土木建筑材料中的高性能混凝土材料性能分析

武东福

(阳泉市益汇混凝土有限公司，山西 阳泉 045000)

高性能混凝土作为应用较为广泛的材料，其内部的亚微观结构更为合理，致密性良好，采用此类材料建设成型的建筑结构更具稳定性。为充分发挥出高性能混凝土的性能优势，有必要通过试验检测的方式检验材料性能，结合工程要求妥善应用，下文则围绕高性能混凝土材料性能展开分析[1]。

1 配合比设计原则

1.1 含砂率的设计

高性能混凝土的施工以泵送的方法为主，因此需根据可泵性的要求设计含砂率；在保证混合料质量、施工可正常进行的前提下，适度降低混凝土的含砂率，具体根据试验结果而定。

1.2 水灰比的设计

水灰比是影响高性能混凝土强度的关键因素，不宜采用普通混凝土的水灰比设计方式，而是需要统筹兼顾原材料类型、强度等级等因素，结合试验结果予以确定。

1.3 高效减水剂用量设计

根据强度、耐久性、粘聚性等方面的要求选择高效减水剂，在此基础上严格控制减水剂的用量，遵循适中的原则，用量不宜过多或过少，具体以试验的方式确定。

2 土木建筑中高性能混凝土的基本性能

2.1 力学性能

高性能混凝土的粘结强度和抗压强度较高，弹性模量良好，综合力学性能优越，因此成为土木建筑工程领域的重要材料[2-3]。土木建筑中常用材料的力学性能，如表1所示。

表1 土木建筑中常用材料的力学性能

根据表1可知高性能混凝土的多项性能均优于其它土木建筑材料，例如韧性良好，基于此特性，其抗震能力较强；水密性能良好，即便高性能混凝土被应用于复杂环境中也依然可维持性能的稳定性，性能异常退化、渗漏的发生率较低，即便存在异常状况，程度也较为轻微[5]。

2.2 耐久性能

耐久性是评价混凝土综合性能时不可或缺的部分，对于高性能混凝土，其具有耐久性优势，建设成型的结构经长期使用后仍维持正常状态，进而保障建筑的安全性。评价耐久性的指标包含总孔隙率、磨耗系数、碳化深度等，以C60混凝土和高性能混凝土为例，对比分析各自的耐久性指标，具体内容如表2所示。

表2 C60混凝土与高性能混凝土的耐久性指标对比

根据表2可知高性能混凝土的微观结构得到改善，各项耐久性指标均良好，究其原因，与高性能混凝土设计方式的合理性有密切关联，例如较低的水灰比、经过深入优化后的颗粒级配，在此类条件下拌和的高性能混凝土具有密实性，腐蚀因素或其它外部环境因素对高性能混凝土的影响较为有限。

2.3 防火及抗冲击性能

高性能混凝土中硅粉、氢氧化钙的含量均较高，具有防火及抗冲击性能，可将高性能混凝土暴露于火中。但随着火势的持续发展，高性能混凝土结构开始退化，出现严重的异常状况，为规避此问题，可向高性能混凝土中掺入适量纤维原材料，以提升抗冲击性能，保证高性能混凝土长期暴露于火中仍具有稳定性[6]。

3 土木建筑中高性能混凝土的配合比优化

3.1 表观密度与石英砂级配

按如下公式计算，确定表观密度。

式中：ρ为表观密度，kg/m3；M0为试样的烘干质量，g；V1为水的原有体积，mL；V2为倒入试样后的水和试样的体积；∂t为水温对砂的表观密度影响的修正系数。

为提升石英砂级配的合理性，组织实验：按不同比例混合2种石英砂，总重量为2kg；向1L的正方体容器中倒入混合后的石英砂，材料的倒入分阶段进行，首先向容器中倒入1/2并振动30s，使石英砂在容器紧密分布，随后将剩余部分倒入并振动30s；待石英砂均倒入完成后，刮平表面，称重。以前述提及的方法进行3次比例混合，确定石英砂的级配，即(16～26目)∶(26～40目)∶(40～70目)∶(70～120目)=0.55∶0.15∶0.22∶0.08。

3.2 钢纤维掺量

为探讨高性能混凝土在不同钢纤维掺量下的性能表现,按0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%控制钢纤维掺量，分别从扩展度、抗压强度和抗折强度三方面进行分析，具体内容如表3所示。

表3 不同钢纤维掺量对高性能混凝土性能的影响

根据表3可知高性能混凝土的拓展度、抗压强度、抗折强度随着钢纤维掺量的改变而发生变化，随着钢纤维掺量的增加，基体间的相互作用增强，性能提升。

3.3 水胶比

水胶比对高性能混凝土的强度产生影响，具体可通过掺入高效减水剂的方式予以调节，在高性能混凝土满足工作要求的前提下，若水胶比低且振捣密实，混凝土的强度将有所提高。

探讨高性能混凝土扩展度受水胶比的影响：试验结果显示，水胶比由0.14增加至0.19时，扩展度由487.5mm增至760.5mm，提升约56%；在高性能混凝土的拌和中，由于水胶比的提高，拌和用水量增加，颗粒间充斥丰富的水分子，大量水的存在提升颗粒的流动性；若水胶比超过0.19，混合料具有过强的流动性，性能减弱。

探讨7d抗压强度、抗折强度受水胶比的影响：试验结果显示，水胶比由0.14增加至0.19时，7d抗压强度、抗折强度均呈降低的变化趋势，前者由128.43MPa降至113.66MPa，后者由26.65MPa降至17.14MPa，降幅分别为11.5%、35.68%。在水胶比较高的条件下，活性粉末水化结束后孔隙中仍有较多的水分，后续此部分水开始蒸发，基体中预留丰富的空隙，混合料对外力的承受能力减弱，对应实测强度则具有降低的变化。

3.4 砂胶比

考虑1.0、1.1、1.2、1.4、1.6的砂胶比，从扩展度、7d的抗压强度及抗折强度三方面分析砂胶比对高性能混凝土材料性能的影响，性能检测结果如表4所示。

表4 不同砂胶比对高性能混凝土材料性能的影响

高性能混凝土的流动性由于砂胶比的增加而降低，砂胶比由1.0增至1.6时，扩展度由750降至230，且每立方米混合料中水的掺量随着砂胶比的增加而减小，而石英石颗粒呈多面体形状，也会对高性能混凝土的流动性产生影响，从试验结果来看，流动性受阻现象将随着石英砂含量的增加而变得愈发明显。高性能混凝土的流动性在砂胶比为1.6时基本丧失，由于混合料无法正常流动，浇筑难度增加，浇筑效果变差。高性能混凝土的7d抗压强度、抗折强度随着砂浆比的增加而呈现出先增、后降的阶段性变化，力学性能在砂胶比为1.2时最佳，对应7d抗压强度、抗折强度分别为128.76MPa、28.69MPa。为确定合适的砂胶比和水胶比组合方式，实验时砂胶比取1.1、1.2，同时考虑各自与不同水胶比的组合方式，在此前提下进行实验，具体内容如表5所示。

表5 不同砂胶比对扩展度、抗压抗折强度的影响

经过对扩展度、抗压强度、抗折强度的综合分析后，确定最为合适的砂胶比和水胶比组合方式，即按照1.1的砂胶比和0.17的水胶比拌和时，高性能混凝土的扩展度良好，且具有较高的抗压强度和抗折强度，因此将其作为配合比基准较为合适。

4 不同养护方式对高性能混凝土材料性能的影响

实验中，基准配合比为砂胶比1.1、水胶比0.17，测试活动在高性能混凝土龄期达到3d、7d、28d、180d时分别进行。养护方式，如下：1)干燥常温养护：高性能混凝土浇筑入模后，露天置于空气中24h；达到时间后拆除，继续露天养护，在指定龄期进行测试；2)标准养护：用塑料薄膜覆盖试件24h，随后置入标准养护箱进行养护，在指定龄期进行测试；3)热水养护：用塑料薄膜覆盖试件24h，随后拆模，转入90℃的恒温水浴箱内，在指定龄期进行测试；4)蒸汽养护：用塑料薄膜覆盖试件24h，随后拆模，转入蒸汽养护箱内，在指定龄期进行测试。

4.1 力学性能分析

在养护龄期相同时，蒸汽养护试件的强度最高，具体关系为：蒸汽养护>热水养护>标准养护>干燥常温养护。相比于标准养护的抗压强度，蒸汽养护、热水养护、标准养护在龄期为3d时的抗压强度分别提高99.77%、72.93%、-15.09%,150d时分别提高12.00%、9.22%、-11.83%,相比于标准养护的抗折强度,3d时分别提高99.74%、74.64%,-15.09%,150d时分别提高16.31%、14.89%、-10.88%。

对比分析不同养护方式下的3d龄期抗压抗折强度发展速度，具有蒸汽养护和热水养护增速快、干燥常温养护和标准养护增速慢的特点，原因在于活性粉末材料在高温环境中快速反应，同时高温推动火山灰效应的快速进行，高性能混凝土的微观结构发生改变，空隙被大量的胶凝材料填充，骨料间的粘结力增强。龄期为8～28d时，高性能混凝土的抗压强度和抗折强度虽然有所增长但速度放缓，龄期为28～150d时进一步放缓，此变化规律的出现与水泥材料的特性有关，本次实验采用的是普通硅酸盐525水泥，其具有偏早强的活性，因此在养护前期已经完成绝大部分反应，后期的反应减弱。

4.2 收缩性能分析

4.2.1 实验方法

试件采用棱柱体试件,尺寸为100×100×515mm,检测仪器为混凝土卧式收缩仪。实验方法为：高性能混凝土试件成型1d后脱模，擦拭表面以清理杂物；反复进行3次试件长度的测量，求取平均值；将试件置于干燥养护室内，于温度20℃±2℃、相对湿度60%±5%的环境中进行养护，养护期间每日读取千分表示数，采集数据并进行完整的记录，根据实验数据进行高性能混凝土在不同养护方式下的收缩性能分析。

实验采取的养护方式，如下：1)干燥养护(GZ)：试件1d龄期后拆模，干燥养护，检测收缩值；2)标准养护(BZ)：用塑料膜包裹试件，试件1d龄期后拆模，标准养护，检测收缩值；3)蒸汽养护(ZQ)：用塑料膜包裹试件，1d龄期后拆模，蒸汽养护3d并检测收缩值；随后，转至干燥养护室，在此期间必须谨慎操作，避免试件碰触千分表；4)热水养护(RS)：用塑料膜包裹试件，1d龄期后拆模，热水养护3d并检测收缩值；随后，谨慎转移至干燥养护室内。

4.2.2 实验数据分析

四种养护方式下试件的收缩率，如图1所示。

图1 不同养护方式的试件收缩率

根据图1可知，标准养护和干燥养护时高性能混凝土试件的收缩速率缓慢下降，在试件养护龄期为3～28d时，总收缩率359×10-6；随试件养护龄期的延长，28～180d总收缩率为122×10-6。实验结果显示，在标准养护和干燥养护两种方式中，试件收缩主要集中在养护的前28d，养护后期虽然收缩但速率放缓，但需注意的是，后期的总收缩率也达到122×10-6，后期收缩现象仍不容忽视。究其原因，早期水化速度较快，基体中的水分在此过程中快速消耗，产生胶凝材料，混凝土表现出化学收缩现象；而随着基体中水含量的减少，产生的胶凝材料形成包裹作用，产生类似于真空的负压环境，受此影响，混凝土出现自收缩现象，而水化反应在后期较为缓慢，因此虽然收缩但幅度较小。对比分析不同养护方式的收缩率，具有干燥养护略高于标准养护的关系，关键原因在于养护环境的不同，即干燥养护试件被置于室外，标准养护时试件处于95%湿度环境中，从而出现收缩率的差异。在养护前3d，热水养护和蒸汽养护的试件收缩率分别为599×10-6和648×10-6，对比分析两种养护方式下的高性能混凝土收缩率可知，彼此存在较大的差异，在此基础上对试件做干燥养护后，第180d龄期的收缩率分别达到705×10-6和732×10-6，各自养护前3d的收缩率分别占总收缩率的84.96%、88.52%，表明高温养护条件下高性能混凝土的水化反应较早地出现，同时此反应将带来活性粉末材料的二次水化，也正是基于此特性，高温养护前3d时高性能混凝土存在剧烈的自收缩和化学收缩。以3～180d的养护龄期为例，热水养护、蒸汽养护在此阶段的收缩率分别达到106×10-6和84×10-6，经过与总收缩率的对比分析可知此阶段的收缩率占比较小，试件后期收缩主要表现为干燥收缩，从这一规律来看，高性能混凝土在高温养护条件下的收缩集中发生在高温养护期间，较为有效地避免后期收缩现象。

5 结语

高性能混凝土在建筑工程中取得广泛应用，但原材料选择、材料用量控制、养护方式等均会对高性能混凝土的应用效果产生影响。例如，随着配合比的变化，高性能混凝土的性能表现存在差异；而在改变养护方式后，混凝土的力学性能、收缩性能也不尽相同。根据实验结果进行对比分析可知，蒸汽养护是高性能混凝土养护环节最为合适的方法，其对高性能混凝土早期强度的提高有促进作用，并控制高性能混凝土的收缩，以便混合料的有效成型，保证施工质量。