高性能混凝土质量与施工控制

俞杨

摘 要 :随着我国工业化和城市化步伐的迈进，我国的工程建设规模日益增大，建筑工程质量和耐久性也日益受到政府和社会各界的关注。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)因其高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等特性已在桥梁、高层建筑、海港建筑等许多重要工程中被应用，因而对高性能混凝土质量及其施工进行管理就显得尤为重要。

本文主要介绍了高性能混凝土的概念与特性，进而从原材料选用、配合比设计及施工程序三个方面探讨了高性能混凝土质量及其施工控制要点。

关键词：高性能混凝土；耐久性；质量与施工控制；

中图分类号：TV331文献标识码： A

引 言

从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100多年的历史，混凝土作为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程中最大宗的人造材料，用量巨大。21世纪以来，随着科学技术的快速发展，各种新型混凝土不断涌现。但混凝土的高强度、高工作性、高耐久性等性能被更加重视，因此高性能混凝土应运而生，并已在桥梁、高层建筑、海港建筑等不少重要工程中被应用，因而对高性能混凝土质量及其施工进行管理就显得尤为重要。

一、高性能混凝土的概念

高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们对其高耐久性的认识是一致的。

二、高性能混凝土特性

与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下特性：

1.耐久性。高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。

2.工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，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，很少产生离析的现象。

3.力学性能。由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。

4.体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。

5.经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久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；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC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。前苏联学者研究发现用C110~C137的高性能混凝土替代C40~C60的混凝土，可以节约15%~25%的钢材和30%~70%的水泥。虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。

三、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。一般情况下，高性能混凝土要求粗集料强度应为混凝土强度的115倍～210倍或控制压碎指标值＞10﹪。最大粒径不应大于25mm,以10mm～20mm为佳,这是因为,较小粒径的粗集料,其内部产生缺陷的几率减小,与砂浆的粘结面积增大,且界面受力较均匀。另外, 高性能混凝土要求粗集料采取连续级配,其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。粗集料的线膨胀系数要尽可能小,这样能大大减小温度应力,从而提高混凝土的体积稳定性。

3.细掺合料。活性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料。常用的活性细掺合料有硅粉(SF)、磨细矿渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。配制高性能混凝土宜用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。或选用细度大于水泥的磨细矿渣，或选用SiO2含量>90﹪、粒径为0.1μm～1.0μm、比表面积18500㎡/kg～20000㎡/kg的硅粉, 而硅粉在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著,是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。

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)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,掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不会太快太大,有利于泵送。

5.矿物掺合料。常用的矿物掺合料包括粉煤灰和硅粉。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率对强度影响显著,较好的早期强度和后期强度的水泥取代率应小于10%。当粉煤灰掺量较低时,只会对水泥早期水化热有影响,但对7d龄期的水化热几乎没有影响。另外，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,硅粉的适宜掺量为水泥用量的5﹪～10﹪。

（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。一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。

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。由于使用粉煤灰等矿物掺和料不仅可以降低混凝土成本，还能提升混凝土的耐久性，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），因而粉煤灰等矿物参合料被大力推广使用。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%，当大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。

3.含气量的要求

含气量的要求也是高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，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。因此，客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%，并且作为施工质量控制的必检项目之一。为适当提高混凝土的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。

4.电通量指标

该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要、最具体的指标。目前我国尚无电通量试验的国家标准，铁路行业电通量试验方法是以美国ASTMC1202 快速电量测定方法为基础制定的，其所测指标可以最大程度地区分和评价混凝土的密实度，而密实度正是影响混凝土耐久性最为关键的因素。混凝土的电通量主要取决于水胶比，通过大量试验得到规律，一般水膠比小于0.5时基本可满足电通量小于2000 的要求，水胶比小于0.45时基本可满足电通量小于1500的要求。

（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、电通量等。

四、结 论

本文主要从原材料的选择、配合比参数的合理确定，以及施工过程等方面对高性能混凝土质量与施工控制进行了阐述。通过掺入矿物微细粉和高性能化学外加剂的技术途径来配制高性能混凝土，既可改善混凝土的性能，又能降低生产成本，有利于高性能混凝土的推广应用。文中提出的设计方法具有准确、简捷、适用范围广及程序化的特点，采用此方法配制的混凝土具有良好的工作性、力学性及耐久性。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也与外加剂密切相关，外加剂最优掺量应控制在0.95%～1.00%之间。

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