高強(qiáng)高性能混凝土的研究與應(yīng)用是混凝土材料科學(xué)領(lǐng)域的重要分支。近年隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，建筑技術(shù)水平的提高，對(duì)混凝土性能提出了更高的要求；同時(shí)新型高性能外加劑的問(wèn)世，礦物摻和料的成熟應(yīng)用給配制高強(qiáng)高性能混凝土提供了技術(shù)保障。文獻(xiàn)報(bào)道國(guó)際上已有150 MPa預(yù)制超高強(qiáng)混凝土構(gòu)件和130 MPa現(xiàn)澆超高強(qiáng)混凝土的成功案例1。我國(guó)也多有C80~C100混凝土研究的報(bào)道和一些零星的應(yīng)用。
目前國(guó)際上研究高強(qiáng)高性能混凝土比較通用的方法是在混凝土中同時(shí)摻入高性能外加劑和礦物摻和料的雙摻技術(shù)法。我們認(rèn)為對(duì)于高強(qiáng)混凝土在原材料的基本性能得到保證的前提下,混凝土的密實(shí)度是混凝土高強(qiáng)的關(guān)鍵。同時(shí)為保證高強(qiáng)混凝土能泵送至百米以上，混凝土的泵送性能也是我們關(guān)注的重點(diǎn)。
對(duì)于普通混凝土，原材料性能對(duì)混凝土的影響比較有限；而對(duì)于高強(qiáng)高性能混凝土,原材料本身的性能對(duì)混凝土影響較大。所以我們的研究從原材料的品質(zhì)選擇著手，圍繞著如何使混凝土更加密實(shí)，確定初步的配合比，然后通過(guò)驗(yàn)證復(fù)試，通過(guò)在攪拌樓上進(jìn)行中試，確定最終實(shí)際生產(chǎn)的配合比。
1 混凝土原材料的選擇
1.1水泥的確定
近年來(lái)由于水泥的廠家的不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致不同廠家，甚至同一廠家不同產(chǎn)地的水泥波動(dòng)很大，所以我們選擇水泥的前提是能夠保證批量供應(yīng)且品質(zhì)穩(wěn)定。根據(jù)前期的一些試驗(yàn)和文獻(xiàn)資料，決定使用52.5PI或P.II的水泥。在對(duì)不同廠家水泥進(jìn)行對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中遵循幾個(gè)規(guī)則：微觀上水泥本身的顆粒級(jí)配好，宏觀上水泥強(qiáng)度發(fā)展好，需水量小，與外加劑的適應(yīng)性好，配制的混凝土粘性小?？紤]到實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)，希望水泥與外加劑作用較快以提高生產(chǎn)效率。
首先對(duì)在上海地區(qū)可能采用的嘉新京陽(yáng)P.II52.5，聯(lián)合P.I52.5和寧國(guó)P.I52.5水泥進(jìn)行比較，從需水量試驗(yàn)和單純水泥的膠砂強(qiáng)度看，其差異不大，都比較好。從圖1的凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)上，寧國(guó)水泥在初始略好于其他兩水泥；而且其與水泥的作用時(shí)間相對(duì)較快，可以減少實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的攪拌時(shí)間。
同時(shí)混凝土試驗(yàn)顯示，綜合考慮混凝土的粘性情況，坍落度隨時(shí)間的變化情況和強(qiáng)度發(fā)展，選擇了寧國(guó)水泥來(lái)配制C80混凝土。
水泥的顆粒級(jí)配對(duì)水泥本身的需水量和強(qiáng)度影響很大。國(guó)內(nèi)比較公認(rèn)的水泥最佳顆粒級(jí)配為3～32μm粒對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)起主要作用，其間粒度分布是連續(xù)的，總量不低于65%，16～24μm的顆粒對(duì)水泥的性能尤為重要，含量愈多愈好，小于3μm的細(xì)顆粒，易結(jié)團(tuán)，不要超過(guò)10%，大于65μm的顆?；钚院苄。詈脹](méi)有。
寧國(guó)P.I52.5水泥經(jīng)激光粒度儀測(cè)試，顆粒分布曲線如圖2
可見(jiàn)2.866μm以下的顆粒體積總量小于10%，24.48μm以下的顆粒占總量的75%，即水泥中65%的量集中在2.866μm~24.48μm區(qū)間，對(duì)性能起主要作用的14.03μm~24.48μm顆粒占25%，整個(gè)顆粒級(jí)配比較合理。
水泥的顆粒分布可以用RRSB方程表述
y(x)=100-R(x)=100-100exp[-(x/X)n]
y(x)──粒徑x的篩析通過(guò)量，%；
R(x)──粒徑x的篩余量，%；
x──粒徑，µm；
X──特征粒徑（R(x)=100e-1=36.79%時(shí)的粒徑），µm；
n──均勻性系數(shù)。
20世紀(jì)80年代中后期S.Tsivilis等學(xué)者對(duì)硅酸鹽水泥最佳顆粒級(jí)配研究后提出:硅酸鹽水泥中3~30μm的顆粒應(yīng)占65%以上，3μm顆粒應(yīng)在10%。即
y(30)-y(3)≥65
y(3)≤10
得出特征粒徑X在19.6μm~24.0μm，而均勻性系數(shù)在1.12~1.20范圍為最佳顆粒級(jí)配.寧國(guó)P.I52.5水泥特征粒徑X為21.69μm。
1.2 混凝土外加劑的選擇
作為走在混凝土材料科學(xué)的前沿的外加劑，在高強(qiáng)混凝土的研究中起著舉足輕重的作用。新一代的聚羧酸鹽減水劑由于其獨(dú)特的空間位阻效應(yīng)，使其包裹在水泥顆粒周圍時(shí)的排斥力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)外加劑的靜電斥力，所以其對(duì)水泥的分散效果非常優(yōu)異。宏觀的表現(xiàn)，其減水率可達(dá)40%以上。
但是不同的聚羧酸鹽減水劑由于其支鏈長(zhǎng)短的不同，和聚合的官能團(tuán)的不同，導(dǎo)致混凝土的保坍能力不同，對(duì)強(qiáng)度的影響不同，對(duì)相同膠凝材料的流變性也存在差異。
由于施工周期在夏季，所以在外加劑的選擇過(guò)程中，我們?cè)陉P(guān)注新拌混凝土的和易性同時(shí)，還考察其1小時(shí)和2小時(shí)的坍損情況。
在經(jīng)過(guò)前期不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的對(duì)比后，最后在上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司提供的GLENIUM SP-8CN 和CR的對(duì)比上。
從上表可見(jiàn)，用以一定程度表征混凝土流變性能的倒錐試驗(yàn)可見(jiàn)，不管是初始還是2小時(shí)后，摻SP-8CR混凝土比摻SP-8CN的混凝土的倒錐時(shí)間小，即混凝土的粘性小，摻SP-8CR混凝土坍落度有些倒大，與其凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。摻SP-8CR的混凝土早期強(qiáng)度相對(duì)稍低，而后期增長(zhǎng)較好。所以結(jié)合工程施工基本在夏季，需要混凝土相對(duì)凝結(jié)時(shí)間稍長(zhǎng)，最終選擇了SP-8CR。
1.3 混凝土用砂的選擇
CECS104:99 《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，C70以上規(guī)定混凝土宜選用質(zhì)地堅(jiān)硬，級(jí)配良好的河砂或人工砂，細(xì)度模數(shù)不宜小于2.6，含泥量不應(yīng)大于1.0%。我們選用蕪湖砂：
同時(shí)從多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高強(qiáng)混凝土，砂子級(jí)配的好壞對(duì)高強(qiáng)混凝土流動(dòng)性影響很大，從圖4的級(jí)配曲線中可看到蕪湖砂在在II區(qū)范圍內(nèi)各個(gè)篩分尺寸點(diǎn)的量比較合理。
1.4 混凝土用石的選擇
由于粗骨料的顆粒大小影響骨料與漿體間的界面粘結(jié)力，粒徑越大其粘結(jié)強(qiáng)度越小。文獻(xiàn)中多有使用13mm和19mm粒徑高標(biāo)號(hào)混凝土的成功案例。我們選用5~20mm石子。與普通混凝土不同，骨料本身的強(qiáng)度、顆粒的形狀和含泥量對(duì)高強(qiáng)混凝土的新拌性能和混凝土的強(qiáng)度致關(guān)重要。所以我們對(duì)選用石子的壓碎指標(biāo)、含泥量和針片狀含量都有一定的要求。最終選用粒型良好的新開(kāi)元石子，并進(jìn)行過(guò)沖洗。
混凝土的密實(shí)，就是漿體能完全填充石子的空隙。而石子的粒型和級(jí)配直接影響石子的空隙率。
從圖5的級(jí)配曲線中可發(fā)現(xiàn)，盡管總體選用的石子較好，但9.5檔的篩余還是偏多，不盡理想。
2 混凝土配合比的確定
查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并結(jié)合他人的成功經(jīng)驗(yàn)，初步定下配比中總膠550~580公斤，混凝土的容重在2440左右，石子用量不少于1000公斤。
2.1 膠凝材料比例的確定
一個(gè)好的配合比中，膠凝材料構(gòu)成的體系也符合最緊密堆積理論，一方面可以充分發(fā)揮微集料的密實(shí)填充效應(yīng)，這樣混凝土的密實(shí)度最大，空隙率最?。涣硗庖环矫孢@個(gè)復(fù)合體系在達(dá)到相同的流動(dòng)度時(shí)，需水量應(yīng)該最小。從參與水化情況來(lái)看，單個(gè)粉體材料細(xì)度越小，活性越高，但需水量會(huì)增大，復(fù)合體系的粒徑分布應(yīng)該在工作性與充分發(fā)揮活性之間有一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。
水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉分別以不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)合組成復(fù)合膠凝體系，測(cè)定其需水量、強(qiáng)度等宏觀性能指標(biāo)，從而發(fā)現(xiàn)它們的最佳匹配關(guān)系。
在選定水泥牌號(hào)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)不同比例的膠凝材料用同摻量的SP-8進(jìn)行了凈漿流動(dòng)度比較。
可見(jiàn)有5種組合凈漿表現(xiàn)都在226以上，對(duì)其中4組進(jìn)行了混凝土的驗(yàn)證，A11不僅混凝土粘性小，而且強(qiáng)度發(fā)展好。
從膠凝材料B的粒徑分布圖中可見(jiàn)與純水泥粒徑分布相比，其與高性能混凝土膠凝材料的最佳級(jí)配Fuller曲線比較接近。最佳顆粒級(jí)配可用下式表示：
y0(x)=100(x/100)0.4
y0(x)──粒徑x的篩析通過(guò)量，%；
x──篩孔粒徑，µm。
2.2 用水量和外加劑摻量的確定
在用水量確定的一系列試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的原材料條件下，對(duì)于高強(qiáng)混凝土并非水灰比越低越好。當(dāng)水灰比過(guò)低，不僅混凝土料粘稠，不宜于施工，而且混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展不好，甚至倒縮。切割混凝土試塊后，在混凝土的中心也發(fā)現(xiàn)未水化膠凝顆粒。我們認(rèn)為是過(guò)低的水灰比，不足以提供水泥水化所需的水量，反而降低混凝土中骨料周圍的界面粘結(jié)能力。
不同的混凝土用水量，通過(guò)調(diào)整外加劑的摻量達(dá)到基本相同的擴(kuò)展度時(shí)進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)用水量為150公斤左右時(shí)，不僅混凝土的料比較松，易于施工，而且混凝土的強(qiáng)度也有一定的保證。
對(duì)所選定的寧國(guó)P.I52.5水泥和外加劑進(jìn)行不同摻量?jī)魸{流動(dòng)度試驗(yàn)，可見(jiàn)摻量的選擇是在一個(gè)較寬泛的范圍。針對(duì)用水量150公斤，我們?cè)嚵藥讉€(gè)摻量點(diǎn)，最后鎖定在1.8%的摻量。
2.3 砂率的選擇
混凝土的普適體積模型認(rèn)為：混凝土各組成材料具有體積加和性，石子的空隙由干砂漿來(lái)填充；干砂漿的體積由水來(lái)填充；干砂漿由水泥、細(xì)摻料、砂和空氣組成。根據(jù)此模型，可以推算混凝土砂率的計(jì)算通式：
SP=
其中Ves——干砂漿的體積，
Ve——漿體的體積。
前面提到所選用石子的堆積空隙率為45%，這就意味著干砂漿的體積在每方混凝土中必須大于450L，才能填充滿石子的空隙。根據(jù)我們確定的膠凝材料和用水量，推算出砂率為41.8%。
同時(shí)我們?cè)谄渌牧喜蛔兊臈l件下，對(duì)不同的砂率進(jìn)行混凝土對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表8。
砂率從37%到47%坍落度有所增大，擴(kuò)展度有所減小,說(shuō)明混凝土的包裹性增加。伴隨著砂率的增大，集料的比表面積就相應(yīng)增加，所以在相同用水量的情況下漿體包裹集料的包裹性就好。試驗(yàn)顯示混凝土含氣量差異不大，粘性也未見(jiàn)明顯變化；混凝土的28天強(qiáng)度砂率47%時(shí)相對(duì)稍小，其他都在波動(dòng)范圍內(nèi)。考慮到實(shí)際工程需將混凝土泵送至百米，所以我們將砂率控制在42%左右。
3 配合比的復(fù)驗(yàn)及中試
在配合比基本確定后，我們有進(jìn)行了多次的驗(yàn)證。
C80混凝土基本測(cè)試數(shù)據(jù)：
基本配比：
在10組的驗(yàn)證試驗(yàn)中，擴(kuò)展度控制在620~720mm, 28天平均強(qiáng)度為101.7 Mpa，方差為5.57
C100混凝土基本測(cè)試數(shù)據(jù)：
配合比：
14組試驗(yàn)中，擴(kuò)展度580~680 mm，28天平均強(qiáng)度為111.2 Mpa，最低102.4 Mpa。
此次中試另增加了表征混凝土粘性指標(biāo)的T50和L型流槽的測(cè)試。T50為混凝土流淌至擴(kuò)展度達(dá)500 mm時(shí)所需的時(shí)間，混凝土粘性小，流動(dòng)快，T50值就小；L型槽內(nèi)配有一定間距的鋼筋，以混凝土在槽內(nèi)流經(jīng)一定距離所需的時(shí)間，混凝土流淌過(guò)程中混凝土和易性以及混凝土停止流動(dòng)后混凝土前后兩端高差來(lái)評(píng)價(jià)混凝土。
此次混凝土流經(jīng)400mm只用了9秒，整個(gè)流淌過(guò)程中混凝土包裹性保持良好，停止后兩端幾乎沒(méi)有高差，說(shuō)明混凝土均勻性很好。
4 結(jié)論
1. 配制高強(qiáng)高性能混凝土原材料品質(zhì)是基礎(chǔ)，對(duì)于膠凝材料、砂、石優(yōu)先選用級(jí)配好的材料。外加劑選擇與水泥適應(yīng)性好，粘性小的外加劑。
2. 混凝土配合比設(shè)計(jì),應(yīng)滿足各原材料的相互填充,使混凝土致密, 并為滿足施工要求達(dá)到混凝土強(qiáng)度與和易性、施工性的平衡。
作者：上海建工材料工程有限公司 吳德龍
上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司 吳慧華
