高強(qiáng)高性能混凝土

1、一、前言1824年，波特蘭水泥發(fā)明，到目前混凝土材料已有近200年的歷史，且混凝土也有了很大的發(fā)展，由普通混凝土向高性能混凝土發(fā)展。自20世紀(jì)以來，混凝土就己成為房屋建筑、橋梁、水利、公路等現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)首選材料，混凝土作為土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，一種種新型混凝土不斷出現(xiàn)。作為最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料，混凝土本身必須具有高強(qiáng)度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，是混凝土的發(fā)展方向。我國(guó)自從 1979年在湘桂鐵路紅水河斜拉橋的預(yù)應(yīng)力箱梁中首次采用泵送 C60 混凝土以來，現(xiàn)代高性能混凝土在我國(guó)的應(yīng)用已走過

2、了30余年。現(xiàn)在，像北京、廣州、上海、深圳等大城市已供應(yīng)C80級(jí)別的預(yù)拌混凝土，C50C60級(jí)高性能混凝土已在許多建筑和橋梁中得到應(yīng)用，近年建成的大型橋梁的混凝土主體構(gòu)件如主梁、 剛架或索塔等， 多數(shù)都采用了高性能混凝土。二、高性能混凝土的概念高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（CECS207-2006）對(duì)高性能混凝土定義為：采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)，具有混凝土結(jié)構(gòu)所要求各項(xiàng)力學(xué)性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性的混凝土。普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ55-2011）規(guī)定強(qiáng)度等級(jí)不低于C60級(jí)別的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土。它采用高性能的外加劑,如高效減水劑或者高性能引氣劑、其它特種外加劑和摻入足夠的

3、超細(xì)活性混合材料，如:超細(xì)磨粉煤灰、磨細(xì)礦粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等達(dá)到低水膠比，并具有耐久性、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性等性能的新型混凝土。高性能混凝土以耐久性作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，針對(duì)不同用途要求，對(duì)耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等性能予以保證。三、高性能混凝土的特性(1) 高強(qiáng)度。由于高性能混凝土的強(qiáng)度高、彈模高，可以利用這一特性大幅度的減少高層和超高建筑物縱向受力結(jié)構(gòu)的截面尺寸，擴(kuò)大建筑使用面積，很大程度上改善了建筑物的使用功能;另外由于結(jié)構(gòu)截面尺寸的減小，大大減少了建筑物結(jié)構(gòu)的自重，從而解決了建筑物的結(jié)構(gòu)自重占主要因素的問題。不僅如此，由于混凝土強(qiáng)度的提高，還能節(jié)約混凝土的原材料、加

4、快施工進(jìn)度提高建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益。(2) 耐久性。高效減水劑和超細(xì)磨粉煤灰、磨細(xì)礦粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等的配合使用，能有效的減少用水量，減少混凝土內(nèi)部的空隙，并且能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50100年以上，這是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的。(3) 穩(wěn)定性。由于高性能混凝土的強(qiáng)度高，變形很，所以混凝土的鋼度大大增加，減少了混凝土預(yù)應(yīng)力的損失。因此，高性能混凝土能適應(yīng)現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)大跨度、超高層和承受惡劣等環(huán)境條件。(4)工作性。坍落度是評(píng)價(jià)混凝土工作性的主要指標(biāo)，高性能混凝土的坍落度控制功能很好，在振搗過程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同的振動(dòng)時(shí)間內(nèi)，下沉距離短，穩(wěn)定性和均勻性好。

5、同時(shí)，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且摻入超細(xì)粉，基本上無泌水，其水泥漿的粘性大，很少會(huì)產(chǎn)生離析的現(xiàn)象。(5)經(jīng)濟(jì)性。高性能混凝土的高強(qiáng)度可以減少構(gòu)件尺寸，減小自重，增加使用空間；高性能混凝土良好的耐久性和穩(wěn)定性可以減少結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益；高性能混凝土良好的工作性可以減少工人工作強(qiáng)度，加快施工速度，減少成本。四、高性能混凝土原材料及其選用1、骨料高性能混凝土的骨料選擇，對(duì)于保證高性能混凝土的物理力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性至關(guān)重要，清華大學(xué)混凝土專家馮乃謙認(rèn)為，要選擇適宜的骨料配置高性能混凝土，必須注意骨料的品種、表觀密度、吸水率、粗骨料強(qiáng)度、粗骨料最大粒徑

6、、粗骨料級(jí)配、漿骨比、砂率和堿活性組分含量等指標(biāo)。在混凝土中，骨料具有重要的技術(shù)作用和經(jīng)濟(jì)作用，正確的選擇骨料的品種，是配制高性能混凝土的基礎(chǔ)。在普通混凝土中，一般骨料的強(qiáng)度高于混凝土的34倍，雖然骨料不同，但混凝土的抗壓強(qiáng)度差別很??；但在高性能混凝土中，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，骨料的差別對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響很大，甚至骨料的粒徑、粒形、表面狀況、級(jí)配及最佳砂率、骨灰比都會(huì)成為影響高性能混凝土強(qiáng)度的因素。對(duì)于高性能混凝土來說，骨料的選擇應(yīng)考慮以下問題：(1) 級(jí)配要好：混凝土骨料，既要求級(jí)配合格，也要粒徑粗細(xì)、大小適中。空隙率盡可能低，這樣當(dāng)達(dá)到相同流動(dòng)性時(shí)，水泥漿的用量低，混凝土的自收縮變形低

7、，水化熱低，體積穩(wěn)定性好，對(duì)強(qiáng)度耐久性有利。(2) 物理性能好：骨料的表觀密度和堆積密度要大、吸水率要低，表面要粗糙、粒徑好。表觀密度>2.65,堆積密度>1450kg/m3,這樣可以降低骨料的空隙率，降低水泥漿用量，有利于流動(dòng)性，耐久性和強(qiáng)度。吸水率<1.0%，說明巖石比較致密，穩(wěn)定性好。(3) 力學(xué)性能：不含有軟弱顆粒的骨料或風(fēng)化骨料。巖石抗壓強(qiáng)度應(yīng)為混凝土強(qiáng)度的1.5倍以上。骨料彈性模量越大，混凝土的彈性模量也相應(yīng)增大。(4) 化學(xué)性能：骨料應(yīng)是無堿活性骨料，避免高性能混凝土中發(fā)生堿-骨料反應(yīng)。不含泥塊且含泥量<1.0%；不含有機(jī)物、硫化物和硫酸鹽等雜質(zhì)。2、水混

8、凝土拌合用水是在混凝土攪拌時(shí)，加入其中賦予混凝土流動(dòng)性，和水泥發(fā)生水化反應(yīng)，使混凝土凝結(jié)、硬化及滿足其強(qiáng)度發(fā)展。拌合用水對(duì)拌合料的性能、混凝土的凝結(jié)、硬化、強(qiáng)度發(fā)展、體積變化以及工作度等方面都有很大影響。拌制或養(yǎng)護(hù)混凝土的用水，不能含有對(duì)混凝土中鋼筋產(chǎn)生有害影響的物質(zhì)。通常使用清潔的能飲用的河水、井水、自來水、湖水及溪澗水(pH值不得小于4)等。但沼澤水、工廠廢水以及含礦物質(zhì)較多的硬質(zhì)水則不得使用；水中含有脂肪、糖類、酸類等有害物質(zhì)時(shí)則應(yīng)禁止使用。混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)(JGJ63-2006)對(duì)混凝土拌合水有如下技術(shù)要求：(1)對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響；用被檢驗(yàn)水和生活用水，進(jìn)行水泥凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)。兩者的初

9、凝和終凝時(shí)間差不得大于30min，而且要符合水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。(2)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響；被檢驗(yàn)水樣應(yīng)與飲用水樣進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，被檢驗(yàn)水樣配制的水泥膠砂3d和28d強(qiáng)度不應(yīng)低于飲用水配制的水泥膠砂3d和28d強(qiáng)度的90。(3) 未經(jīng)處理的海水嚴(yán)禁用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土。（4）拌和用水不得采用海水。當(dāng)混凝土處于氯鹽銹蝕環(huán)境時(shí)，拌和用水中Cl-含量不應(yīng)大于200 mg/L。對(duì)于使用鋼絲或經(jīng)熱處理鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土，拌和水中Cl-含量不得超過350mg/L。（5）養(yǎng)護(hù)用水除不溶物、可溶物可不作要求外，其他項(xiàng)目應(yīng)符合規(guī)定。養(yǎng)護(hù)用水不得采用海水。3、水泥 配制高性能混凝土?xí)r選用的

10、水泥應(yīng)符合以下要求：（1）標(biāo)準(zhǔn)稠度的用水量要低，以獲得較大的流動(dòng)性。（2）水化放熱量和放熱率均要低，以便最大限度地減少因溫度應(yīng)力引起的裂縫。（3）水泥水化后的強(qiáng)度要高，以保證以最少的水泥用量獲得較高的混凝土強(qiáng)度。水泥通常選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)不宜低于42.5級(jí)。水泥亦可選擇礦渣水泥、粉煤灰水泥或球狀水泥、調(diào)粒水泥等低水灰比的特性水泥。水泥要有出廠合格證明以及復(fù)檢合格證明，高性能混凝土拌制使用的水泥質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制，嚴(yán)禁使用不合格或過期的水泥。4、礦物摻合料  礦物摻合料主要是粉煤灰、礦渣、硅粉等，它們是輔助膠凝材料，近幾年來在普通混凝土應(yīng)用中越來越普遍，一方

11、面是由于經(jīng)濟(jì)效益顯著，另一方面是因?yàn)槭褂眠@種材料可以得到技術(shù)效果。在高性能混凝土中，應(yīng)用輔助膠凝材料的作用就更為突出。  高性能混凝土的高強(qiáng)度部分來源于其基材的密實(shí)，即使有一部分水泥被一種或者多種輔助膠凝材料代替，也不會(huì)對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度有副作用。此外，化學(xué)活性較低的輔助膠凝材料代替部分水泥，從控制水化放熱和流變性能的角度也是有益的。對(duì)摻合料的要求。合理選用摻合料品種及合理控制其最優(yōu)摻合用量，可提高混凝土強(qiáng)度20%以上，對(duì)提高混凝土的工作性和耐久性、抑制堿-骨料反應(yīng)、減少泌水離析現(xiàn)象的產(chǎn)生、降低徐變和收縮等都有著重要作用。高性能混凝土的礦物摻合料可選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣、

12、硅粉或天然沸石巖等材料。在配置高性能混凝土?xí)r，用作混凝土摻合料的硅粉用量一般為水泥的5%15%，煤灰一般應(yīng)選用級(jí)灰，同時(shí)用作摻合料的粉煤灰應(yīng)該符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/J1596-2005）的技術(shù)規(guī)范。五、高性能混凝土的施工與質(zhì)量控制 混凝土的制造和施工在很大程度上決定了混凝土的性能。加料順序是否正確，拌和是否徹底、均勻、運(yùn)輸與搬運(yùn)過程中混凝土拌合物是否離析、振搗是否密實(shí)、養(yǎng)護(hù)是否充分等均是影響高性能混凝土質(zhì)量的重要因素。 (1) 攪拌。混凝土原材料應(yīng)嚴(yán)格按照施工配合比要求進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，稱量最大允許偏差應(yīng)符合下列規(guī)定(按重量計(jì))：膠凝材料(水泥、摻合料等

13、)±1%；外加劑±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。應(yīng)采用臥軸式、行星式或逆流式強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌混凝土，也可以應(yīng)用普通混凝土的施工設(shè)備進(jìn)行施工，采用電子計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量原材料，并且要增加原材料質(zhì)量變化的檢查次數(shù)。攪拌時(shí)間不宜少于2min，也不宜超過3min。炎熱季節(jié)或寒冷季節(jié)攪拌混凝土?xí)r，必須采取有效措施控制原材料的溫度，以保證混凝土入模溫度符合規(guī)定要求。(2) 運(yùn)輸。應(yīng)采取有效措施保證混凝土在運(yùn)輸?shù)倪^程中保持均勻性和各項(xiàng)工作性能指標(biāo)不發(fā)生明顯的波動(dòng)。應(yīng)對(duì)運(yùn)輸設(shè)備采取保溫隔熱措施,防止局部混凝土溫度升高(夏季)或受凍(冬季)。且應(yīng)采取適當(dāng)措施防止水分進(jìn)入運(yùn)輸容

14、器或蒸發(fā)。(3) 澆筑。高性能混凝土入模前，應(yīng)采用專用檢測(cè)設(shè)備測(cè)定混凝土的溫度、坍落度、含氣量、水膠比及泌水率等工作性能；只有拌合物性能符合設(shè)計(jì)要求或配合比要求的混凝土方可入模澆筑。高性能混凝土澆筑時(shí)的自由傾落高度不得大于2m當(dāng)大于2m時(shí)，應(yīng)采用滑槽、串筒、漏斗等器具輔助輸送混凝土，保證混凝土不出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象。混凝土的澆筑應(yīng)采用分層連續(xù)推移的方式進(jìn)行，間隙時(shí)間不得超過90min，不得隨意留置施工縫。新澆混凝土與鄰接的己硬化混凝土或巖土介質(zhì)間澆筑時(shí)的溫差不得大于15。(4) 振搗。可采用插入式振動(dòng)棒、附著式平板振搗器、表面平板振搗器等振搗設(shè)備振搗混凝土。振搗時(shí)應(yīng)避免碰撞模板、鋼筋及預(yù)埋件。采用

15、插入式振搗器振搗混凝土?xí)r，宜采用垂直點(diǎn)振方式振搗。每點(diǎn)的振搗時(shí)間以表面泛漿或不冒大氣泡，一般不宜超過30s，避免振動(dòng)過度。若需變換振搗棒在混凝土拌合物中的水平位置，應(yīng)首先豎向緩慢將振搗棒拔出，然后再將振搗棒移至新的位置，不得將振搗棒放在拌合物內(nèi)平拖。(5) 養(yǎng)護(hù)。高性能混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，一般3天可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%，7天達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，因而混凝土早期養(yǎng)護(hù)特別重要。通常在混凝土澆注完畢后采取以帶模養(yǎng)護(hù)為主，澆水養(yǎng)護(hù)為輔，使混凝土表面保持濕潤(rùn)。此外，高性能混凝土?xí)休^高的水化熱，根據(jù)混凝土成分和環(huán)境條件的不同，大約在澆筑后2448h會(huì)到達(dá)最高溫度，所以高性能混凝土施工時(shí)一般不應(yīng)過早

16、拆模，同時(shí)拆模后應(yīng)持續(xù)保護(hù)幾小時(shí)再移走模板，以避免混凝土受到冷擊。同時(shí)，正確的抹面和水養(yǎng)護(hù)是獲得不透水表面的重要步驟，對(duì)于低水灰比的高性能混凝土，不僅需要保持內(nèi)部水分不蒸發(fā)，還要注重從外部環(huán)境中補(bǔ)充水分，應(yīng)進(jìn)行外界潮濕養(yǎng)護(hù)，以保證混凝土充分水化，提高混凝土的綜合性能。施工與質(zhì)量控制流程圖如下所示：水泥外加劑水石砂粉煤灰礦粉進(jìn)場(chǎng)、待檢區(qū)附材質(zhì)單另選合格用水進(jìn)場(chǎng)、待檢料倉(cāng)進(jìn)場(chǎng)、待檢料罐附材質(zhì)單退貨不合格篩洗或處理不合格不合格檢驗(yàn)檢驗(yàn)檢驗(yàn)合格不合格合格合格檢驗(yàn)進(jìn)入合格料罐、料倉(cāng)合格原材料報(bào)驗(yàn)監(jiān)理單位驗(yàn)收不合格合格攪拌站稱量系統(tǒng)報(bào)驗(yàn)稱量系統(tǒng)檢定或調(diào)整進(jìn)行混凝土生產(chǎn)準(zhǔn)備施工單位開混凝土要料單試驗(yàn)室配料單

17、計(jì)算、校核不合格各原材料定稱、校核混凝土生產(chǎn)合格監(jiān)理審查調(diào)整計(jì)算配料單不合格試拌調(diào)整出機(jī)性能檢測(cè)重測(cè)骨料含水、砂細(xì)度模數(shù)和骨料級(jí)配合格不合格運(yùn)輸合格查找原因調(diào)整配比入倉(cāng)澆筑取樣檢驗(yàn)不合格檢驗(yàn)試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)合格進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)驗(yàn)收六、高性能混凝土發(fā)展和應(yīng)用中所面臨的問題高性能混凝土在我國(guó)的應(yīng)用過程中也存在一些問題：原材料方面，我國(guó)水泥質(zhì)量不穩(wěn)定，離散性大；粗骨料的質(zhì)量低劣，含泥量大，級(jí)配較差，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)不合要求；在外加劑和外摻料的選擇上，也缺乏充分的適用性研究。在高性能混凝土的施工過程中，施工人員的技術(shù)水平有限，養(yǎng)護(hù)措施不到位，使高性能混凝土的密實(shí)性和質(zhì)量不穩(wěn)定；在高性能混凝土的耐久性方面，由于水分

18、的蒸發(fā)與凝聚而產(chǎn)生的收縮，使混凝土表面產(chǎn)生裂縫，為各種有害介質(zhì)滲透提供通道，給氯離子侵入、堿骨料反應(yīng)的發(fā)生和鋼筋銹蝕創(chuàng)造可能；在高性能混凝土的設(shè)計(jì)方面，由于高性能混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不及普通混凝土，而且脆性大，需要特別注意。同時(shí)，在高性能混凝土的研究方面，現(xiàn)在的研究以實(shí)驗(yàn)室研究為主，但是實(shí)驗(yàn)室的情況與實(shí)際施工相差較大，這不利于今后高性能混凝土的推廣應(yīng)用。七、 綠色高性能混凝土的發(fā)展展望高性能混凝土的概念是近三十年才提出的，它的出現(xiàn)意味著混凝土技術(shù)從經(jīng)驗(yàn)技術(shù)向高科技轉(zhuǎn)變，代表著當(dāng)今混凝土發(fā)展的大趨勢(shì)。 其特點(diǎn)集中表現(xiàn)在具有高強(qiáng)度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性、低水化熱等多方面。 提高混凝土性能是發(fā)展高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)的重要措施。采用高性能混凝土，可以減小截面尺寸，減輕自重，因而可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，而且高性能度混凝土一般也具有良好的耐久性。高性能混凝土，其推廣應(yīng)用對(duì)提高建設(shè)工程質(zhì)量，降低工程全壽命周期的綜合成本，對(duì)于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，推進(jìn)混凝土行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重大意義。但在推廣使用高性能混凝土的過程中，要實(shí)事求是，因地制宜，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、資源環(huán)境條件和工程特點(diǎn)，確定本地