高性能混凝土的研究

周宝军

摘 要：高性能混(High Performance Concrete，HPC) 由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程。

关键词：高性能混凝土；耐久性；体积稳定性

中图分类号：TV331文献标识码： A

一、高性能混凝土产生的背景

当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求;处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果;原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然材料及工业废渣保护环境, 走可持续发展的道路, 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。

二、高性能混凝土质量与施工控制

（一）高性能混凝土原材料及其选用

1.细集料。细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响,一般情况下,砂子越粗,混凝土的强度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂,对于C80～C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。

2.粗集料。高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石,级配符合规范要求。

3.细掺合料。配制高性能混凝土时,掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是,加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。

4.减水剂及缓凝剂。由于高性能混凝土具有较高的强度,且一般混凝土拌合物的坍落度较大(15～20㎝左右),在低水胶比(一般＜0.35)一般的情况下,要使混凝土具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在20﹪以上。有时为减少混凝土坍落度的损失,在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。此外,由于高性能混凝土水胶比低,水泥颗粒间距小, 能进人溶液的离子数量也少,因此减水剂对水泥的适应性表现更为敏感。因大部分高性能混凝土施工时采用泵送,故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大,否则影响泵送。

5.矿物掺合料

(1)粉煤灰,粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细微粉末,又称“飞灰”(Fly Ash),其颗粒多呈球形,表面光滑。

(2)硅粉(Silica Fume,简写SF)又称硅灰,是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,结合应用减水剂,可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高。

（二）配合比设计控制要点

1.设计思路有很大区别

在以往的配合比设计方法中，是按混凝土的强度等级要求计算水灰比，而现在则是按耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺和料的比例。

2.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例

在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。

3.含气量的要求

含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。

（三）高性能混凝土的施工控制

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,采用电子计量系统计量原材料。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温度,以保证混凝土的入模温度满足规定。

2.运输。应采取有效措施，保证混凝土在运输过程中保持均匀性及各项工作性能指标不发生明显波动。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)。应采取适当措施防止水分进入运输容器或蒸发。

3.浇筑。(1)混凝土入模前,应采用专用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或配合比要求的混凝土方可入模浇筑。混凝土的入模温度一般宜控制在5～30℃(2)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。（3）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。（4）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为准,一般不宜超过30s,避免过振。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。养护时间不少于14天。

6．质量检验控制。除施工前严格进行原材料质量检查外，在混凝土施工过程中，应对混凝土的以下指标进行检查控制：混凝土拌合物：水胶比、坍落度、含气量、入模温度、泌水率、匀质性。硬化混凝土：标准养护试件抗压强度、同条件养护试件抗压强度、抗渗性等

三、绿色高性能混凝土

高性能混凝土(HPC)具有下列特征:

(1)更多地节约熟料水泥,降低能耗与环境污染;

(2)更多地掺加工业废料为主的细掺料;

(3)更大地发挥混凝土的高性能优势,减少水泥与混凝土的用量。因此,高性能混凝土本身就可成为绿色混凝土。

绿色高性能混凝土已被广泛应用于市政工程、民用建筑和工业建筑,与普通混凝土相比,高性能混凝土具有更好的施工性能和耐久性,同时可以更多地利用工业废渣及其它废弃物,有良好的经济指标和环保意义,因此,绿色高性能混凝土是混凝土的发展方向。

四、结论

通过对高性能混凝土抗冻性能试验研究可得出以下结论,混凝土的抗冻性主要与所引入的空气含量、气泡的质量、混凝土强度和水胶比等因素密切相关，高性能混凝土的含气量宜为2%～4%，这样配制的混凝土具有200次以上的抗冻性能。高性能混凝土的抗冻性能与外加剂密切相关，外加剂的掺量存在一个最优值，本试验中最优掺量在0.95%～1.00%之间。如今我国HPC发展形势一片良好，但是要使HPC 在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。基于上述特点,高性能混凝土成为我国近期混凝土技术的主要发展方向。

五、参考文献

[1] 吴中伟.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[3] 丁大钧.高性能混凝土及其在工程中的应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[5] 陈肇元.等.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[6] 卞春丽,梁晓平.高性能混凝土技术特点及应用[J].山西建筑