我国高强超高强混凝土的研究与应用综述

张二猛，林东

（1.广州兴业混凝土搅拌有限公司，广东 广州 510700；2.广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 510620）

我国高强超高强混凝土的研究与应用综述

张二猛1，林东2

（1.广州兴业混凝土搅拌有限公司，广东 广州 510700；2.广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 510620）

本文从原材料、混凝土配合比设计、力学性能和耐久性能等方面论述了我国高强和超高强混凝土的研究状况，给出了高强和超高强混凝土的制备及生产应用关键参数。

高强混凝土；超高强混凝土；研究；应用

0 引言

随着能源危机和资源紧缺的矛盾激化，我国十三五规划中建筑材料绿色低碳发展的理念进一步加强；普通混凝土耐久性危机的日益显现；以及现代建筑向高层化、大跨度和轻量化的迈进，高强、超高强高性能混凝土的研究和应用将成为未来发展的必然趋势。

在我国一般把 C60～C90 强度等级的混凝土称为高强混凝土，C100 及以上强度等级的混凝土称为超高强混凝土。从20 世纪 70 年代初开始研究高强混凝土，到 2014 年东塔实现C120 超高强混凝土超高层的泵送，近年来高强、超高强混凝土在我国得到迅猛发展。

本文将从原材料、配合比设计、强度和耐久性几个方面阐述目前我国高强、超高强混凝土的研究现状，以期给工程实际应用带来一定的参考。

1 原材料的选用

与普通混凝土相比，高强、超高强混凝土在原材料的选用上极为严格，各原材料均应符合相应的技术指标，才可配制出强度满足设计要求、泵送施工性能和耐久性能良好的混凝土。

1.1 水泥

国家标准中水泥强度等级是水灰比 0.5 时水泥胶砂 28d抗压强度的结果。在制备高强、超高强混凝土时，水胶比要降低到 0.27～0.18 范围，甚至更小。采用 P·O42.5 水泥完全可制备出 C80～C100 高强、超高强混凝土[1，2]，目前所使用的水泥强度等级从 P·O42.5 级到 P·II52.5R 级不等，但有文献指出水泥胶砂 28d 抗压强度不宜小于 52MPa，混凝土的强度才可得以保障[3]，对 C100 强度等级及以上的超高强混凝土使用P·O52.5 或 P·II52.5R 水泥更为理想。水泥强度满足要求的前提下，一方面需尽可能选用标准稠度需水量小的水泥品种，否则单方用水量很难得以控制；另一方面应当选用中低热水泥，降低水泥水化放热，这对混凝土的耐久性能是有利的。在配制高强、超高强混凝土时需注意胶凝材料间的合理搭配，而非单纯提高水泥用量。统计数十组 C80～C100 混凝土配合比，水泥用量在 302～535kg/m3较大范围变化，但总胶凝材料基本在 550～600kg/m3范围。

1.2 矿物掺合料

高强、超高强混凝土强度影响最主要的因素是水泥在胶凝材料中所占的比例，在一定范围内，随着水泥掺量增加，混凝土强度增大[4]。但制备 C80 及以上强度等级的混凝土，矿物掺合料是必不可少的组分，常见的矿物掺合料有硅灰、矿渣粉、粉煤灰、微珠粉、天然沸石粉等。研究[5]表明硅灰具有较高的活性，可以在很短的时间内与水泥水化反应生成的Ca(OH)2发生二次反应，生成低钙型 C-S-H 凝胶，改善了混凝土的界面结构，提高混凝土的强度，尤其是早期强度，在高强、超高强混凝土的配制中具有极其重要的作用。

GB/T 18736—2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》和 GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》要求，硅灰的 SiO2含量≥85%，比表面积≥15000m2/kg，当用于高强和超高强混凝土中时，对硅灰的性能要求更高。丁庆军[6]认为用于高强高性能混凝土的硅灰应符合下述质量指标：一是活性无定形 SiO2含量不小于 90%；二是比表面积不小于 18000m2/kg；三是密度在 2200kg/m3左右；四是平均粒径 0.1～0.2μm。掺入硅灰混凝土的粘度会增大，给混凝土的泵送施工带来困难，硅灰与微珠粉复掺使用时发挥超叠加效应，表现出较好的工作性能，既可满足早期强度要求，同时后期强度增长稳定[7]。由于硅灰需水量较大、对收缩不利，其掺量一般控制在 8% 以下；也有研究者把掺量提到 10%，需掺加膨胀剂来补充收缩。

矿渣粉根据其比表面积可分为：（1）普通磨细矿渣粉，即商品搅拌站常用的 S95 级矿渣粉，比表面积一般为 400～500m2/kg，平均粒径 15～25μm，由于与水泥颗粒的粒径基本相当，微细填充效应一般，后期强度发展与水泥持平，通常与硅灰或粉煤灰等复掺使用，降低胶材水化放热和改善浆体的粘聚性；（2）超细矿粉，比表面积在600～1200m2/kg 范围，超细矿粉具有很好的填充效应，对混凝土强度贡献也较大，其缺点是水化放热速度快、放热量大，对结构耐久性不利，掺量要适中，通常应用于超高强混凝土的配制。

高强度混凝土采用粉煤灰的目的是改善流动性，降低水化放热和用水量，粉煤灰的品质要求优良，通常使用的为Ⅰ级粉煤灰。随着粉煤灰资源化利用程度的提高，Ⅰ级粉煤灰出现供不应求的局面，仅在高铁、水利和核电等重要工程中使用，商品搅拌站很难获得性能良好的Ⅰ级灰，房建工程应用相对较少。当混凝土强度等级大于 C100 时，不再掺加粉煤灰，主要是混凝土结构中未发生水化反应的空心玻璃珠成为缺陷，影响超高强混凝土的强度。微珠粉作为一种新型的掺合料，较粉煤灰颗粒更细，玻璃珠含量更高，其应用也越来越广泛。

天然沸石粉用作高强、超高强混凝土矿物掺合料，随着掺量增加，混凝土坍落度变小，需水量增大，强度有轻微的降低，但对混凝土的收缩有明显的改善作用[8]。也有文献使用钢渣粉制备出 C80 混凝土，但混凝土和易性达不到施工要求，工程上难以推广应用[9]。陶瓷微粉是陶瓷厂抛光粉经筛选烘干而得的工业副产品，其 SiO2含量达 70% 以上，颗粒细小，笔者尝试不掺硅粉情况下用其制备 C80 高强混凝土，试验结果表明在掺量为 3% 时，不仅可以改善混凝土的和易性，混凝土密实度也大大提升，混凝土 28d 强度达 95MPa。

1.3 外加剂

高强、超高强混凝土的制备需采用高性能减水剂，其性能的优劣并非体现在减水率上，而是在于混凝土强度与和易性的平衡，既保证混凝土含气量不能太高（低于 2.5%），又要有良好的扩展力。由于不同类型的减水剂对混凝土强度的影响也不同[10]，减水剂的选用要根据胶凝材料来定，使用上要有明显的饱和掺量、较低的掺量和较小的坍落度损失等，减水剂需选用高浓度型，在使用时也要考虑减水剂的含水率。高强、超高强混凝土胶凝材料用量较大，收缩是需要重点考虑的问题，膨胀剂以及增强养护的外加剂通常使用在混凝土中，膨胀剂的品种和掺量要慎重选择，以控制合适的限制膨胀率和限制干缩率。

1.4 骨料

高强、超高强混凝土所用碎石粒径较小，一般为5～20mm，一是从材料界面结构考虑高强高性能混凝土需选用较小粒径的骨料，二是与高强混凝土浇筑部位钢筋密集有关；但对于某些钢管混凝土，内部没有钢筋笼的情况，骨料粒径可适当地增大，这对体积稳定性是有利的。粗骨料的强度对混凝土强度的影响与其砂浆强度关系密切，可观察混凝土试件的断面，当混凝土断裂破坏点发生在骨料处时，混凝土的强度受骨料制约，反之亦然，要求岩石的抗压强度与混凝土的设计强度之比不应小于 1.5。粗骨料的石粉含量对混凝土的强度与和易性影响较大，主要是因为石粉含量较多时导致外加剂的减水效果变差，用水量增加，坍落度损失增大；另一方面界面的粘结强度也会削弱。砂对高强和超高强混凝土的影响主要体现在混凝土的和易性方面，建议使用细度模数 2.6～2.9 的中砂[11，12]，研究表明适宜的砂率对高强混凝土强度影响不大[13]，砂率在最佳值时混凝土的可泵性可得以改善。在内陆地区河砂资源紧缺，机制砂得以广泛的使用，掺加部分或全部机制砂制备高强和超高强混凝土的研究成为趋势[14-17]，也有研究者采用偏高岭土尾砂、黄金尾矿等制备高强和超高强混凝土[18，19]。粗细骨料使用的比例，需经大量的试验来确定，选择合适的浆骨比，对混凝土拌合物工作性的改善效果显著[20]。生产高强和超高强混凝土，由于水的超敏感性，骨料最适宜保持面干状态，避免生产含水率不精准造成配合比失真，骨料仓密封是切实可行的办法。

1.5 水

有文献报道使用搅拌站废水配制 C80 混凝土[21]，但长期的研究表明搅拌站废水由于含有残留的减水剂、未水化的水泥悬浮颗粒、以及石粉胶团等，随搅拌时间不同废浆水浓度不同，生产高强混凝土控制上很难操作，必须采用自来水进行生产。试验结果表明采用相同配合比时，回收废水、天然雨水和自来水制备的混凝土凝结时间和强度差异较大，前两者均延长混凝土的凝结时间，但会削弱强度。

2 配合比设计方法

高强、超高强混凝土的配合比设计，目前大多是依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、CECS104∶99《高性能混凝土结构技术规程》和 JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》，设计者多从降低水胶比、增大胶凝材料用量和使用高效减水剂方面来考虑，专门针对高强、超高强混凝土的配合比设计规范依然空白。相对于国内，挪威标准 NS3473 混凝土的最高强度等级为 C105，德国混凝土协会1995 年颁布的《高强混凝土指南》最高强度等级为 C115，日本规范 JASSO 也给出了高强混凝土的试配公式，美国混凝土协会 ACI 也有相关指导性规范。在我国高强、超高强混凝土工程应用相对较少，配合比设计基础数据不多，是缺乏标准的一个主要原因。

郭佩玲[22]认为高强高性能混凝土必须采用双掺技术，即掺加高性能复合型的掺合料和高性能外加剂的途径来达到，而非单一的提高水泥强度等级和用量。焦楚杰[23]基于超高强高性能混凝土配制试验数据拟合出胶水比公式系数，并借鉴前人经验，引入水化活性因子，以及确定胶凝材料、砂、石和外加剂用量，从而提出了超高强高性能混凝土配合比的设计方法。赵学明[24]引入水化活性因子和减水剂增量系数进行高强、超高强混凝土配合比的修正，为超高强高性能混凝土配合比的设计提供一种实用的方法。程宝军[25]基于紧密堆积理论，调整胶凝材料和砂石骨料堆积密度，配制出 28d 抗压强度≥135MPa，60d 抗压强度≥145MPa 的超高强自密实混凝土。采用抛填骨料工艺制备高强混凝土，是一种崭新的尝试方法，目前在军工某些特殊部位已推广应用[26]。

3 工作性能和强度

已经获得学者认可的是，高强混凝土的工作性和流变性几乎完全取决于外加剂而非水胶比，高效减水剂与高效缓凝剂的良好搭配可以使混凝土有较好的工作性以及较小的坍落度损失[27]。对工作性的影响程度中，减水剂最为强烈，其次是粉煤灰掺量，然后是砂率，水胶比对工作性影响不显著[28]。从实际工程应用结果来看，外加剂是制备高强和超高强混凝土的首要考虑因素，混凝土强度与和易性的获取，均由外加剂来决定。另外，矿物掺合料的用量和砂率对混凝土的和易性也有较大的影响。合适的浆骨比是保证混凝土流动性良好的一个重要参数。对混凝土工作性能的判定，坍落度已无法衡量，目前主要依据自密实混凝土的一些指标，如T50、倒筒时间和间隙通过性等。混凝土的工作性也可从浇筑时的泵送压力及泵送流量来判定，以及混凝土在搅拌车的状态，和易性好的混凝土看上去呈弹性。

单纯获得较高的混凝土强度很简单，然而在保证混凝土工作性能良好的同时保证混凝土强度，尤其是生产应用并非易事。对高强混凝土而言，水胶比一般控制在 0.27 以下，单方用水量不宜大于 145kg，但水胶比不是越低越好，水胶比越低越不利于混凝土后期强度的提高，当水胶比过于低时，会引起混凝土内部缺水，严重影响其后期强度的提高[29]。另外，当混凝土呈较干状态时，振捣变得困难，内部容易形成大的气泡（尤其是掺有硅灰），成为强度缺陷。矿物掺合料用于高强和超高强混凝土中，由于能够与水泥水化产物发生“二次水化”反应，增加了混凝土中 C-S-H 凝胶的含量，改善界面结构，增加强度[30]。高强混凝土的强度发展较快，尤其是超早期强度，1d 强度可达到 55MPa[31]，可以考虑 56d 或者 90d 强度作为评定标准，这对于提高高强、超高强混凝土的耐久性是十分有利的[32]。

蒲心诚[33]研究了超高强混凝土的力学性能，结果表明超高强混凝土的脆性较大，劈拉强度与抗压强度比为1/14.6～1/19.6，要掺入纤维改善其脆性。掺入钢纤维后，拉压比随着钢纤维掺入量的增加而增加，与未掺入钢纤维的超高强混凝土相比，拉压比的提高程度为 24.08%～73.46%，超高强混凝土脆性大、韧性小的缺点得到显著改善[34]。钢纤维体积分数不大于 0.75% 时，流动性可保持良好，混凝土的韧性和断裂能可显著提高[35]。钢纤维具有改善韧性的优点，但生产过程中钢纤维的分散是需要解决的问题，否则发生团聚，则造成蜂窝状的缺陷。使用改性胶粉和碳纤维材料等来改善高强、超高强混凝土脆性的研究也与日俱增。

4 耐久性能

耐久性能方面，高强混凝土的长期强度、动弹性模量、抗碳化、氯离子渗透性能和抗冻性能等均大大提高[36-39]，主要是高强混凝土的孔隙率极低，具备良好的微孔结构[40]。

对高强混凝土耐久性，需考虑的是其裂缝问题。试验结果表明，干缩值与胶凝材料用量和水胶比相关性较高，并随它们的增大而增大[41]。高强混凝土的收缩绝大部分发生在早期，3d 龄期的收缩达到 180d 龄期收缩的一半以上，需掺加一定的膨胀剂进行补偿收缩[42]。混凝土早期收缩和干燥收缩随着粉煤灰掺量的增加逐渐减少，粉煤灰对早期收缩的抑制作用优于干燥收缩，随着矿粉的增加，混凝土早期收缩增大而干燥收缩减少，硅灰的掺入增大了混凝土的早期收缩与干燥收缩，并随掺量增大而增强[43]。由于沸石粉孔穴内部的电场和极性作用“使沸石粉具有较高吸附容量的特点，水是极性很强的分子，故在混凝土拌合过程中很容易被沸石粉吸收，随着水化龄期的延长”被沸石粉吸收的水会不断释放出来补充混凝土内部的毛细管水，改善混凝土内部毛细管水分和相对湿度，降低毛细管负压，可有效降低混凝土的自收缩[44]。也有研究表明，掺加粉煤灰对混凝土收缩绝对值无明显改善[45]，但掺 30% 和 50% 粉煤灰或矿渣粉均使低水胶比浆体的水化温升和水化放热速率峰值明显降低，并延缓这些峰值出现的时间，且粉煤灰对水化进程的延缓效果优于同等掺量的矿渣粉；提高水胶比只能略微推迟浆体的水化温升和水化放热速率峰值出现的时间，使水化放热速率峰值有所增大，不会改变浆体温升曲线和放热速率曲线的形状[46]。减少胶凝材料的水化放热，调整胶凝材料水泥与矿物掺合料的比例是可行的，例如通过使用粉煤灰等可降低水化放热量和延缓水化放热速度。

高强和超高强混凝土的耐火性不如普通混凝土，是因为超高强混凝土密实度太高，高温时，其内部的自由水和C-S-H 及 Ca(OH)2受热分解产生的水蒸汽无法排出，形成很高的蒸汽压，足以使混凝土爆炸[47]。高强混凝土的脆性较大，如何改善其韧性，提高混凝土的抗震性能是需要解决的问题。

5 工程应用

高强、超高强混凝土至今已在许多重要工程中使用，并在高层建筑、大跨度桥梁、海上平台、漂浮结构等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，被各国学者所接受并被认为是今后混凝土技术的发展方向。

我国高强和超高强混凝土的应用主要有三个方面：一是地标性高层建筑核心筒剪力墙或钢管柱结构；二是用于煤矿的深井壁结构；三是军工防护等特殊结构。其中以地标性建筑的使用较多，并且随着建筑高度的增大，使用的混凝土强度等级越来越高。但从工程应用情况来看，高强和超高强混凝土的使用率相对较小，在民用建筑中 C80 混凝土应用最为广泛，且单工程混凝土使用量大于 10000m3的工程极少，对于 C100～C150 强度等级的混凝土虽有报道，但实际工程应用方量极少。

高强和超高强混凝土的应用推广，需要多方共同努力。设计方提出高强度等级混凝土的要求，并在结构截面上进行优化，已获得较大的经济效益；施工方采取先进的施工工艺，加强施工管理，改变普通混凝土浇筑时偶尔加水等不良现象；商砼站应对混凝土的原材料进行严格控制，并逐渐改变混凝土的拌合方式，解决目前高强和超高强混凝土搅拌时间过长，生产供应不连续的现象。另外相关部门逐渐制定并完善高强和超高强混凝土技术标准规范，指导实际应用。

6 结语

高强、超高强混凝土的原材料选用极为关键，混凝土的工作性能和强度在很大程度上受减水剂的影响，在实际工程应用中要根据浇筑体高度及泵车种类合理地调整配合比，且在配合比设计时考虑温度应力及收缩带来的负面作用，使用膨胀剂或矿物掺合料来减小开裂的可能性，施工方必须有完整的质量保证体系，严格控制作业环节，并加强混凝土的后期养护。高强、超高强混凝土的脆性和开裂问题、常温下超高强混凝土的配制技术及制备工艺等仍有较大的研究空间，逐渐发展 RPC、UHPC 的研究及应用。

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［通讯地址］广州兴业混凝土搅拌有限公司（510700）

张二猛（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为高性能水泥混凝土制备及应用、碱激发胶凝材料和快速修补固化材料。