高性能混凝土發(fā)展趨勢及在建筑工程中的應用

摘要:本文闡述了高性能混凝土的定義及發(fā)展趨勢，并通過對高性能混凝土的原材料、配合比、高性能的分析，指出了其在建筑工程中的應用，在使用過程中的存在的問題及解決途徑。

關鍵詞:高性能混凝土 發(fā)展趨勢 原材料 配合比 應用

1 高性能混凝土的定義

高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，簡稱HPC)是在高強度混凝土(HighStrengthConcrete，簡稱HSC)的基礎上發(fā)展起來的。在不同國家，甚至是同一國家的不同應用部門，對高性能混凝土的定義都有差別。美國和加拿大的學者認為高性能混凝土應該是高耐久性的，而不僅僅是高強度;除了強度之外，高耐久性還應包括高的體積穩(wěn)定性、低滲透性和高工作性。日本學者更重視混凝土的工作性，認為高流態(tài)、免振自密實混凝土就是高性能混凝土。英國和北美學者則更重視混凝土的強度。綜合分析各種觀點，我國學者提出:“高性能混凝土是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎上采用現(xiàn)代(先進的預拌)混凝土技術，選用優(yōu)質原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的活性細摻料和高效外加劑的一種新型高技術混凝土。”高性能混凝土應具有幾種性能:耐久性、工作性及各種力學性能。但目前，高性能混凝土的概念又有了新的變化，清華大學馮乃謙教授提出普通混凝土也可能高性能化，其研究成果在工程實際中也得到了應用。因此，高性能混凝土并不一定強調高強，還包括普通混凝土的高性能化。

2 高性能混凝土的發(fā)展趨勢

筆者認為，隨著社會的不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保等關系人類生存和發(fā)展的重大課題，已逐漸被業(yè)界內(nèi)行家所重視，因此，高性能混凝土也被稱為“綠色混凝土”。綠色高性能混凝土是現(xiàn)代混凝土技術發(fā)展的必然結果，綠色混凝土是大量采用工業(yè)廢渣細摻料、水泥用量降低30%~50%的低水泥用量生態(tài)混凝土，新型高性能減水劑使超細礦物摻和料用量大大增加，實現(xiàn)了大摻量粉煤灰、大摻量礦渣等免振搗的自密實綠色高性能混凝土。與普通混凝土相比，水灰比極低的高強、超高強高性能混凝土強度更高，結構尺寸更小，穩(wěn)定性更好，結構的維修和重建費用更省，在惡劣條件下使用壽命更長，即顯示出其耐久性良好的特點。隨著建筑結構向大跨度，超高層發(fā)展，為縮小結構斷面，減輕結構自重，發(fā)展輕質、高強、節(jié)能的輕集料混凝土是一個大趨勢。鋼筋混凝土、聚合物改性砂漿和混凝土、聚合物纖維增強混凝土，都顯著改善了混凝土材料的性能，在實際工程中的應用領域正在不斷擴大。

3 高性能混凝土的原材料和配合比

高性能混凝土的組成材料包括水泥、粗細集料、多種礦物摻合料、水和超塑化劑，其組成和配比要比普通混凝土復雜，要求也高得多。

3.1 水泥及其用量 配制HPC可以使用普通硅酸鹽水泥、早強硅酸鹽水泥、中熱水泥等，其水標號大于或等于42.5R。水泥礦物組成中，C3A含量不應超過8%，比表面不宜太高，通常比表面在3200cm2/g左右。試驗結果證明，C3A含量超過8%，水泥的流動度損失明顯，含堿量及硫酸鹽含量高的水泥更嚴重。

為了控制水泥水化放熱量以及提高體積穩(wěn)定性，配制HPC時膠凝材料(包括水泥和活性摻合料)總用量通常在300~550kg/m3范圍。這樣，在合適的配合比條件下，可以得到抗壓強度40~120MPa的混凝土。為了適應HPC的發(fā)展，最理想的辦法是生產(chǎn)一種低水灰比、高流動性、高標號的水泥，或者生產(chǎn)一種調節(jié)細度和顆粒組成的水泥，與普通水泥配合使用，這樣便能保證在水灰比0.2時，砂漿流動度在200mm以上。

3.2 礦物摻合料 礦物摻合料主要是粉煤灰、礦渣、硅粉等，它們是輔助膠凝材料，近幾年來在普通混凝土應用中越來越普遍，一方面是由于經(jīng)濟效益顯著，另一方面是因為使用這種材料可以得到技術效果。在HPC中，應用輔助膠凝材料的作用就更為突出。

HPC的高強度部分來源于其基材的密實，即使有一部分水泥被一種或多種輔助代替，也對混凝土的早期強度不會有副作用。此外，化學活性較低的輔助膠凝材料代替部分水泥，從控制水化放熱和流變性能的角度也是有益的。

3.3 用水量 在拌合水大大減少的情況下，獲得大的流動性，使硬化混凝土具有高強度和高密實性。因此，必須使用超塑化劑破壞水泥粒子的絮凝結構，使水泥粒子分散。拌合水大大減少使水泥粒子間距縮小，因此得到比普通混凝土密實得多的水泥石結構，憑借這種高密實度的結構，水化物形成較多的水泥石結構，水化物形成較多的化學鍵合就能獲得非常高的抗壓強度。由于游離水含量較少，自干燥失水后使HPC 的水泥石具有非常低孔隙率。

在配制HPC 時可以兩種形式即水灰比(ω/c)和水膠比ω/(c+s)兩者摻有摻合料時使用，HPC的抗壓強度不僅取決于水灰比，也取決于水泥石的密實度。換句話說，兩個影響混凝土強度的因素即水灰比和減小水化開始時粒子的間距。

3.4 集料及其用量 在配制HPC 時，水泥漿與集料的體積比是0.35:0.65，除此之外，集料的種類對混凝土的體積穩(wěn)定性也有顯著影響。例如:水泥漿與集料的彈性模量或熱膨脹系數(shù)不相匹配，當結構暴露在溫度變化頻繁的環(huán)境中將產(chǎn)生開裂。同樣，在一定的水泥漿、集料比時，使用彈性模量低的集料將會使混凝土的徐變增大。就長期尺寸穩(wěn)定性而言，通常認為混凝土集料用石灰?guī)r和玄巖比砂巖或河卵石好。在配合比相似時，，用花崗巖和礫石集料的混凝土比用輝綠巖或石灰?guī)r集料的混凝土強度低得多，這是由于水泥石與集料之間的界面區(qū)的結構和粘結強度的差異造成的。

除集料的材質外，使用級配良好，潔凈集料(沒有泥土及脆弱顆粒)是必要的。作為細集料(小于5mm)通常采用中高細度模數(shù)(即2.5~3.0)的天然砂為好。在顆粒尺寸相同時，作為粗集料用破碎的致密石灰石或深層的巖漿巖(如花崗巖、正長巖、閃長巖和輝綠巖)通常以得到滿意的結果。

粗集料的最大粒徑對HPC 來說以10~15mm為最佳，超過25mm時，對混凝土強度和抗?jié)B性不利。由于HPC的集料與水泥石界面較強，集料確實是混凝土強度的制約因素，而在普通混凝土中幾乎不考慮這個問題。若采用水泥熟料球作為人造集料配制HPC，可能得到高強度和高彈性模量，其原因是產(chǎn)生致密和牢固的集料—水泥界面區(qū)。

根據(jù)集料總體積(0.65m3)，按假定A等級混凝土的細粗集料體積比為2:3，則得細粗集料體積分別為0.26m3和0.39m3。對于其它等級的混凝土(從B至E)，隨著強度的提高，水泥用量增大，故可以假定細粗集料的體積相應小一些。例如:B等級用1.95:3.05，C級1.90:3.10，D級1.85:3.15，E級1.80:3.20。

3.5 外加劑 配制HPC不可缺少的是超塑化劑，而普通減水劑達不到HPC減水率和提高工作度的要求。超塑化劑或高效減水劑是陰離子型高分子表面活性劑。通常是萘磺酸鹽甲醛聚合物和三聚氰胺磺酸鹽甲醛聚合物。這兩個系列的超塑化劑很難說哪個好一些。三聚氰胺系超塑化劑減水率略差一些，但坍落度損失快，緩凝比萘系小得多，更適合與引氣劑復合使用。

超塑化劑的摻量為水泥重量的1%~2%，對于不同等級的混凝土，隨著強度的增高其摻量增大。市售的超塑化劑產(chǎn)品很多，產(chǎn)品選擇通過試驗來確定，因為超塑化劑與水泥和摻合料之間存在相容性問題。

超塑化劑對水泥漿有強烈的分散作用，但是這種作用持續(xù)時間不長，因此用超塑化劑配制大流動性混凝土存在坍落度隨時間損失的問題，解決坍落度損失可采用后摻法，即一部分超塑化劑在混凝土拌合物運達施工現(xiàn)場后再加入，然后經(jīng)攪拌進行混凝土泵送。后摻法雖然有效地解決了坍落度損失問題，但增加了二次攪拌工藝。因此，后摻法并不是最好的方法。解決坍落度損失的另一種方法是將超塑化劑與緩凝劑(或緩凝減水劑)組成復合外加劑。這樣配制的可滿足新拌攪運輸、泵送、澆注工藝過程的要求。

4 高性能混凝土在建筑工程中的應用

隨著現(xiàn)代(預拌)混凝土技術發(fā)展，混凝土各種化學外加劑包括泵送劑、防水劑、防凍劑等性能要求均發(fā)生了變化，每次標準修訂均反映了技術水平的提高，但國內(nèi)大多使用萘系復合型的減水劑，混凝土坍落度損失的問題沒有得到根本解決，各地的技術水平差異和原材料變化較大，往往達不到技術要求。中低強度等級的高性能混凝土，包括免振搗自密實混凝土，在實際工程應用中出現(xiàn)問題較多，C50以上的高強及C80以上超高強高性能混凝土尚未完全普及推廣使用，但在國外，免振搗自密實混凝土和高強高性能混凝土在工程中應用已較為普遍。

通常聚羧酸系減水劑較萘系減水劑的減水率高，與水泥的相容性更好，用聚羧酸系減水劑配制高性能混凝土，水膠比可以降至很低，混凝土的流動性很大。由于減水劑與不同水泥存在相容性問題，混凝土容易出現(xiàn)流動性損失問題;另外，高性能混凝土在硬化過程中容易出現(xiàn)裂縫，致使混凝土耐久性降低。通過高性能減水劑與大摻量活性細摻料兩者的復合作用使混凝土的性能得到改善和提高，大大減小了水泥用量和水膠比，提高了工程質量，降低了工程造價。

我國現(xiàn)行的混凝土配合比設計、施工質量標準，包括原材料的檢驗標準，主要都是針對高水灰比的普通混凝土特點制定的，如《混凝土外加劑》GB80876-1997，不能準確檢驗出丙酸基高效減水劑的減水率，所測結果與施工配合比中反應出的減水率之間存在較大差異。

高性能混凝土配合比設計的有關參數(shù)和耐久性檢測方法與普通混凝土有所不同，其方法特點應主要突出新拌混凝土的流動性和硬化混凝土的耐久性檢測。在我國，高性能減水劑的質量與國外產(chǎn)品有一定差距，隨著對化學外加劑的深入研究，差距將會縮小，免振搗自密實混凝土及高強超高強高性能混凝土也將得到進一步發(fā)展，因此，及時開展高性能混凝土的基礎研究非常必要。

5 結束語

高性能混凝土從配合比設計、配料、攪拌、運輸、施工、養(yǎng)護、檢測驗收各個環(huán)節(jié)都要按照相關的規(guī)范、規(guī)程和標準進行嚴格的檢查和監(jiān)控，建設行政主管部門和質量監(jiān)督部門要嚴格控制混凝土生產(chǎn)管理和施工，并在本行業(yè)推行ISO9000系列質量管理體系。從政策上、工藝上和管理上確保高性能混凝土的質量，推動高性能混凝土的應用。