高性能混凝土研制的技術途徑探析

柴曉亮

（寧夏建筑科學研究院有限公司，寧夏銀川750021）

0 引言

高性能混凝土是一種耐久性優異的混凝土，其顯著特點是高工作性、高體積穩定性、較高強度、高抗滲性等。混凝土要獲得高性能，應主要從以下幾方面入手。

1 改善水泥石的孔結構

研究水泥石孔結構特征的理論是孔隙學。該理論是EH. Wittmann教授在第七屆國際水泥化學會議上提出的。 孔隙學理論認為，孔級配即孔大小不同的孔相互搭配的情況，當孔隙率相同時，平均孔徑小的混凝土材料強度高，滲透性低。 不同尺寸差別小，即分布均勻時，強度高。 因此可通過孔級配的改善來提高混凝土的某些性能。 而小于某尺度的孔則可對強度和滲透性無影響。

在普通混凝土中，用水量比水泥水化所需水量大得多。 一般水泥水化所需的用水量為水泥重量的15%-25%， 而實際施工時用水量為水泥重量的50%-60%，甚至更多。在混凝土硬化后多余的水在水泥石中以及水泥石和集料的界面區域形成大量的各種孔隙，以及因混合料泌水和混凝土收縮所引起的微孔和微縫，這些缺陷是導致混凝土強度下降和其他性能指標低劣的根本原因。 因此，盡可能減少和消除這些缺陷，改善混凝土的結構，是制成高性能混凝土的關鍵問題，其基本措施就是摻入超塑化劑。混凝土要達到高耐久性，首先要降低水膠比，以減少水泥石中毛細孔隙和混凝土中的骨料與水泥石之間的界面縫隙，提高其抗滲性。 但水膠比的降低是有限度的，極低的水膠比往往伴隨著流動性的降低，如圖1 所示。 摻用超塑化劑后，在水膠比較低、膠結材料用量適中的情況下，可獲得較大的工作度。 超塑化劑量與水泥凈漿流動度的關系如圖2 所示。

圖1 水膠比與流動度的關系

圖2 超塑化劑摻量與流動度關系

由上圖可以看出:超塑化劑在一定摻量范圍內流動度隨其摻量提高而增加；但超過某一摻量，流動度變化不明顯。一般超塑化劑摻量以0.70%-1.50%為宜(最高不超過20%)，過量經濟技術效果均較差。 另外采用添加超細礦粉的方法同樣可以改善孔的結構。

2 改善水泥石集料界面結構

普通混凝土中， 集料與水泥石的界面是整體混凝土結構的薄弱區。 在該區域內集料的表面富積大量的六方板狀Ca （OH）2晶體，Ca（OH）2晶體定向排列在集料表面，形成混凝土中最疏松的區域，一般稱該疏松區域為界面過渡層，疏松的界面過渡層是導致混凝土抗滲性增高，強度與耐久性下降的主要原因。 因此，要使普通混凝土高性能化，即獲得高強度、高耐久性，就要改善混凝土中集料與水泥石的界面結構， 極力抑制界面過渡層的形成。 其方法是在混凝土中摻入活性SiO2微粒或鋁硅酸鹽微粒等一些礦物摻料，這些摻料與水泥水化產生的Ca（OH）2二次反應，這就是人們通常所說的火山灰效應。 此外，研究表明:活性微集料在水泥混凝土中還可產生填充效應、增強效應、減水效應和耐久性提高效應等。①火山灰效應。 因活性微集料可與水泥水化產物Ca（OH）2等起火山灰反應，生成C-S-H，消除了孔隙較高的過渡層；使硬化水泥漿內的空隙細化。 提高了水泥漿一骨料間界面的強度，同時提高了混凝土的抗滲性。 此反應有利于混凝土在酸性環境下的耐久性。②填充效應。微集料取代部分水泥后，超細粉填充于水泥粒子空隙之間，使膠凝材料具有更好的級配，降低其標準稠度下的用水量，降低了填充水泥粒子間空隙的用水量。③減水增強效應。以微集料等量取代水泥，在保持流動度不變的情況下，部分微集料可降低水膠比，28d 強度提高。④耐久性提高效應。通過摻超細微集料使混凝土的水膠比進一步降低，抗滲性進一步提高；更重要的還是通過摻入不同品種和摻量的微集料，提高混凝土抵抗環境腐蝕的耐久性。

3 復合適量增強膨脹防水劑，提高混凝土強度和其他性能

混凝土摻人大量微集料后，改善了混凝土的主要性能，某些性能(如早期強度)往往受到一定影響，為此，可加人適量膨脹防水劑，該外加劑的性能特點如下:①增強。 同配比混凝土用膨脹防水劑等量取代水泥后強度提高10MPa 以上，亦可取代2-3 倍的水泥。 ②減水增塑。該膨脹防水劑減水率為10%-30%，可將坍落度10-30mm 混凝土提高至坍落度180mm 以上，以至配制高流態免振(自流平)混凝上。③引氣、保水。膨脹防水劑可適量引氣，保水性能好，坍落度損失小。④緩凝。摻膨脹防水劑可使混凝土凝結時間緩凝12h，超緩凝仍不影響混凝土后期強度的發展。⑤密實防水。摻膨脹防水劑的混凝土無收縮；孔結構大大改善(混凝土有害孔變為微小孔)，密實防水性能好，抗滲等級可達P30 以上(形成結構自防水混凝土)。⑥改善水泥安定性。摻該外加劑可改善水泥安定性，增加強度。⑦節能利廢。在水泥生產時加人該外加劑可提高混合材摻量，從而節省水泥10%-50%，降低混凝土水化熱。 ⑧耐久性好。摻該外加劑的混凝土抗滲、抗凍、抗碳化等耐久性能顯著提高。

4 選擇適宜的膠結漿體

新拌混凝土中膠結漿體，本身具有雙重作用:它既可使骨料顆粒相互分開，使其在離散狀態下保持在一起；又可作為骨料顆粒問的潤滑劑，增加新拌混凝土的塑性變形能力。因此，膠結漿體本身的稠度及其含量是決定混凝土工作度的重要因素。而膠結漿體的稠度又是膠結料組成、水膠比和超塑化劑量決定的。 在膠結料組成和超塑化劑一定的情況下，膠結漿體中的自由水含量取決于其水膠比，水膠比越大，其稠度越稀。 當膠結漿體和稠度一定時，膠結漿體的數量對混凝土工作度起決定性作用，其數量越多，骨料間的潤漿漿體量也越多，混凝土的工作度愈好。 但其超量混凝土技術經濟效果惡化。 一般膠結材料總量在250-650kg/m3之間。

5 選擇適當的砂率

膠結漿體的稠度和數量確定后，砂率便成為影響新拌混凝土工作度的重要因素。 因砂率變動會使骨料的空隙度和表面積發生變化。 砂率太少，骨料間孔隙變大，需較多的漿體填充空隙面使潤滑漿體減少，若砂率過大，骨料的總表面積及空隙率都增大，同樣膠結漿體相對顯少了，這也就減弱了膠結漿體的潤滑作用，使新拌混凝土流動性變差。實驗表明，高強高性能混凝土砂率可比泵送混凝土偏低；高流態(免振)高性能混凝土則比泵送混凝土砂率偏高，如圖3 所示。

圖3 高性能混凝土砂率

根據國內大量試驗研究表明:當采用符合有關標準要求的比較干凈的中粗砂來配制高性能混凝土時，砂率在32%-40%范圍內，免振高性能混凝土砂率在45%-50%。對混凝土工作性的影響并不是很敏感。隨著砂率的提高，混凝土坍落度略有增大，強度略有下降。由于高性能混凝土水膠比較小，用水量較低，粘度較大，為避免拌和物過粘，在滿足工作性要求的前提下選擇偏低的砂率。試驗中一般選用34%-38%，且考慮到具體配合比進一步選定。

6 結束語

總之，大量的工程事故使人們深刻地意識到，在追求混凝土材料高強度的同時， 必須以同等的高度來關注混凝土的耐久性等問題，這是推動混凝土技術進入高性能混凝土階段的主要原因。即高性能混凝土不同于高強混凝土， 其重點是由非常高的強度轉向在特定的使用下，所必須的高性能，包括高彈性模量、高尺寸穩定性、低滲透性以及高的抵抗有害介質蝕能力等。

［1］馮乃謙.高性能混凝土[M].北京:中國建筑工業出版社，1996.

［2］吳中偉.高性能棍凝土的發展趨勢與問題[J].建筑技術,1998，29(1):8-13.

［3］張明征.高性能混凝土的配制與應用[M].北京：中國計劃出版社，2003.