高性能混凝土技术特点及应用

摘　要:介绍了高性能混凝土的优越性能,从低水灰比、坍落度、流动性等方面阐述了高性能混凝土施工中遇到的一些问题,并提出相应的措施分析了高性能混凝土对材料的要求,以推广高性能混凝土的广泛应用。

关键词:高性能混凝土,耐久性,坍落度

中图分类号: TU528. 31 文献标识码:A

　　混凝土科学属于工程材料研究范畴,是以取得最大经济效益为目标的应用科学,混凝土以其原材料丰富,适应性强,耐久性好,能源消耗与成本较低,同时又能消化大量的工业废渣等特点,成为一种用途最广,用量最多的建筑材料。据不完全统计,世界水泥年产量超过15 亿t ,折合成混凝土应不少于45 亿m3 ,其中我国的混凝土用量约15 亿m3 ,伴随着高层建筑,海底隧道,大跨度桥梁等的飞速发展,一般的普通混凝土已远远不能满足工程要求,发展具有高强度、高耐久性、高工作性、高性能混凝土就势在必行。所谓高强度混凝土是指标号不低于C60 (混凝土轴心抗压设计强度f c = 27. 5 MPa) 的混凝土,且用优质骨料和强度不低于42. 5 级的水泥与较低水灰比在强烈振捣密实作用下制取的混凝土。高强混凝土具有高强度、高耐久性、高工作性、高流动性等多方面的优越性能。

　　1) 由于高强混凝土的耐久性(包括混凝土稳定性、抗渗透性、抗冻性、抗化学侵蚀性、抗炭化性) 优于普通混凝土,在各种严酷环境下使用的大体积混凝土结构如跨海大桥、海底隧道、高层建筑等,用高性能混凝土来代替普通混凝土,不仅可以提高工程使用寿命,而且具有显著的经济效益。

　　2) 高强混凝土强度大且变形较小,从而使构件的刚度得以提高,大大改善了建筑物的变形性能。

　　3) 虽然高强混凝土在成本上比普通混凝土要高一些,但由于减小了截面尺寸,减轻了结构自重,降低了钢筋用量,减轻了地基负荷,这对自重占荷载主要部分的建筑具有特别重要的意义。在一般情况下,混凝土强度等级从C30 提高到C60 ,对受压构件可节省混凝土30 %～40 %,受弯构件可节省混凝土10 %～20 %,如此大幅度地节约建筑材料,从而降低工程施工成本,以年产15 亿m3 混凝土中有20 %采用高性能混凝土,商品混凝土350 元/ m3 均价计算,从中可节约资金为210 亿元,获得巨大的直接经济效益;同时由于梁柱截面减小,不但改变了建筑上肥梁胖柱的不美观问题,而且可增加使用面积和有效空间,因而可获得较大的间接经济效益。在建设阶段通过节约混凝土用量,可以节约土地、煤、水、矿石、砂等能源和资源的消耗量,从而减少有害气体和废渣的排放,使用阶段可减少养护维修费用,实现节能,带来可观的社会效益。

　　以混凝土结构物的耐久性为首要技术指标的高性能混凝土由于其具有的优越性,目前在不少的重要工程中被采用,并在高层建筑、大跨度桥梁、海上平台等工程中显示出其独特的优越性,

　　在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益,受到越来越多的重视。

　　在高性能混凝土的发展过程中,有许多材料与工程方面的难题需要解决,同时施工中还要解决一系列的技术问题。

　　1) 低水灰比,大坍落度。高性能混凝土一般要求低水灰比,水灰比一般都不大于0. 4 (水灰比很低约为0. 4 时,水灰比变化很小就能使混凝土强度不成比例地提高) ,但由于混凝土在低水灰比的情况下,坍落度很小,甚至没有坍落度,其成型和捣实都很困难,无法在现浇混凝土施工中应用。因此高性能混凝土拌合物的工作性比强度还要重要,是保证混凝土现浇质量的关键,如果用坍落度来表示,则其坍落度大于180 mm ,要求免振时,坍落度大于250 mm ,同时该拌合物应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性。

　　2) 坍落度损失问题。高性能混凝土的坍落度在掺加超塑化剂后的流动度可大大提高,可以由初始坍落度5 cm 增加到20 cm ,但这种大坍落度只能保持十几分钟,此后坍落度逐渐减少,至1 h 左右便可能减少到初始坍落度,这种超塑化剂只能在工地添加拌制成流动混凝土,否则会因坍落度减少给工程施工带来困难并影响工程质量。而现代城市混凝土施工一般采用商品混凝土,混凝土从搅拌站运送至工地需要较长的时间,混凝土在运输的过程中坍落度随时间的增加而减少,从而增加了高强混凝土施工难度。

　　3) 混凝土足够的流动性问题。高性能混凝土的特点是流动性大、水灰比小,为保证混凝土具有足够的流动性,就要求有较大的胶凝材料总用量,但随着浆集比的增大,混凝土的弹性模量会有所下降,混凝土的收缩也会有所增加。从耐久性的角度来看,必须有足够的浆体浓度和数量,得到良好的工作,才能保证混凝土的耐久性。当胶凝材料用料太小时,不可能保证良好的工作性,使混凝土离析、分层,硬化后混凝土的薄弱界面数量将急剧增多,最终大大削弱混凝土抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。因此,没有足够的胶凝材料总用量,就不可能使混凝土耐久。很好地解决混凝土的流动性问题,就能保证混凝土的流动性问题,就能保证混凝土的可泵性与耐久性。

　　高性能混凝土具备足够的耐久性、工作性和强度,并且能在经济合理的条件下制得,其优越的适用性大大地扩大了混凝土在土木工程中的应用,并带来更多的社会经济效益。高性能混凝土与普通混凝土使用基本相同的原材料(如水泥、砂、石) ,同时必须使用外加剂和矿物细掺料。但由于高性能的要求和配置特点,原材料对普通混凝土影响不明显的因素,对高性能混凝土就可能影响显著,高性能混凝土对材料的要求如下:

　　1) 水泥:高性能混凝土所用的水灰比很低,要满足施工工作性的要求,水泥用量就要大,但为了尽量降低混凝土的内部升温和减小收缩,又应当尽量降低水泥的用量,同时,为使混凝土有足够的弹性模量和体积的稳定性,对胶凝材料总用量也要加以限制,因此用于高性能混凝土的水泥的流动性能比强度更重要。高性能混凝土所用水泥最好是强度高且同时具有良好的流动性能,并与目前使用的高效减水剂有良好的相容性。我国一般采用42. 5号硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。高强混凝土的水泥用量不应大于550 kg/ m3 。

　　2) 粗骨料采用金属矿石粗骨料,可获得强度更高,耐久性和延性更好的高性能混凝土。对强度等级为C60 的混凝土,其粗骨料的最大粒径不应大于31. 5 mm;对高于C60 的,其粗骨料的最大粒径不应大于25 mm。

　　3) 矿物细掺料(包括硅灰、粉煤灰、磨细矿渣、天然佛石岩、磨细石灰石粉、石英砂粉等) :在配置混凝土时加入较大量矿物细掺料,可降低温升,改善工作性,增进后期强度,并可改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力,增强混凝土的耐久性。矿物细掺料掺在水泥中的掺量,火山灰质硅酸盐水泥中火山灰质材料占20 %～50 % ,矿渣硅酸盐水泥中矿渣占20 %～70 % ,粉煤灰硅酸盐水泥中粉煤灰占20 %～40 %。水泥和矿物掺合料的总量不应大于600 kg/ m3 。　　　　

　　4) 外加剂:主要指无需取代水泥而外掺小于5 %的化合物。外加剂的主要性能是改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能。用于高性能混凝土的外加剂有减水剂、缓凝剂、引气剂等。其中高效减水剂使得混凝土的水灰比能降得很底却仍可有很好的工作性。外加剂的掺量都很少,使用外加剂时应当延长搅拌时间,以得到均匀的混凝土拌合物。

　　目前在我国制备高性能混凝土采取的主要措施如下:1) 合理利用高效减水剂,采用优质骨料、优质水泥,利用优质掺合料,如优质硅灰、磨细粉煤灰和矿渣。采用高效减水剂以降低水灰比是获得高强及高流动性混凝土的主要技术措施;2) 采用52. 5 ,62. 5 ,72. 5 号的硫铝酸盐水泥,铁铝酸盐水泥及相应的外加剂制备高性能混凝土;3) 以矿渣、碱组分及骨料制备高性能混凝土;4) 采用复合高效减水剂,用52. 5 号水泥320 kg/ m3 ,水灰比0. 43 ;用42. 5号水泥480 kg/ m3 ,水灰比0. 32 。

　　一般地在实验室配置符合要求的高性能混凝土相对比较容易,但是混凝土在整个施工过程中都要稳定在质量水平功能上就比较困难,一些在普通情况下混凝土不太敏感的因素,在低水灰比的情况下,可能会变得相当敏感,而高性能混凝土设计时所留的强度可供调节的余量较小,这就要求在整个施工过程中必须注意各种条件、因素的变化,并且要根据这些变化随时调整配合比和各种工艺参数。建议施工时采用高效减水剂后掺法,高效减水剂是与水泥反应的,最后加入石子可使水泥和高效减水剂充分混合均匀,有利于发挥高效减水剂的利用率。

参考文献:

　　[1]陈远春. 建筑工程施工工艺与新技术、新标准实用手册[M] 北京:电子工业出版社,2000.

　　[2]李慧民,贾宏俊. 建筑工程技术与计量[M] . 北京:中国计划出版社,2001.

　　[3] GB 5001022002 ,混凝土结构设计规范[ S] .