高強高性能混凝土

    根據《高強混凝土結構技術規(guī)程》（CECS104：99），將強度等級大于等于C50的混凝土稱為高強混凝土；將具有良好的施工和易性和優(yōu)異耐久性，且均勻密實的混凝土稱為高性能混凝土；同時具有上述各性能的混凝土稱為高強高性能混凝土；而《普通混凝土配合比設計規(guī)范》（JGJ55－2000）中則將強度等級大于等于C60的混凝土稱為高強混凝土；《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010－2002）則未明確區(qū)分普通混凝土或高強混凝土，只規(guī)定了鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C15，混凝土強度范圍從C15～C80。綜合國內外對高強混凝土的研究和應用實踐，以及現(xiàn)代混凝土技術的發(fā)展，將大于等于C60的混凝土稱為高強度混凝土是比較合理的。

    獲得高強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，并同時采用高強度等級的水泥和優(yōu)質骨料。對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級粉煤灰或超細磨粉煤灰、磨細礦粉、沸石粉、偏高嶺土、硅粉等，有時也可摻適量超細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。強度等級選擇一般為：C50～C80混凝土宜用強度等級42.5；C80以上選用更高強度的水泥。1m³混凝土中的水泥用量要控制在500kg以內，且盡可能降低水泥用量。水泥和礦物摻合料的總量不應大于600kg/m³。

    （二）摻合料

    1．硅粉：它是生產硅鐵時產生的煙灰，故也稱硅灰，是高強混凝土配制中應用最早、技術最成熟、應用較多的一種摻合料。硅粉中活性SiO₂含量達90%以上，比表面積達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度和強度。硅灰的適宜摻量為水泥用量的5%～10%。

    研究結果表明，硅粉對提高混凝土強度十分顯著，當外摻6～8%的硅灰時，混凝土強度一般可提高20%以上，同時可提高混凝土的抗?jié)B、抗凍、耐磨、耐堿－骨料反應等耐久性能。但硅灰對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、減小混凝土流動性、加速混凝土的坍落度損失等。

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

    3．優(yōu)質粉煤灰：一般選用I級灰，利用其內含的玻璃微珠潤滑作用，降低水灰比，以及細粉末填充效應和火山灰活性效應，提高混凝土強度和改善綜合性能。摻量一般控制在20%～30%之間。I級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，并增強了內養(yǎng)護，從而提高混凝土后期強度和耐久性，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理與硅粉及其他火山灰相似，除了微粉的填充效應和對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，故有超級火山灰（Super-Pozzolan）之稱。

    研究結果表明，摻入偏高嶺土能顯著提高混凝土的早期強度和長期抗壓強度、抗彎強度及劈裂抗拉強度。由于高活性偏高嶺土對鉀、鈉和氯離子的強吸附作用和對水化產物的改善作用，能有效抑制混凝土的堿－骨料反應和提高抗硫酸鹽腐蝕能力。J.Bai的研究結果表明，隨著偏高嶺土摻量的提高，混凝土的坍落度將有所下降，因此需要適當增加用水量或高效減水劑的用量。A.Dubey的研究結果表明，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《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T18736－2002）規(guī)定了用于高強高性能混凝土有礦物外加劑的技術性能要求。見表4－23。

 

    （三）外加劑

    高效減水劑（或泵送劑）是高強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，也可同時摻入引氣劑、緩凝劑、防水劑、膨脹劑、防凍劑等。摻量可根據不同品種和要求根據需要選用。

    （四）砂、石料

    一般宜選用級配良好的中砂，細度模數(shù)宜大于2.6。含泥量不應大于1.5%，當配制C70以上混凝土，含泥量不應大于1.0%。有害雜質控制在國家標準以內。

    石子宜選用碎石，最大骨料粒徑一般不宜大于25mm，強度宜大于混凝土強度的1.20倍。對強度等級大于C80的混凝土，最大粒徑不宜大于20mm。針片狀含量不宜大于5%，含泥量不應大1.0%，對強度等級大于C100的混凝土，含泥量不應大于0.5%。

    二、高強高性能混凝土的配合比設計

    高強高性能混凝土配合比設計理論尚不完善，一般可尊循下列原則進行。

    （一）水灰比W/C

    普通混凝土配合比設計中的鮑羅米公式對C60以上的混凝土已不盡適用，但水灰比仍是決定混凝土強度的主要因素，目前尚無完善的公式可供選用，故配合比設計時通常根據設計強度等級、原材料和經驗選定水灰比。

    （二）用水量和水泥用量

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

    （三）砂率

    對泵送高強混凝土，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，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，尚要考慮對混凝土坍落度損失、保水性和粘聚性的影響，更要考慮對強度、耐久性和收縮的影響。

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

    （五）摻合料

    其摻量通常根據混凝土性能要求和摻合料品種性能，結合原有試驗資料和經驗選擇并通過試驗確定。

    其他設計計算步驟與普通混凝土基本相同。

    三、高強高性能混凝土的主要技術性質

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

    2．高強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均十分優(yōu)異，可極大地提高混凝土結構物的使用年限。

    3．由于混凝土強度高，因此構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，簡化地基處理，并使高強鋼筋的應用和效能得以充分利用。

    4．高強混凝土的彈性模量高，徐變小，可大大提高構筑物的結構剛度。特別是對預應力混凝土結構，可大大減小預應力損失。

    5．高強混凝土的抗拉強度增長幅度往往小于抗壓強度，即拉壓比相對較低，且隨著強度等級提高，脆性增大，韌性下降。

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

    四、高強高性能混凝土的應用

    高強高性能混凝土作為建設部推廣應用的十大新技術之一，是建設工程發(fā)展的必然趨勢。發(fā)達國家早在20世紀50年代即已開始研究應用。我國約在20世紀80年代初首先在軌枕和預應力橋梁中得到應用。高層建筑中應用則始于80年代末，進入90年代以來，研究和應用增加，北京、上海、廣州、深圳等許多大中城市已建起了多幢高強高性能混凝土建筑。

    隨著國民經濟的發(fā)展，高強高性能混凝土在建筑、道路、橋梁、港口、海洋、大跨度及預應力結構、高聳建筑物等工程中的應用將越來越廣泛，強度等級也將不斷提高，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得到應用。