高強高性能混凝土的研究與應用是混凝土材料科學領域的重要分支。近年隨著中國基礎建設的蓬勃發(fā)展，建筑技術水平的提高，對混凝土性能提出了更高的要求；同時新型高性能外加劑的問世，礦物摻和料的成熟應用給配制高強高性能混凝土提供了技術保障。文獻報道國際上已有150 MPa預制超高強混凝土構件和130 MPa現(xiàn)澆超高強混凝土的成功案例1。我國也多有C80~C100混凝土研究的報道和一些零星的應用。
目前國際上研究高強高性能混凝土比較通用的方法是在混凝土中同時摻入高性能外加劑和礦物摻和料的雙摻技術法。我們認為對于高強混凝土在原材料的基本性能得到保證的前提下,混凝土的密實度是混凝土高強的關鍵。同時為保證高強混凝土能泵送至百米以上，混凝土的泵送性能也是我們關注的重點。
對于普通混凝土，原材料性能對混凝土的影響比較有限；而對于高強高性能混凝土,原材料本身的性能對混凝土影響較大。所以我們的研究從原材料的品質選擇著手，圍繞著如何使混凝土更加密實，確定初步的配合比，然后通過驗證復試，通過在攪拌樓上進行中試，確定最終實際生產的配合比。
1 混凝土原材料的選擇
1.1水泥的確定
近年來由于水泥的廠家的不斷擴張，導致不同廠家，甚至同一廠家不同產地的水泥波動很大，所以我們選擇水泥的前提是能夠保證批量供應且品質穩(wěn)定。根據前期的一些試驗和文獻資料，決定使用52.5PI或P.II的水泥。在對不同廠家水泥進行對于試驗過程中遵循幾個規(guī)則：微觀上水泥本身的顆粒級配好，宏觀上水泥強度發(fā)展好，需水量小，與外加劑的適應性好，配制的混凝土粘性小?？紤]到實際規(guī)模化生產，希望水泥與外加劑作用較快以提高生產效率。
首先對在上海地區(qū)可能采用的嘉新京陽P.II52.5，聯(lián)合P.I52.5和寧國P.I52.5水泥進行比較，從需水量試驗和單純水泥的膠砂強度看，其差異不大，都比較好。從圖1的凈漿流動度試驗上，寧國水泥在初始略好于其他兩水泥；而且其與水泥的作用時間相對較快，可以減少實際生產過程中的攪拌時間。
同時混凝土試驗顯示，綜合考慮混凝土的粘性情況，坍落度隨時間的變化情況和強度發(fā)展，選擇了寧國水泥來配制C80混凝土。
水泥的顆粒級配對水泥本身的需水量和強度影響很大。國內比較公認的水泥最佳顆粒級配為3～32μm粒對強度增長起主要作用，其間粒度分布是連續(xù)的，總量不低于65%，16～24μm的顆粒對水泥的性能尤為重要，含量愈多愈好，小于3μm的細顆粒，易結團，不要超過10%，大于65μm的顆粒活性很小，最好沒有。
寧國P.I52.5水泥經激光粒度儀測試，顆粒分布曲線如圖2
可見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，對性能起主要作用的14.03μm~24.48μm顆粒占25%，整個顆粒級配比較合理。
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%時的粒徑），µm；
n──均勻性系數(shù)。
20世紀80年代中后期S.Tsivilis等學者對硅酸鹽水泥最佳顆粒級配研究后提出:硅酸鹽水泥中3~30μm的顆粒應占65%以上，3μm顆粒應在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范圍為最佳顆粒級配.寧國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的前沿的外加劑，在高強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特的空間位阻效應，使其包裹在水泥顆粒周圍時的排斥力遠大于傳統(tǒng)外加劑的靜電斥力，所以其對水泥的分散效果非常優(yōu)異。宏觀的表現(xiàn)，其減水率可達40%以上。
但是不同的聚羧酸鹽減水劑由于其支鏈長短的不同，和聚合的官能團的不同，導致混凝土的保坍能力不同，對強度的影響不同，對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程中，我們在關注新拌混凝土的和易性同時，還考察其1小時和2小時的坍損情況。
在經過前期不同生產廠家的產品的對比后，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的對比上。
從上表可見，用以一定程度表征混凝土流變性能的倒錐試驗可見，不管是初始還是2小時后，摻SP-8CR混凝土比摻SP-8CN的混凝土的倒錐時間小，即混凝土的粘性小，摻SP-8CR混凝土坍落度有些倒大，與其凝結時間較長相對應。摻SP-8CR的混凝土早期強度相對稍低，而后期增長較好。所以結合工程施工基本在夏季，需要混凝土相對凝結時間稍長，最終選擇了SP-8CR。
1.3 混凝土用砂的選擇
CECS104:99 《高強混凝土結構技術規(guī)范》規(guī)定，C70以上規(guī)定混凝土宜選用質地堅硬，級配良好的河砂或人工砂，細度模數(shù)不宜小于2.6，含泥量不應大于1.0%。我們選用蕪湖砂：
同時從多次試驗中發(fā)現(xiàn)，對于高強混凝土，砂子級配的好壞對高強混凝土流動性影響很大，從圖4的級配曲線中可看到蕪湖砂在在II區(qū)范圍內各個篩分尺寸點的量比較合理。
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力，粒徑越大其粘結強度越小。文獻中多有使用13mm和19mm粒徑高標號混凝土的成功案例。我們選用5~20mm石子。與普通混凝土不同，骨料本身的強度、顆粒的形狀和含泥量對高強混凝土的新拌性能和混凝土的強度致關重要。所以我們對選用石子的壓碎指標、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元石子，并進行過沖洗。
混凝土的密實，就是漿體能完全填充石子的空隙。而石子的粒型和級配直接影響石子的空隙率。
從圖5的級配曲線中可發(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
查閱了大量的文獻資料，并結合他人的成功經驗，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
一個好的配合比中，膠凝材料構成的體系也符合最緊密堆積理論，一方面可以充分發(fā)揮微集料的密實填充效應，這樣混凝土的密實度最大，空隙率最??；另外一方面這個復合體系在達到相同的流動度時，需水量應該最小。從參與水化情況來看，單個粉體材料細度越小，活性越高，但需水量會增大，復合體系的粒徑分布應該在工作性與充分發(fā)揮活性之間有一個最佳平衡點。
水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉分別以不同的質量分數(shù)復合組成復合膠凝體系，測定其需水量、強度等宏觀性能指標，從而發(fā)現(xiàn)它們的最佳匹配關系。
在選定水泥牌號的基礎上，我們對不同比例的膠凝材料用同摻量的SP-8進行了凈漿流動度比較。
可見有5種組合凈漿表現(xiàn)都在226以上，對其中4組進行了混凝土的驗證，A11不僅混凝土粘性小，而且強度發(fā)展好。
從膠凝材料B的粒徑分布圖中可見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配Fuller曲線比較接近。最佳顆粒級配可用下式表示：
y0(x)=100(x/100)0.4
y0(x)──粒徑x的篩析通過量，%；
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中我們發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的原材料條件下，對于高強混凝土并非水灰比越低越好。當水灰比過低，不僅混凝土料粘稠，不宜于施工，而且混凝土后期強度發(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。我們認為是過低的水灰比，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能力。
不同的混凝土用水量，通過調整外加劑的摻量達到基本相同的擴展度時進行比較，可發(fā)現(xiàn)當用水量為150公斤左右時，不僅混凝土的料比較松，易于施工，而且混凝土的強度也有一定的保證。
對所選定的寧國P.I52.5水泥和外加劑進行不同摻量凈漿流動度試驗，可見摻量的選擇是在一個較寬泛的范圍。針對用水量150公斤，我們試了幾個摻量點，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填充；干砂漿的體積由水來填充；干砂漿由水泥、細摻料、砂和空氣組成。根據此模型，可以推算混凝土砂率的計算通式：
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。根據我們確定的膠凝材料和用水量，推算出砂率為41.8%。
同時我們在其他材料不變的條件下，對不同的砂率進行混凝土對比試驗，結果如表8。
砂率從37%到47%坍落度有所增大，擴展度有所減小,說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。試驗顯示混凝土含氣量差異不大，粘性也未見明顯變化；混凝土的28天強度砂率47%時相對稍小，其他都在波動范圍內。考慮到實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 配合比的復驗及中試
在配合比基本確定后，我們有進行了多次的驗證。
C80混凝土基本測試數(shù)據：
基本配比：
在10組的驗證試驗中，擴展度控制在620~720mm, 28天平均強度為101.7 Mpa，方差為5.57
C100混凝土基本測試數(shù)據：
配合比：
14組試驗中，擴展度580~680 mm，28天平均強度為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的T50和L型流槽的測試。T50為混凝土流淌至擴展度達500 mm時所需的時間，混凝土粘性小，流動快，T50值就??；L型槽內配有一定間距的鋼筋，以混凝土在槽內流經一定距離所需的時間，混凝土流淌過程中混凝土和易性以及混凝土停止流動后混凝土前后兩端高差來評價混凝土。
此次混凝土流經400mm只用了9秒，整個流淌過程中混凝土包裹性保持良好，停止后兩端幾乎沒有高差，說明混凝土均勻性很好。
4 結論
1. 配制高強高性能混凝土原材料品質是基礎，對于膠凝材料、砂、石優(yōu)先選用級配好的材料。外加劑選擇與水泥適應性好，粘性小的外加劑。
2. 混凝土配合比設計,應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到混凝土強度與和易性、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
