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS104：99），將強(qiáng)度等級(jí)大于等于C50的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土；將具有良好的施工和易性和優(yōu)異耐久性，且均勻密實(shí)的混凝土稱為高性能混凝土；同時(shí)具有上述各性能的混凝土稱為高強(qiáng)高性能混凝土；而《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ55－2000）中則將強(qiáng)度等級(jí)大于等于C60的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土；《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2002）則未明確區(qū)分普通混凝土或高強(qiáng)混凝土，只規(guī)定了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15，混凝土強(qiáng)度范圍從C15～C80。綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)混凝土的研究和應(yīng)用實(shí)踐，以及現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展，將大于等于C60的混凝土稱為高強(qiáng)度混凝土是比較合理的。

    獲得高強(qiáng)高性能混凝土的最有效途徑主要有摻高性能混凝土外加劑和活性摻合料，并同時(shí)采用高強(qiáng)度等級(jí)的水泥和優(yōu)質(zhì)骨料。對(duì)于具有特殊要求的混凝土，還可摻用纖維材料提高抗拉、抗彎性能和沖擊韌性；也可摻用聚合物等提高密實(shí)度和耐磨性。常用的外加劑有高效減水劑、高效泵送劑、高性能引氣劑、防水劑和其它特種外加劑。常用的活性混合材料有Ⅰ級(jí)粉煤灰或超細(xì)磨粉煤灰、磨細(xì)礦粉、沸石粉、偏高嶺土、硅粉等，有時(shí)也可摻適量超細(xì)磨石灰石粉或石英粉。常用的纖維材料有鋼纖維、聚酯纖維和玻璃纖維等。

    一、高強(qiáng)高性能混凝土的原材料

    （一）水泥

    水泥的品種通常選用硅酸鹽水泥和普通水泥，也可采用礦渣水泥等。強(qiáng)度等級(jí)選擇一般為：C50～C80混凝土宜用強(qiáng)度等級(jí)42.5；C80以上選用更高強(qiáng)度的水泥。1m³混凝土中的水泥用量要控制在500kg以內(nèi)，且盡可能降低水泥用量。水泥和礦物摻合料的總量不應(yīng)大于600kg/m³。

    （二）摻合料

    1．硅粉：它是生產(chǎn)硅鐵時(shí)產(chǎn)生的煙灰，故也稱硅灰，是高強(qiáng)混凝土配制中應(yīng)用最早、技術(shù)最成熟、應(yīng)用較多的一種摻合料。硅粉中活性SiO₂含量達(dá)90%以上，比表面積達(dá)15000m²/kg以上，火山灰活性高，且能填充水泥的空隙，從而極大地提高混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度。硅灰的適宜摻量為水泥用量的5%～10%。

    研究結(jié)果表明，硅粉對(duì)提高混凝土強(qiáng)度十分顯著，當(dāng)外摻6～8%的硅灰時(shí)，混凝土強(qiáng)度一般可提高20%以上，同時(shí)可提高混凝土的抗?jié)B、抗凍、耐磨、耐堿－骨料反應(yīng)等耐久性能。但硅灰對(duì)混凝土也帶來不利影響，如增大混凝土的收縮值、降低混凝土的抗裂性、減小混凝土流動(dòng)性、加速混凝土的坍落度損失等。

    2．磨細(xì)礦渣：通常將礦渣磨細(xì)到比表面積350m²/kg以上，從而具有優(yōu)異的早期強(qiáng)度和耐久性。摻量一般控制在20%～50%之間。礦粉的細(xì)度越大，其活性越高，增強(qiáng)作用越顯著，但粉磨成本也大大增加。與硅粉相比，增強(qiáng)作用略遜，但其它性能優(yōu)于硅粉。

    3．優(yōu)質(zhì)粉煤灰：一般選用I級(jí)灰，利用其內(nèi)含的玻璃微珠潤(rùn)滑作用，降低水灰比，以及細(xì)粉末填充效應(yīng)和火山灰活性效應(yīng)，提高混凝土強(qiáng)度和改善綜合性能。摻量一般控制在20%～30%之間。I級(jí)粉煤灰的作用效果與礦粉相似，且抗裂性優(yōu)于礦粉。

    4．沸石粉：天然沸石含大量活性SiO₂和微孔，磨細(xì)后作為混凝土摻合料能起到微粉和火山灰活性功能，比表面積500m²/kg以上，能有效改善混凝土粘聚性和保水性，并增強(qiáng)了內(nèi)養(yǎng)護(hù)，從而提高混凝土后期強(qiáng)度和耐久性，摻量一般為5%～15%。

    5．偏高嶺土：偏高嶺土是由高嶺土在700～800℃條件下脫水制得的白色粉末，平均粒徑1～2μm，SiO₂和Al₂O₃含量90%以上，特別是Al₂O₃較高。在混凝土中的作用機(jī)理與硅粉及其他火山灰相似，除了微粉的填充效應(yīng)和對(duì)硅酸鹽水泥的加速水化作用外，主要是活性SiO₂和Al₂O₃與Ca（OH）₂作用生成CSH凝膠和水化鋁酸鈣（C₄AH₁₃、C₃AH₆）水化硫鋁酸鈣（C₂A H₈）。由于其極高的火山灰活性，故有超級(jí)火山灰（Super-Pozzolan）之稱。

    研究結(jié)果表明，摻入偏高嶺土能顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度和長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。由于高活性偏高嶺土對(duì)鉀、鈉和氯離子的強(qiáng)吸附作用和對(duì)水化產(chǎn)物的改善作用，能有效抑制混凝土的堿－骨料反應(yīng)和提高抗硫酸鹽腐蝕能力。J.Bai的研究結(jié)果表明，隨著偏高嶺土摻量的提高，混凝土的坍落度將有所下降，因此需要適當(dāng)增加用水量或高效減水劑的用量。A.Dubey的研究結(jié)果表明，混凝土中摻入高活性偏高嶺土能有效改善混凝土的沖擊韌性和耐久性。

    我國(guó)《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T18736－2002）規(guī)定了用于高強(qiáng)高性能混凝土有礦物外加劑的技術(shù)性能要求。見表4－23。

 

    （三）外加劑

    高效減水劑（或泵送劑）是高強(qiáng)高性能混凝土最常用的外加劑品種，減水率一般要求大于20%，以最大限度降低水灰比，提高強(qiáng)度。為改善混凝土的施工和易性及提供其它特殊性能，也可同時(shí)摻入引氣劑、緩凝劑、防水劑、膨脹劑、防凍劑等。摻量可根據(jù)不同品種和要求根據(jù)需要選用。

    （四）砂、石料

    一般宜選用級(jí)配良好的中砂，細(xì)度模數(shù)宜大于2.6。含泥量不應(yīng)大于1.5%，當(dāng)配制C70以上混凝土，含泥量不應(yīng)大于1.0%。有害雜質(zhì)控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

    石子宜選用碎石，最大骨料粒徑一般不宜大于25mm，強(qiáng)度宜大于混凝土強(qiáng)度的1.20倍。對(duì)強(qiáng)度等級(jí)大于C80的混凝土，最大粒徑不宜大于20mm。針片狀含量不宜大于5%，含泥量不應(yīng)大1.0%，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)大于C100的混凝土，含泥量不應(yīng)大于0.5%。

    二、高強(qiáng)高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)

    高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)理論尚不完善，一般可尊循下列原則進(jìn)行。

    （一）水灰比W/C

    普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中的鮑羅米公式對(duì)C60以上的混凝土已不盡適用，但水灰比仍是決定混凝土強(qiáng)度的主要因素，目前尚無完善的公式可供選用，故配合比設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、原材料和經(jīng)驗(yàn)選定水灰比。

    （二）用水量和水泥用量

    普通水泥中用水量根據(jù)坍落度要求、骨料品種、粒徑選擇。高強(qiáng)度高性能混凝土可參考執(zhí)行，當(dāng)由此確定的用水量導(dǎo)致水泥或膠凝材料總用量過大時(shí)，可通過調(diào)整減水劑品種或摻量來降低用水量或膠凝材料用量。也可以根據(jù)強(qiáng)度和耐久性要求，首先確定水泥或膠凝材料用量，再由水灰比計(jì)算用水量，當(dāng)流動(dòng)性不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，再通過調(diào)整減水劑品種或摻量加以調(diào)整。

    （三）砂率

    對(duì)泵送高強(qiáng)混凝土，砂率的選用要考慮可泵性要求，一般為34%～44%，在滿足施工工藝和施工和易性要求時(shí)，砂率宜盡量選小些，以降低水泥用量。從原則上來說，砂率宜通過試驗(yàn)確定最優(yōu)砂率。

    （四）高效減水劑

    高效減水劑的品種選擇原則，除了考慮減水率大小外，尚要考慮對(duì)混凝土坍落度損失、保水性和粘聚性的影響，更要考慮對(duì)強(qiáng)度、耐久性和收縮的影響。

    減水劑的摻量可根據(jù)減水率的要求，在允許摻量范圍內(nèi)，通過試驗(yàn)確定。但一般不宜因減水的需要而超量摻用。

    （五）摻合料

    其摻量通常根據(jù)混凝土性能要求和摻合料品種性能，結(jié)合原有試驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)選擇并通過試驗(yàn)確定。

    其他設(shè)計(jì)計(jì)算步驟與普通混凝土基本相同。

    三、高強(qiáng)高性能混凝土的主要技術(shù)性質(zhì)

    1．高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度高，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率一般不及普通混凝土。故不能用普通混凝土的齡期—強(qiáng)度關(guān)系式（或圖表），由早期強(qiáng)度推算后期強(qiáng)度。如C60～C80混凝土，3天強(qiáng)度約為28天的60%～70%；7天強(qiáng)度約為28天的80%～90%。

    2．高強(qiáng)高性能混凝土由于非常致密，故抗?jié)B、抗凍、抗碳化、抗腐蝕等耐久性指標(biāo)均十分優(yōu)異，可極大地提高混凝土結(jié)構(gòu)物的使用年限。

    3．由于混凝土強(qiáng)度高，因此構(gòu)件截面尺寸可大大減小，從而改變“肥梁胖柱”的現(xiàn)狀，減輕建筑物自重，簡(jiǎn)化地基處理，并使高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用和效能得以充分利用。

    4．高強(qiáng)混凝土的彈性模量高，徐變小，可大大提高構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)剛度。特別是對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，可大大減小預(yù)應(yīng)力損失。

    5．高強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度往往小于抗壓強(qiáng)度，即拉壓比相對(duì)較低，且隨著強(qiáng)度等級(jí)提高，脆性增大，韌性下降。

    6．高強(qiáng)混凝土的水泥用量較大，故水化熱大，自收縮大，干縮也較大，較易產(chǎn)生裂逢。

    四、高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用

    高強(qiáng)高性能混凝土作為建設(shè)部推廣應(yīng)用的十大新技術(shù)之一，是建設(shè)工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)50年代即已開始研究應(yīng)用。我國(guó)約在20世紀(jì)80年代初首先在軌枕和預(yù)應(yīng)力橋梁中得到應(yīng)用。高層建筑中應(yīng)用則始于80年代末，進(jìn)入90年代以來，研究和應(yīng)用增加，北京、上海、廣州、深圳等許多大中城市已建起了多幢高強(qiáng)高性能混凝土建筑。

    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高強(qiáng)高性能混凝土在建筑、道路、橋梁、港口、海洋、大跨度及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、高聳建筑物等工程中的應(yīng)用將越來越廣泛，強(qiáng)度等級(jí)也將不斷提高，C50～C80的混凝土將普遍得到使用，C80以上的混凝土將在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用。