高強、超高強混凝土研制中的幾個關鍵問題

鄭捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200065）

1 前言

隨著外加劑技術的迅速發展，目前配制高強、超高強混凝土不是一件很困難的事情。近年來C60、C80乃至C100強度等級的混凝土在RC結構、CFT結構中都得到了一定的應用。尤其在高層建筑荷重較大的低區受力柱上采用高強混凝土設計，減小了受力柱的截面積，加大了柱與柱之間的間隔，使建筑空間得以擴展，體現了低碳綠色的理念。當前現代建筑正向著高層化、大跨度、輕量型方向發展，因此研究、開發、應用高強、超高強混凝土有著重大的現實意義。

與此同時，在研制高強、超高強混凝土時，又時常會遇到如下一些問題：如相同配合比、相同外加劑條件下，不同地點配制的高強混凝土不一定都能達到規定的設計強度，即便達到設計強度，但強度富余不足，影響了工程應用；又如高強混凝土如何減少水化熱，改善耐久性的問題以及高強、超高強混凝土與普通混凝土在配制上究竟有哪些區別……諸如此類問題表明高強、超高強混凝土的一些內在規律性問題尚未被我們所充分認識，這恰恰是高強、超高強混凝土研制中的關鍵問題，有必要開展進一步的研究和探索。

2 粗骨料對高強、超高強混凝土的影響

一般粗細骨料約占單位混凝土體積的三分之二以上，其中粗骨料在混凝土中起著骨架的作用。所以粗骨料的強度、表面形狀、巖石種類直接影響到混凝土強度的變化。

2.1 粗骨料母巖種類對高強、超高強混凝土強度的影響

混凝土生產用的粗骨料是通過對母巖的開采、破碎、篩選等一系列工藝所形成的。常用的粗骨料其母巖大多為分布較廣的安山巖、砂巖、石灰巖、花崗巖等。以安山巖為例，依據其斑晶中含有的不同成分可區分為輝石安山巖、云母安山巖、角閃石安山巖，可見當安山巖的礦物組成中有云母之類的軟物質時，其巖石強度必然受到影響，又由于各種巖石形成于不同地質年代和不同的地理環境，巖石的性能不盡相同。表1所列的是各種巖石的抗壓強度。

表1 巖石抗壓強度[1]

表1顯示不同巖石種類其抗壓強度相差懸殊，實際上由于我國幅員遼闊，巖石的抗壓強度范圍可能還要寬泛。通常配制混凝土時，要求巖石的抗壓強度與混凝土的設計強度之比不應小于1.5。在我國粗骨料的強度采用兩種強度指標表示，一種是直接采用巖石制成的立方體或圓柱體試件在水飽和狀態下測得的極限抗壓強度，一種是以壓碎指標間接推測相應的強度。對于高強、超高強混凝土僅以壓碎指標作為粗骨料強度控制手段是不夠的，因為巖石礦物組成的多樣性以及地質年代、地理環境的差別，石礦不同部位的抗壓強度變化可能較大，必須將粗骨料強度控制的源頭前移至粗骨料母巖的強度檢測，只有如此才能有效確保所配制的高強、超高強混凝土強度的一致性。

2.2 普通粗骨料對高強、超高強混凝土強度的影響

由以上闡述可知，不同礦物組成的巖石其強度是不同的，即使同一種類的巖石強度也在一定范圍內波動。作為普通粗骨料只要技術指標符合混凝土用碎石標準，配制普通混凝土強度等級完全能夠滿足混凝土強度的需要，巖石強度的波動對于配制普通混凝土而言并不敏感。但是，在配制高強、超高強混凝土時由于受到母巖強度的制約，就不一定能滿足混凝土強度要求了。從宏觀上看，混凝土是由粗骨料與包括細骨料、水、水泥及其它摻合料所形成的漿體兩大部分組成。粗骨料與漿體之間的粘結由粗骨料的表面形狀特性和漿體的粘結特性所決定的。就粗骨料而言，各種巖石經過破碎、篩選形成的各種粒徑的粗骨料其表面形狀特性基本是一致的。漿體強度與所配制的混凝土強度應該一一對應。筆者通過試驗結果歸納總結得出：如將x軸設為硬化后的漿體強度，y軸則為混凝土強度所形成的圖1中對角線上所有點都應表示漿體強度與混凝土強度的對應性，見圖1。

圖1 粗骨料強度對混凝土強度的影響

在實際試驗中可以發現漿體強度達到80MPa時，混凝土強度并未呈現為對應狀態，而是表現為緩慢增長的趨勢，偏離了對角線，這說明普通粗骨料在配制普通混凝土強度時是能夠滿足混凝土配制要求的，但在混凝土強度超過80 MPa時，顯然普通粗骨料是不能滿足混凝土配制要求的。上圖的折線表明80MPa是混凝土強度的拐點。當混凝土強度等級大于C80時，其強度的增長要落后于漿體強度的增長。若采用石灰石母巖所生產的粗骨料，其混凝土強度的拐點可能還將前移，因此高強、超高強混凝土中的粗骨料強度是不能被輕視的。

2.3 粗骨料彈性模量對高強、超高強混凝土彈性模量的影響

眾所周知混凝土是一種多相復合材料，粗骨料的彈性模量又取決于母巖的抗壓強度。一般巖石的抗壓強度高其彈性模量也高。粗骨料的彈性模量對于普通混凝土與高強、超高強混凝土的影響究竟有何不同之處，表2是一組不同強度等級的混凝土，當取用不同彈性模量的粗骨料時，混凝土的彈性模量也隨之發生不同的變化。

表2 粗骨料彈性模量對混凝土彈性模量的影響[1] GPa

由表2可知隨著粗骨料彈性模量的增大，對于0.26低水灰比混凝土來說，混凝土的彈性模量也相應增大，但水灰比為0.44的混凝土，彈性模量的增長不及低水灰比為0.26的混凝土，而水灰比為0.55的混凝土彈性模量并未顯示出變化的規律性，可見粗骨料的彈性模量對于普通混凝土和高強、超高強混凝土的影響是有區別的。正如以上所分析的那樣粗骨料與包括細骨料在內的膠凝材料所形成的硬化漿體，它們的彈性模量在普通混凝土和在高強、超高強混凝土中的作用是不一樣的。在普通混凝土中硬化漿體強度受混凝土設計強度的制約其彈性模量要比粗骨料的彈性模量低，而在高強、超高強混凝土中硬化漿體強度為了與混凝土強度保持一致其彈性模量也相應提高，因而與粗骨料的彈性模量之差相應縮小，可見在高強、超高強混凝土中粗骨料的彈性模量對混凝土彈性模量的敏感度顯著增加了。此外，由于混凝土的抗壓強度與混凝土的彈性模量有著一定的關系，一般隨混凝土強度的提高彈性模量也隨之提高，考慮到不同粗骨料種類對高強、超高強混凝土的影響，歐洲混凝土委員會提出了式（1）的混凝土彈性模量與混凝土強度的關系式。

上式中fcm為圓柱體試件的28天抗壓強度，a為粗骨料種類的影響系數，規定玄武巖、硬質石灰巖a=1.2，石英巖a=1.0，石灰石a=0.9，砂巖a=0.7。

3 水泥品種對高強、超高強混凝土的影響

為了減少混凝土溫度裂縫的產生，降低水泥水化熱不失為一種有效可控的方法。高強、超高強混凝土的低水灰比導致水泥用量較普通強度等級的混凝土多得多。以C80混凝土為例，在無外摻料情況下水泥用量一般在600kg/m3左右，以普通硅酸鹽水泥配制，水泥的7d水化熱達300J/g以上，28d水化熱也要達到380J/g以上。如果選擇GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥低熱硅酸鹽水泥低熱礦渣硅酸鹽水泥》中的低熱硅酸鹽水泥，其7d水化熱不大于260J/g，28d水化熱不大于310J/g，兩者比較僅以水泥品種不同7d、28d水化熱可分別降低40 J/g和50 J/g，這對于水泥用量較大的高強、超高強混凝土無疑是非常有利的。從水泥熟料礦物組成來看，主要化合物有C3S（硅酸三鈣）、C2S（硅酸二鈣）、C3A（鋁酸三鈣）、C4AF（鐵鋁酸四鈣），在W/C為0.5條件下普通硅酸鹽水泥中以上四種主要化合物的水化率如表3所示。

表3 水化率[2] %

表3中的數據說明C3S和C3A在早期水化率較其它兩種化合物要高，顯示出水化放熱量大。為此GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥低熱硅酸鹽水泥低熱礦渣硅酸鹽水泥》中規定低熱硅酸鹽熟料中C2S＞40%，而C3A＜6%，低熱水泥將熟料中的上述主要化合物比例加以改變，降低了早期水化熱，有利于28d以后的強度發展。因此高強、超高強混凝土的強度可以考慮56d或者90d強度作為評定標準，這對于提高高強、超高強混凝土的耐久性是十分有利的。除此之外應用低熱硅酸鹽水泥配制的另一個特點是減少了對外加劑的吸附量。因為間隙質相的C3A是構成水泥化合物中對外加劑吸附量最大的化合物，而低熱硅酸鹽水泥對其規定不大于6%，降低了水泥化合物對外加劑的吸附，更有利于大流動度、高強、超高強混凝土的配制。

4 微硅粉對高強、超高強混凝土的影響

現代建筑施工要求高強、超高強混凝土在確保設計強度的同時還要求具有良好的可泵性。而低碳、節能、環保理念的推進又要求高強、超高強混凝土在泵送施工的同時還應具有免振搗、自密實的特點。因此在配制高強、超高強混凝土時除了高性能外加劑必須具備的高減水率、低粘性的特性之外，充分發揮外摻料特別是微硅粉的作用也是很重要的一個方面。

微硅粉是一種0.5μm以下的球形超細粒子，適當的摻量不僅能提高混凝土的強度而且還能改善混凝土的流動性，是高強、超高強混凝土配制中不可缺少的粉體材料。由于微硅粉的超細特性即密度小、粘結性強、附著力大、不易沉降，給攪拌站的儲存、搬運、計量帶來困難，國內普遍采用人工拆包投入的外摻形式的生產工藝是較難達到均衡攪拌效果的。目前一些先進國家采用在低熱水泥生產過程中摻入微硅粉，這種硅粉水泥既利用了低熱水泥發熱速度小、能有效抑制溫度裂縫的產生，又利用了低熱水泥中長期強度增長的特點并且簡化了攪拌站的生產工藝，從而使得高強、超高強混凝土的生產切實地從實驗室走向大生產，達到規模生產的能力。表4是硅粉水泥的主要品質指標（引自日本宇部三菱水泥有限公司的產品說明）。

對于45μm以下的水泥粒子來說粒形完整、表面光滑、質地致密的超細硅粉作為一種超細充填物不僅促進了初期水泥的水化同時也改變了拌合物的流變性質。圖2是微硅粉添加量與漿體塑性黏度之間的關系。圖2顯示隨著微硅粉摻量的增加漿體黏度呈下降趨勢。

表4 硅粉水泥主要品質指標

圖2 微硅粉添加量與漿體塑性黏度之間的關系[3]

在配制高強、超高強混凝土時要獲得良好的流動性，微硅粉添加量一般在15%以上。為了獲得最大的火山灰效應和充填效應，微硅粉的二氧化硅含量應大于90%，比表面積應在130000~300000 cm2/g之間。

5 粗細骨料表面含水量對高強、超高強混凝土的影響

混凝土的配合比設計是以骨料表面干燥狀態為基準的，但現場放置的骨料由于各種原因多處于濕潤狀態并含有表面水，因此決定單位用水量時必須根據實際含水情況進行調整。砂石含水率的精確度對于普通混凝土的影響有限，但對于高強、超高強混凝土而言，由于高性能外加劑大大減少了單位用水量，在低水灰比的情況下骨料表面含水量的微小波動都能對水灰比產生較大的變化繼而對混凝土強度及流動度產生較大影響，以致高強、超高強混凝土對骨料表面含水量的敏感度要超過普通混凝土。為此一方面要減小砂石含水率測定的誤差，另一方面在攪拌站生產管理上譬如對攪拌樓及骨料儲存、上料系統采取半封閉或全封閉的生產工藝，可以減少氣候因素對骨料表面含水量的影響。

6 結語

以上從巖石強度、水泥品種、微硅粉摻量、粗細骨料表面含水量等四個方面，分別闡述了其對高強、超高強混凝土的影響。眾多研究表明，我們在確保混凝土組分材料品質指標的同時應更加注重組分材料之間以及組分材料與混凝土整體性能之間的協調性和匹配性，關注材料性能、組成、物理參數的微小變化所導致的敏感性的放大，這正是高強、超高強混凝土有別于普通混凝土的最大特點。

近年來我國高強、超高強混凝土在研制和應用方面都取得了豐碩成果，但正如本文所提及的一些關鍵問題還有待進一步探索，相關生產配套措施尚未完善，高強、超高強混凝土要形成規模化生產還存在一定距離，這也制約了高強、超高強混凝土在工程中的大規模應用。隨著水泥、外摻料、高性能外加劑的研制開發以及施工技術的不斷發展，高強、超高強混凝土的特殊性能和規律性問題將逐漸被人們所認識，高強、超高強混凝土從實驗室走向實用化的進程必將進一步縮短。

[1]鶴田浩章.高強度コンクリ－トffl壓縮強度靜彈性系數に及（ⅶ）XIII粗骨材物性ffl影響に関XIIItf最近研究[J]. コンクリ－ト工學，Vol.43,No.2,2005.2

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[3]鳴瀬浩康，井上敏克，古賀康男，石中正人.超高強度コンクリ－トへffl挑戦[J]. fjメントコンクリ－ト，No.697. Mar.2005

[4]小林一輔[日].混凝土工程[M].北京：煤炭工業出版社，1981.