高强高性能混凝土

一、前言1824年，波特兰水泥发明，到目前混凝土材料已有近200年的历史，且混凝土也有了很大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。自20世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。进入21世纪以来，随着科学技术的快速发展，一种种新型混凝土不断出现。作为最主要的建筑结构材料，混凝土本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。我国自从1979年在湘桂铁路红水河斜拉桥的预应力箱梁中首次采用泵送C60混凝土以来，现代高性能混凝土在我国的应用已走过了30余年。现在，像北京、广州、上海、深圳等大城市已供应C80级别的预拌混凝土，C50～C60级高性能混凝土已在许多建筑和桥梁中得到应用，近年建成的大型桥梁的混凝土主体构件如主梁、刚架或索塔等，多数都采用了高性能混凝土。二、高性能混凝土的概念《高性能混凝土应用技术规程》（CECS207-2006）对高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）规定强度等级不低于C60级别的混凝土称为高强混凝土。它采用高性能的外加剂,如高效减水剂或者高性能引气剂、其它特种外加剂和掺入足够的超细活性混合材料，如:超细磨粉煤灰、磨细矿粉、优质粉煤灰等达到低水胶比，并具有耐久性、体积稳定性和经济合理性等性能的新型混凝土。高性能混凝土以耐久性作为主要设计指标，针对不同用途要求，对耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等性能予以保证。三、高性能混凝土的特性(1)高强度。由于高性能混凝土的强度高、弹模高，可以利用这一特性大幅度的减少高层和超高建筑物纵向受力结构的截面尺寸，扩大建筑使用面积，很大程度上改善了建筑物的使用功能;另外由于结构截面尺寸的减小，大大减少了建筑物结构的自重，从而解决了建筑物的结构自重占主要因素的问题。不仅如此，由于混凝土强度的提高，还能节约混凝土的原材料、加快施工进度提高建筑工程的经济效益。(2)耐久性。高效减水剂和超细磨粉煤灰、磨细矿粉、优质粉煤灰等的配合使用，能有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，并且能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，这是高性能混凝土应用的主要目的。(3)稳定性。由于高性能混凝土的强度高，变形很，所以混凝土的钢度大大增加，减少了混凝土预应力的损失。因此，高性能混凝土能适应现代化建筑结构大跨度、超高层和承受恶劣等环境条件。(4)工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，高性能混凝土的坍落度控制功能很好，在振捣过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同的振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少会产生离析的现象。(5)经济性。高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；高性能混凝土良好的耐久性和稳定性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。四、高性能混凝土原材料及其选用1、骨料高性能混凝土的骨料选择，对于保证高性能混凝土的物理力学性能和长期耐久性至关重要，清华大学混凝土专家冯乃谦认为，要选择适宜的骨料配置高性能混凝土，必须注意骨料的品种、表观密度、吸水率、粗骨料强度、粗骨料最大粒径、粗骨料级配、浆骨比、砂率和碱活性组分含量等指标。在混凝土中，骨料具有重要的技术作用和经济作用，正确的选择骨料的品种，是配制高性能混凝土的基础。在普通混凝土中，一般骨料的强度高于混凝土的3～4倍，虽然骨料不同，但混凝土的抗压强度差别很小；但在高性能混凝土中，随着混凝土强度的提高，骨料的差别对混凝土的抗压强度影响很大，甚至骨料的粒径、粒形、表面状况、级配及最佳砂率、骨灰比都会成为影响高性能混凝土强度的因素。对于高性能混凝土来说，骨料的选择应考虑以下问题：(1)级配要好：混凝土骨料，既要求级配合格，也要粒径粗细、大小适中。空隙率尽可能低，这样当达到相同流动性时，水泥浆的用量低，混凝土的自收缩变形低，水化热低，体积稳定性好，对强度耐久性有利。(2)物理性能好：骨料的表观密度和堆积密度要大、吸水率要低，表面要粗糙、粒径好。表观密度2.65,堆积密度1450kg/m3,这样可以降低骨料的空隙率，降低水泥浆用量，有利于流动性，耐久性和强度。吸水率1.0%，说明岩石比较致密，稳定性好。(3)力学性能：不含有软弱颗粒的骨料或风化骨料。岩石抗压强度应为混凝土强度的1.5倍以上。骨料弹性模量越大，混凝土的弹性模量也相应增大。(4)化学性能：骨料应是无碱活性骨料，避免高性能混凝土中发生碱-骨料反应。不含泥块且含泥量1.0%；不含有机物、硫化物和硫酸盐等杂质。2、水混凝土拌合用水是在混凝土搅拌时，加入其中赋予混凝土流动性，和水泥发生水化反应，使混凝土凝结、硬化及满足其强度发展。拌合用水对拌合料的性能、混凝土的凝结、硬化、强度发展、体积变化以及工作度等方面都有很大影响。拌制或养护混凝土的用水，不能含有对混凝土中钢筋产生有害影响的物质。通常使用清洁的能饮用的河水、井水、自来水、湖水及溪涧水(pH值不得小于4)等。但沼泽水、工厂废水以及含矿物质较多的硬质水则不得使用；水中含有脂肪、糖类、酸类等有害物质时则应禁止使用。《混凝土拌合用水标准》(JGJ63-2006)对混凝土拌合水有如下技术要求：(1)对凝结时间的影响；用被检验水和生活用水，进行水泥凝结时间试验。两者的初凝和终凝时间差不得大于30min，而且要符合水泥国家标准的规定。(2)对抗压强度的影响；被检验水样应与饮用水样进行水泥胶砂强度对比试验，被检验水样配制的水泥胶砂3d和28d强度不应低于饮用水配制的水泥胶砂3d和28d强度的90％。(3)未经处理的海水严禁用于钢筋混凝土和预应力混凝土。（4）拌和用水不得采用海水。当混凝土处于氯盐锈蚀环境时，拌和用水中Cl-含量不应大于200mg/L。对于使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，拌和水中Cl-含量不得超过350mg/L。（5）养护用水除不溶物、可溶物可不作要求外，其他项目应符合规定。养护用水不得采用海水。3、水泥配制高性能混凝土时选用的水泥应符合以下要求：（1）标准稠度的用水量要低，以获得较大的流动性。（2）水化放热量和放热率均要低，以便最大限度地减少因温度应力引起的裂缝。（3）水泥水化后的强度要高，以保证以最少的水泥用量获得较高的混凝土强度。水泥通常选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级不宜低于42.5级。水泥亦可选择矿渣水泥、粉煤灰水泥或球状水泥、调粒水泥等低水灰比的特性水泥。水泥要有出厂合格证明以及复检合格证明，高性能混凝土拌制使用的水泥质量应严格控制，严禁使用不合格或过期的水泥。4、矿物掺合料矿物掺合料主要是粉煤灰、矿渣、硅粉等，它们是辅助胶凝材料，近几年来在普通混凝土应用中越来越普遍，一方面是由于经济效益显著，另一方面是因为使用这种材料可以得到技术效果。在高性能混凝土中，应用辅助胶凝材料的作用就更为突出。高性能混凝土的高强度部分来源于其基材的密实，即使有一部分水泥被一种或者多种辅助胶凝材料代替，也不会对混凝土的早期强度有副作用。此外，化学活性较低的辅助胶凝材料代替部分水泥，从控制水化放热和流变性能的角度也是有益的。对掺合料的要求。合理选用掺合料品种及合理控制其最优掺合用量，可提高混凝土强度20%以上，对提高混凝土的工作性和耐久性、抑制碱-骨料反应、减少泌水离析现象的产生、降低徐变和收缩等都有着重要作用。高性能混凝土的矿物掺合料可选用优质粉煤灰、磨细矿渣、硅粉或天然沸石岩等材料。在配置高性能混凝土时，用作混凝土掺合料的硅粉用量一般为水泥的5%～15%，煤灰一般应选用Ⅰ级灰，同时用作掺合料的粉煤灰应该符合国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/J1596-2005）的技术规范。五、高性能混凝土的施工与质量控制混凝土的制造和施工在很大程度上决定了混凝土的性能。加料顺序是否正确，拌和是否彻底、均匀、运输与搬运过程中混凝土拌合物是否离析、振捣是否密实、养护是否充分等均是影响高性能混凝土质量的重要因素。(1)搅拌。混凝土原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量，称量最大允许偏差应符合下列规定(按重量计)：胶凝材料(水泥、掺合料等)±1%；外加剂±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。应采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌混凝土，也可以应用普通混凝土的施工设备进行施工，采用电子计量系统计量原材料，并且要增加原材料质量变化的检查次数。搅拌时间不宜少于2min，也不宜超过3min。炎热季节或寒冷季节搅拌混凝土时，必须采取有效措施控制原材料的温度，以保证混凝土入模温度符合规定要求。(2)运输。应采取有效措施保证混凝土在运输的过程中保持均匀性和各项工作性能指标不发生明显的波动。应对运输设备采取保温隔热措施,防止局部混凝土温度升高(夏季)或受冻(冬季)。且应采取适当措施防止水分进入运输容器或蒸发。(3)浇筑。高性能混凝土入模前，应采用专用检测设备测定混凝土的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能；只有拌合物性能符合设计要求或配合比要求的混凝土方可入模浇筑。高性能混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于2m当大于2m时，应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送混凝土，保证混凝土不出现分层离析现象。混凝土的浇筑应采用分层连续推移的方式进行，间隙时间不得超过90min，不得随意留置施工缝。新浇混凝土与邻接的己硬化混凝土或岩土介质间浇筑时的温差不得大于15℃。(4)振捣。可采用插入式振动棒、附着式平板振捣器、表面平板振捣器等振捣设备振捣混凝土。振捣时应避免碰撞模板、钢筋及预埋件。采用插入式振捣器振捣混凝土时，宜采用垂直点振方式振捣。每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡，一般不宜超过30s，避免振动过度。若需变换振捣棒在混凝土拌合物中的水平位置，应首先竖向缓慢将振捣棒拔出，然后再将振捣棒移至新的位置，不得将振捣棒放在拌合物内平拖。(5)养护。高性能混凝土早期强度增长较快，一般3天可以达到设计强度的60%，7天达到设计强度的80%，因而混凝土早期养护特别重要。通常在混凝土浇注完毕后采取以带模养护为主，浇水养护为辅，使混凝土表面保持湿润。此外，高性能混凝土会有较高的水化热，根据混凝土成分和环境条件的不同，大约在浇筑后24～48h会到达最高温度，所以高性能混凝土施工时一般不应过早拆模，同时拆模后应持续保护几小时再移走模板，以避免混凝土受到冷击。同时，正确的抹面和水养护是获得不透水表面的重要步骤，对于低水灰比的高性能混凝土，不仅需要保持内部水分不蒸发，还要注重从外部环境中补充水分，应进行外界潮湿养护，以保证混凝土充分水化，提高混凝土的综合性能。施工与质量控制流程图如下所示：不合格合格不合格原材料报验进场、待检料罐附材质单矿粉粉煤灰砂石水进场、待检料仓另选合格用水不合格筛洗或处理检验不合格合格合格不合格合格合格外加剂水泥进场、待检区附材质单不合格退货合格检验检验检验监理单位验收进行混凝土生产准备合格不合格进入合格料罐、料仓调整计算配料单试拌调整不合格合格监理审查不合格合格搅拌站称量系统报验称量系统检定或调整施工单位开混凝土要料单试验室配料单计算、校核重测骨料含水、砂细度模数和骨料级配出机性能检测取样检验检验试验查找原因调整配比运输入仓浇筑养护验收各原材料定称、校核混凝土生产进入下一个循环六、高性能混凝土发展和应用中所面临的问题高性能混凝土在我国的应用过程中也存在一些问题：原材料方面，我国水泥质量不稳定，离散性大；粗骨料的质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，也缺乏充分的适用性研究。在高性能混凝土的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使高性能混凝土的密实性和质