高强混凝土的性能特点分析及其改进措施

徐永波 （安徽省建筑设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230001）

1 慨 述

近年来，随着外加剂技术的迅速发展，高性能化、高强混凝土越来越多的应用到高层及超高层建筑、桥梁、铁路及特殊工程中，高强混凝土的发展已成为混凝土研究的一个重要发展方向。高强混凝土指强度等级在C60级以上的混凝土，它是由水泥、砂、石、减水剂、水及其他外加剂等拌合而成的混合物[1-2]。欧美等国家从20世纪60年代就已经开始推广高强混凝土，我国研究起步相对较晚。在房屋建筑方面，位于北美西雅图的58层、220m高的Two Union Square工程实际混凝土强度达到130MPa[3]；现代日本很多建筑物以钢筋混凝土或钢管混凝土形式使用130MPa高强混凝土，最高强度甚至达到150MPa以上[4]；位于迪拜的世界最高建筑BurjDubai将80MPa高强混凝土应用到混凝土框架结构[3]；我国沈阳的富林大厦和皇朝万鑫大厦，采用了C100高强混凝土，而高101层，高度492m的上海环球金融中心采用了C60高强混凝土[4]。尽管高强混凝土具有强度高、负荷能力大、资源和能用消耗少以及耐久性强等特点[5]，但在其应用过程中也出现了收缩变形大、水化温升高、脆性大、任性差等缺点。为了保证高强混凝土在建筑工程中更好地应用，本文对高强混凝土的性能特点进行了分析，并针对高强混凝土的典型缺点提出了改进措施。

2 高强混凝土的性能特点分析

2.1 高强混凝土的优点

高强混凝土是现代混凝土技术发展的主要方向，具有如下典型的优点。

2.1.1 高抗压强度

高强混凝土由于掺入了高效减水剂，可使得高强混凝土的早期强度显著提高。高强混凝土应用于以受压为主的构件时，构件的承载力将增强，荷载作用相同的情况下，可有效减小构件的截面尺寸。另外，高强混凝土的强度并不能明显增加构件的抗弯能力，但能降低受弯构件截面的受压区挠度，提高构件的延性，允许有较高的配筋率，进而提高构件的抗弯能力和降低构件的截面尺寸，从而使得高强混凝土在高层建筑中使用时可增加有效空间。尽管高强混凝土具有高抗压强度，但其抗拉强度仅为抗压强度的1/11.5～1/14.1[6]，高强混凝土的抗拉强度不会随着抗压强度的增大而提高，这是由于混凝土的抗拉强度一般取决于砂浆和粗骨料过渡区的粘结强度。

2.1.2 强度增长速率高

高强混凝土的早期强度增长速率快，而在后期高强混凝土和普通混凝土增长速率相差不多。这是由于高强混凝土水泥用量大，较高的水化热使试件内部温度较高，加速了早期强度的增长。

2.1.3 应力-应变曲线的上升段及下降段斜率增大

随着混凝土强度等级的提高，应力-应变曲线上升段和下降段的斜率增大，曲线变得更加陡峭，更接近于线性关系，且最大应力、应变值随着强度等级的提高略有增加。

2.1.4 高弹性模量

混凝土的弹性模量随抗压强度的增加而增大，但一般的混凝土弹性模量与抗压强度的关系式并不适用于高强混凝土。为此，美国的康奈尔大学教授Martinez等提出了高强混凝土弹性模量与抗压强度的关系[7]。

2.1.5 强耐久性

由于高强混凝土水灰比低，非结合水减少，内部缺陷和空隙减少；添加超细活性掺合料，在混凝土中发挥微集料效应和微晶核效应，使混凝土结构更加均匀，缺陷减少，结构更加密实，所以它的抗冻、抗渗、抗碳化、抗氯离子渗透性能等耐久性能强。因此，露天、遭海水侵蚀或易受碰撞损害的工程建筑物，宜采用高强混凝土。

2.1.6 收缩徐变小

高强混凝土的收缩一般较低强混凝土小一些，但其徐变显著低于低强混凝土。

2.2 高强混凝土的缺点

尽管高强混凝土具有上述较多的优点，但在其性能上也存在许多突出的缺点亟待解决。

2.2.1 新拌高强混凝土黏度大，施工困难

目前，高强混凝土黏度大的认识仅限于表象，对其黏度大的本质尚无详细报道。与普通混凝土相比，高强混凝土中水胶比较低，单位体积内水体积减小，固体颗粒体积增大，导致颗粒表面水膜厚度降低，浆体粘度增大。另外，由于水膜层厚度减小将导致颗粒间距减小，颗粒间摩擦增大，从而导致黏度进一步增加[5]。由于混凝土在施工过程中要求一定的流动性，而高强混凝土的高黏度将降低其流动性，从而导致施工困难。

2.2.2 胶凝材料用量大，水化温升高

《高强混凝土结构设计与施工指南》中明确规定C70与C80混凝土的水泥用量不宜超过500kg/m3，胶凝材料总量不超过600kg/m3，对于胶凝材料用量的限制是为了防止高强混凝土水化温升过高。研究认为，水胶比在0.236～0.4时，混凝土的最高温升随水胶比的降低而降低[8]。

2.2.3 自收缩开裂机率大

自收缩开裂是由于水泥石内部的自干燥而产生收缩导致的开裂，高强混凝土的高凝胶材料用量以及低水胶比导致其收缩显著增大[9]。这是由于低水胶比时，水泥不能完全水化，在凝结硬化过程中，未水化的水泥进一步水化吸收水泥石中毛细管中水分，使毛细管内部产生负压，从而使水泥石产生自收缩，最终产生裂纹。

高强混凝土由于自干燥产生自收缩，使其产生早期裂纹，这与长期的干燥收缩是不同的。自收缩开裂将降低高强混凝土的耐久性，需要在高强混凝土的配制过程中尽可能的克服。

2.2.4 脆性大，低韧性

高强混凝土，由于高效减水剂和活性掺合料的使用，过渡区的结构得到改善，强度得到提高，破坏时粗骨料对裂缝扩展的阻碍作用减小，会有裂缝直接把粗骨料劈裂继续扩展的现象，而且随混凝土强度等级的提高，粗骨料被劈裂的现象增多，所以高强混凝土破坏时，没有明显的横向膨胀，断面较普通混凝土平整，裂缝一旦出现，很快就会贯穿试块使其破坏。而普通混凝土的破坏是一个逐渐破坏的过程，能看到多条裂缝和明显的横向膨胀，破坏截面的粗骨料有脱落的现象，因此，高强混凝土的延性比普通混凝土差，素混凝土的延性随强度的增加而降低。文献[10]从微观层次化学键的角度和细观、宏观层次的断裂力学角度解释了高强混凝土的脆性根源，认为构成混凝土材料的化学键主要为共价键和离子键，而在细观上混凝土式非均质多相材料，内部本身存在大量的微裂缝、薄弱粘结层及空隙等缺陷，在荷载作用下易发生破坏。高强混凝土的破坏不同于普通混凝土，破坏时裂缝可能直接贯穿骨料，使得破坏从耗能最快的路径发展，从而导致高强混凝土脆性大、韧性低。

3 高强混凝土的改进措施

高强混凝土由于具有高强度、强耐久性、负荷能力强等优点而在土木工程中得到广泛应用，而高强混凝土也具有新拌高强混凝土黏度大、水化温升高、自收缩开裂风险高和脆性大等显著劣势，为了保证高强混凝土的大面积应用，本文对高强混凝土的典型缺点提出优化措施。

3.1 高强混凝土的黏度调控措施

高强混凝土的黏度大主要是由低水胶比造成的，因此，黏度调控措施主要从减水剂和掺和料两个方面着手。高效减水剂可显著改变混凝土的工作性能，大量研究表明高效减水剂虽然能提高混凝土的流动度，但对调控混凝土的黏度作用并不明显。相关试验认为，采用侧链长度大且单体比例高的聚羧酸外加剂具有更多的吸附基团和更为伸展的侧链，可在水泥颗粒表面形成更强的空间位阻能力，从而降低低水胶比浆体的黏度[11]。粉煤灰的掺入可减少用水量，其滚珠效应也能有效降低混凝土黏度，从而改善混凝土的施工性能。因此，可通过掺入一定量和合适颗粒级配的粉体颗粒，如硅灰、粉煤灰、矿渣等，实现高强混凝土黏度的降低。除优选减水剂和掺和料外，还可以通过调整混凝土的配合比改善其黏度，如选用球形度较高的骨料可减小颗粒间摩擦力，从而降低流动阻力，改善黏度。同样，掺入少量的优质引气剂，在混凝土中引入封闭微细孔，可起到滚珠的作用，降低混凝土的黏度，但含气量的增加会明显降低混凝土的强度。

由于每次设立仪器站时都没有对仪器进行定向，也没有将仪器站的坐标纳入统一的坐标系中，因此仪器在每个仪器站上获得的目标点坐标之间没有关联，必须统一坐标系。本文采用文献［1］的计算方法进行统一坐标转换。文献［1］给出的计算方法：

3.2 高强混凝土水化放热调控技术

针对高强混凝土水化温升高的特点，主要对其水化放热过程进行调控。对水化放热过程进行控制，主要是控制水泥水化产生的温度过高，降低水化放热速率，延长水泥水化放热过程。

选用矿物成分含量较低的水泥品种尽管可以降低水化放热速率，但其对混凝土的收缩性能影响较大，水泥强度等级低，价格较高，高强混凝土中不建议采用中、低热水泥。而掺入粉煤灰和磨细矿渣是抑制高强混凝土早期温升的有效措施[12]。这是由于掺入粉煤灰和矿渣可以延迟水泥水化进程，降低水泥水化放热速率，石英粉、石灰石粉等活性较低的惰性掺合料具有相同的功能。

缓凝剂和缓凝型减水剂也是常有的控制水化放热的技术措施，尽管缓凝剂或缓凝型减水剂能延缓水泥的水化过程，对降低高强混凝土早期水化温升效果较好，但无法从根本上抑制混凝土的集中放热现象。

3.3 高强混凝土自收缩开裂改善措施

引起高强混凝土收缩开裂的主要原因是自收缩，抑制高强混凝土自收缩的措施可使用高C2S和低C3A或C4AF的硅酸盐水泥，同时尽量避免使用高细度的水泥和矿渣和选用高弹性模量的骨料配制高强混凝土，另外通过掺入适量的粉煤灰、纤维材料、膨胀剂或减缩剂等来改善高强混凝土的自收缩。在养护过程中，采用“内养护”降低高强混凝土的自收缩开裂。内养护是指在混凝土中引入一种组分作为养护剂，它均匀的分散在混凝土中，起到内部蓄水池的作用[13]。

为改善高强混凝土易收缩开裂的缺点，可以通过优化原材料性能及配合比和掺加纤维等物质来提高高强混凝土的抗裂性。

3.4 高强混凝土增韧降脆措施

混凝土是一种脆性材料，研究其增韧降脆措施是扩大其应用范围的重要前提。高强混凝土的性能决定于其组成和内部结构，可认为由水泥浆体、界面过渡区和集料三个重要环节组成。因此为降低混凝土的脆性，可以从宏观、细观的角度来增强高强混凝土的韧性，降低其脆性。在微观方面，高强混凝土组成中加入高分子聚合物乳液（如氯丁橡胶），使水泥与聚合物成为胶结材料与骨料结合，增强其断裂韧性。在细观方面可以在高强混凝土中掺入分散性好的高强高韧纤维，如钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等形成纤维增强混凝土，或者选用高强坚韧的粗骨料来改善高强混凝土的脆性[14]。在宏观方面，则可以采用钢筋混凝土或钢管混凝土，利用钢管、钢筋和混凝土两种材料在受力过程中相互之间的组合作用，充分发挥两者的优点，改善混凝土的韧性和脆性。

因此，高强混凝土增韧降脆的措施主要有选用高强坚韧的粗骨料，掺入矿物掺合料改善界面过渡区的微结构，掺入高强高韧纤维、形成钢筋或钢管混凝土等，其中纤维的掺入能够阻止高强混凝土中裂缝的扩展，并耗散高强混凝土的断裂能，进而提高高强混凝土的断裂韧性，被认为是增韧降脆的最有效方法，且已得到广泛认可和应用。

4 结论

①高强混凝土具有高抗压强度、强度增长速率快、高弹性模量和耐久性优异的优点；高强混凝土在应用过程中存在黏度大、水化温升高、开裂风险高和脆性大、韧性差的缺点。

②通过掺入高效减水剂和适当颗粒级配的掺和料，可降低高强混凝土的黏度；引入优质引气剂可以提高高强混凝土的流动性。

③掺入粉煤灰和磨细矿渣是抑制高强混凝土早期温升的有效措施，缓凝剂和缓凝型减水剂也是常有的控制水化放热的技术措施。

④为改善高强混凝土易收缩开裂的缺点，可以通过优化原材料性能及配合比和掺加纤维等物质来提高高强混凝土的抗裂性。

⑤优选骨料、优化孔结构、界面改性和掺入纤维均能改善高强混凝土脆性大、韧性差的缺点，其中掺入纤维材料是增韧降脆最有效的办法。

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