我國高強超高強混凝土的研究與應用綜述

張二猛，林東

（1.廣州興業混凝土攪拌有限公司，廣東 廣州 510700；2.廣東華隧建設股份有限公司，廣東 廣州 510620）

我國高強超高強混凝土的研究與應用綜述

張二猛1，林東2

（1.廣州興業混凝土攪拌有限公司，廣東 廣州 510700；2.廣東華隧建設股份有限公司，廣東 廣州 510620）

本文從原材料、混凝土配合比設計、力學性能和耐久性能等方面論述了我國高強和超高強混凝土的研究狀況，給出了高強和超高強混凝土的制備及生產應用關鍵參數。

高強混凝土；超高強混凝土；研究；應用

0 引言

隨著能源危機和資源緊缺的矛盾激化，我國十三五規劃中建筑材料綠色低碳發展的理念進一步加強；普通混凝土耐久性危機的日益顯現；以及現代建筑向高層化、大跨度和輕量化的邁進，高強、超高強高性能混凝土的研究和應用將成為未來發展的必然趨勢。

在我國一般把 C60～C90 強度等級的混凝土稱為高強混凝土，C100 及以上強度等級的混凝土稱為超高強混凝土。從20 世紀 70 年代初開始研究高強混凝土，到 2014 年東塔實現C120 超高強混凝土超高層的泵送，近年來高強、超高強混凝土在我國得到迅猛發展。

本文將從原材料、配合比設計、強度和耐久性幾個方面闡述目前我國高強、超高強混凝土的研究現狀，以期給工程實際應用帶來一定的參考。

1 原材料的選用

與普通混凝土相比，高強、超高強混凝土在原材料的選用上極為嚴格，各原材料均應符合相應的技術指標，才可配制出強度滿足設計要求、泵送施工性能和耐久性能良好的混凝土。

1.1 水泥

國家標準中水泥強度等級是水灰比 0.5 時水泥膠砂 28d抗壓強度的結果。在制備高強、超高強混凝土時，水膠比要降低到 0.27～0.18 范圍，甚至更小。采用 P·O42.5 水泥完全可制備出 C80～C100 高強、超高強混凝土[1，2]，目前所使用的水泥強度等級從 P·O42.5 級到 P·II52.5R 級不等，但有文獻指出水泥膠砂 28d 抗壓強度不宜小于 52MPa，混凝土的強度才可得以保障[3]，對 C100 強度等級及以上的超高強混凝土使用P·O52.5 或 P·II52.5R 水泥更為理想。水泥強度滿足要求的前提下，一方面需盡可能選用標準稠度需水量小的水泥品種，否則單方用水量很難得以控制；另一方面應當選用中低熱水泥，降低水泥水化放熱，這對混凝土的耐久性能是有利的。在配制高強、超高強混凝土時需注意膠凝材料間的合理搭配，而非單純提高水泥用量。統計數十組 C80～C100 混凝土配合比，水泥用量在 302～535kg/m3較大范圍變化，但總膠凝材料基本在 550～600kg/m3范圍。

1.2 礦物摻合料

高強、超高強混凝土強度影響最主要的因素是水泥在膠凝材料中所占的比例，在一定范圍內，隨著水泥摻量增加，混凝土強度增大[4]。但制備 C80 及以上強度等級的混凝土，礦物摻合料是必不可少的組分，常見的礦物摻合料有硅灰、礦渣粉、粉煤灰、微珠粉、天然沸石粉等。研究[5]表明硅灰具有較高的活性，可以在很短的時間內與水泥水化反應生成的Ca(OH)2發生二次反應，生成低鈣型 C-S-H 凝膠，改善了混凝土的界面結構，提高混凝土的強度，尤其是早期強度，在高強、超高強混凝土的配制中具有極其重要的作用。

GB/T 18736—2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》和 GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》要求，硅灰的 SiO2含量≥85%，比表面積≥15000m2/kg，當用于高強和超高強混凝土中時，對硅灰的性能要求更高。丁慶軍[6]認為用于高強高性能混凝土的硅灰應符合下述質量指標：一是活性無定形 SiO2含量不小于 90%；二是比表面積不小于 18000m2/kg；三是密度在 2200kg/m3左右；四是平均粒徑 0.1～0.2μm。摻入硅灰混凝土的粘度會增大，給混凝土的泵送施工帶來困難，硅灰與微珠粉復摻使用時發揮超疊加效應，表現出較好的工作性能，既可滿足早期強度要求，同時后期強度增長穩定[7]。由于硅灰需水量較大、對收縮不利，其摻量一般控制在 8% 以下；也有研究者把摻量提到 10%，需摻加膨脹劑來補充收縮。

礦渣粉根據其比表面積可分為：（1）普通磨細礦渣粉，即商品攪拌站常用的 S95 級礦渣粉，比表面積一般為 400～500m2/kg，平均粒徑 15～25μm，由于與水泥顆粒的粒徑基本相當，微細填充效應一般，后期強度發展與水泥持平，通常與硅灰或粉煤灰等復摻使用，降低膠材水化放熱和改善漿體的粘聚性；（2）超細礦粉，比表面積在600～1200m2/kg 范圍，超細礦粉具有很好的填充效應，對混凝土強度貢獻也較大，其缺點是水化放熱速度快、放熱量大，對結構耐久性不利，摻量要適中，通常應用于超高強混凝土的配制。

高強度混凝土采用粉煤灰的目的是改善流動性，降低水化放熱和用水量，粉煤灰的品質要求優良，通常使用的為Ⅰ級粉煤灰。隨著粉煤灰資源化利用程度的提高，Ⅰ級粉煤灰出現供不應求的局面，僅在高鐵、水利和核電等重要工程中使用，商品攪拌站很難獲得性能良好的Ⅰ級灰，房建工程應用相對較少。當混凝土強度等級大于 C100 時，不再摻加粉煤灰，主要是混凝土結構中未發生水化反應的空心玻璃珠成為缺陷，影響超高強混凝土的強度。微珠粉作為一種新型的摻合料，較粉煤灰顆粒更細，玻璃珠含量更高，其應用也越來越廣泛。

天然沸石粉用作高強、超高強混凝土礦物摻合料，隨著摻量增加，混凝土坍落度變小，需水量增大，強度有輕微的降低，但對混凝土的收縮有明顯的改善作用[8]。也有文獻使用鋼渣粉制備出 C80 混凝土，但混凝土和易性達不到施工要求，工程上難以推廣應用[9]。陶瓷微粉是陶瓷廠拋光粉經篩選烘干而得的工業副產品，其 SiO2含量達 70% 以上，顆粒細小，筆者嘗試不摻硅粉情況下用其制備 C80 高強混凝土，試驗結果表明在摻量為 3% 時，不僅可以改善混凝土的和易性，混凝土密實度也大大提升，混凝土 28d 強度達 95MPa。

1.3 外加劑

高強、超高強混凝土的制備需采用高性能減水劑，其性能的優劣并非體現在減水率上，而是在于混凝土強度與和易性的平衡，既保證混凝土含氣量不能太高（低于 2.5%），又要有良好的擴展力。由于不同類型的減水劑對混凝土強度的影響也不同[10]，減水劑的選用要根據膠凝材料來定，使用上要有明顯的飽和摻量、較低的摻量和較小的坍落度損失等，減水劑需選用高濃度型，在使用時也要考慮減水劑的含水率。高強、超高強混凝土膠凝材料用量較大，收縮是需要重點考慮的問題，膨脹劑以及增強養護的外加劑通常使用在混凝土中，膨脹劑的品種和摻量要慎重選擇，以控制合適的限制膨脹率和限制干縮率。

1.4 骨料

高強、超高強混凝土所用碎石粒徑較小，一般為5～20mm，一是從材料界面結構考慮高強高性能混凝土需選用較小粒徑的骨料，二是與高強混凝土澆筑部位鋼筋密集有關；但對于某些鋼管混凝土，內部沒有鋼筋籠的情況，骨料粒徑可適當地增大，這對體積穩定性是有利的。粗骨料的強度對混凝土強度的影響與其砂漿強度關系密切，可觀察混凝土試件的斷面，當混凝土斷裂破壞點發生在骨料處時，混凝土的強度受骨料制約，反之亦然，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。粗骨料的石粉含量對混凝土的強度與和易性影響較大，主要是因為石粉含量較多時導致外加劑的減水效果變差，用水量增加，坍落度損失增大；另一方面界面的粘結強度也會削弱。砂對高強和超高強混凝土的影響主要體現在混凝土的和易性方面，建議使用細度模數 2.6～2.9 的中砂[11，12]，研究表明適宜的砂率對高強混凝土強度影響不大[13]，砂率在最佳值時混凝土的可泵性可得以改善。在內陸地區河砂資源緊缺，機制砂得以廣泛的使用，摻加部分或全部機制砂制備高強和超高強混凝土的研究成為趨勢[14-17]，也有研究者采用偏高嶺土尾砂、黃金尾礦等制備高強和超高強混凝土[18，19]。粗細骨料使用的比例，需經大量的試驗來確定，選擇合適的漿骨比，對混凝土拌合物工作性的改善效果顯著[20]。生產高強和超高強混凝土，由于水的超敏感性，骨料最適宜保持面干狀態，避免生產含水率不精準造成配合比失真，骨料倉密封是切實可行的辦法。

1.5 水

有文獻報道使用攪拌站廢水配制 C80 混凝土[21]，但長期的研究表明攪拌站廢水由于含有殘留的減水劑、未水化的水泥懸浮顆粒、以及石粉膠團等，隨攪拌時間不同廢漿水濃度不同，生產高強混凝土控制上很難操作，必須采用自來水進行生產。試驗結果表明采用相同配合比時，回收廢水、天然雨水和自來水制備的混凝土凝結時間和強度差異較大，前兩者均延長混凝土的凝結時間，但會削弱強度。

2 配合比設計方法

高強、超高強混凝土的配合比設計，目前大多是依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、CECS104∶99《高性能混凝土結構技術規程》和 JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術規程》，設計者多從降低水膠比、增大膠凝材料用量和使用高效減水劑方面來考慮，專門針對高強、超高強混凝土的配合比設計規范依然空白。相對于國內，挪威標準 NS3473 混凝土的最高強度等級為 C105，德國混凝土協會1995 年頒布的《高強混凝土指南》最高強度等級為 C115，日本規范 JASSO 也給出了高強混凝土的試配公式，美國混凝土協會 ACI 也有相關指導性規范。在我國高強、超高強混凝土工程應用相對較少，配合比設計基礎數據不多，是缺乏標準的一個主要原因。

郭佩玲[22]認為高強高性能混凝土必須采用雙摻技術，即摻加高性能復合型的摻合料和高性能外加劑的途徑來達到，而非單一的提高水泥強度等級和用量。焦楚杰[23]基于超高強高性能混凝土配制試驗數據擬合出膠水比公式系數，并借鑒前人經驗，引入水化活性因子，以及確定膠凝材料、砂、石和外加劑用量，從而提出了超高強高性能混凝土配合比的設計方法。趙學明[24]引入水化活性因子和減水劑增量系數進行高強、超高強混凝土配合比的修正，為超高強高性能混凝土配合比的設計提供一種實用的方法。程寶軍[25]基于緊密堆積理論，調整膠凝材料和砂石骨料堆積密度，配制出 28d 抗壓強度≥135MPa，60d 抗壓強度≥145MPa 的超高強自密實混凝土。采用拋填骨料工藝制備高強混凝土，是一種嶄新的嘗試方法，目前在軍工某些特殊部位已推廣應用[26]。

3 工作性能和強度

已經獲得學者認可的是，高強混凝土的工作性和流變性幾乎完全取決于外加劑而非水膠比，高效減水劑與高效緩凝劑的良好搭配可以使混凝土有較好的工作性以及較小的坍落度損失[27]。對工作性的影響程度中，減水劑最為強烈，其次是粉煤灰摻量，然后是砂率，水膠比對工作性影響不顯著[28]。從實際工程應用結果來看，外加劑是制備高強和超高強混凝土的首要考慮因素，混凝土強度與和易性的獲取，均由外加劑來決定。另外，礦物摻合料的用量和砂率對混凝土的和易性也有較大的影響。合適的漿骨比是保證混凝土流動性良好的一個重要參數。對混凝土工作性能的判定，坍落度已無法衡量，目前主要依據自密實混凝土的一些指標，如T50、倒筒時間和間隙通過性等。混凝土的工作性也可從澆筑時的泵送壓力及泵送流量來判定，以及混凝土在攪拌車的狀態，和易性好的混凝土看上去呈彈性。

單純獲得較高的混凝土強度很簡單，然而在保證混凝土工作性能良好的同時保證混凝土強度，尤其是生產應用并非易事。對高強混凝土而言，水膠比一般控制在 0.27 以下，單方用水量不宜大于 145kg，但水膠比不是越低越好，水膠比越低越不利于混凝土后期強度的提高，當水膠比過于低時，會引起混凝土內部缺水，嚴重影響其后期強度的提高[29]。另外，當混凝土呈較干狀態時，振搗變得困難，內部容易形成大的氣泡（尤其是摻有硅灰），成為強度缺陷。礦物摻合料用于高強和超高強混凝土中，由于能夠與水泥水化產物發生“二次水化”反應，增加了混凝土中 C-S-H 凝膠的含量，改善界面結構，增加強度[30]。高強混凝土的強度發展較快，尤其是超早期強度，1d 強度可達到 55MPa[31]，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[32]。

蒲心誠[33]研究了超高強混凝土的力學性能，結果表明超高強混凝土的脆性較大，劈拉強度與抗壓強度比為1/14.6～1/19.6，要摻入纖維改善其脆性。摻入鋼纖維后，拉壓比隨著鋼纖維摻入量的增加而增加，與未摻入鋼纖維的超高強混凝土相比，拉壓比的提高程度為 24.08%～73.46%，超高強混凝土脆性大、韌性小的缺點得到顯著改善[34]。鋼纖維體積分數不大于 0.75% 時，流動性可保持良好，混凝土的韌性和斷裂能可顯著提高[35]。鋼纖維具有改善韌性的優點，但生產過程中鋼纖維的分散是需要解決的問題，否則發生團聚，則造成蜂窩狀的缺陷。使用改性膠粉和碳纖維材料等來改善高強、超高強混凝土脆性的研究也與日俱增。

4 耐久性能

耐久性能方面，高強混凝土的長期強度、動彈性模量、抗碳化、氯離子滲透性能和抗凍性能等均大大提高[36-39]，主要是高強混凝土的孔隙率極低，具備良好的微孔結構[40]。

對高強混凝土耐久性，需考慮的是其裂縫問題。試驗結果表明，干縮值與膠凝材料用量和水膠比相關性較高，并隨它們的增大而增大[41]。高強混凝土的收縮絕大部分發生在早期，3d 齡期的收縮達到 180d 齡期收縮的一半以上，需摻加一定的膨脹劑進行補償收縮[42]。混凝土早期收縮和干燥收縮隨著粉煤灰摻量的增加逐漸減少，粉煤灰對早期收縮的抑制作用優于干燥收縮，隨著礦粉的增加，混凝土早期收縮增大而干燥收縮減少，硅灰的摻入增大了混凝土的早期收縮與干燥收縮，并隨摻量增大而增強[43]。由于沸石粉孔穴內部的電場和極性作用“使沸石粉具有較高吸附容量的特點，水是極性很強的分子，故在混凝土拌合過程中很容易被沸石粉吸收，隨著水化齡期的延長”被沸石粉吸收的水會不斷釋放出來補充混凝土內部的毛細管水，改善混凝土內部毛細管水分和相對濕度，降低毛細管負壓，可有效降低混凝土的自收縮[44]。也有研究表明，摻加粉煤灰對混凝土收縮絕對值無明顯改善[45]，但摻 30% 和 50% 粉煤灰或礦渣粉均使低水膠比漿體的水化溫升和水化放熱速率峰值明顯降低，并延緩這些峰值出現的時間，且粉煤灰對水化進程的延緩效果優于同等摻量的礦渣粉；提高水膠比只能略微推遲漿體的水化溫升和水化放熱速率峰值出現的時間，使水化放熱速率峰值有所增大，不會改變漿體溫升曲線和放熱速率曲線的形狀[46]。減少膠凝材料的水化放熱，調整膠凝材料水泥與礦物摻合料的比例是可行的，例如通過使用粉煤灰等可降低水化放熱量和延緩水化放熱速度。

高強和超高強混凝土的耐火性不如普通混凝土，是因為超高強混凝土密實度太高，高溫時，其內部的自由水和C-S-H 及 Ca(OH)2受熱分解產生的水蒸汽無法排出，形成很高的蒸汽壓，足以使混凝土爆炸[47]。高強混凝土的脆性較大，如何改善其韌性，提高混凝土的抗震性能是需要解決的問題。

5 工程應用

高強、超高強混凝土至今已在許多重要工程中使用，并在高層建筑、大跨度橋梁、海上平臺、漂浮結構等工程中顯示出其獨特的優越性，在工程安全使用期、經濟合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益，被各國學者所接受并被認為是今后混凝土技術的發展方向。

我國高強和超高強混凝土的應用主要有三個方面：一是地標性高層建筑核心筒剪力墻或鋼管柱結構；二是用于煤礦的深井壁結構；三是軍工防護等特殊結構。其中以地標性建筑的使用較多，并且隨著建筑高度的增大，使用的混凝土強度等級越來越高。但從工程應用情況來看，高強和超高強混凝土的使用率相對較小，在民用建筑中 C80 混凝土應用最為廣泛，且單工程混凝土使用量大于 10000m3的工程極少，對于 C100～C150 強度等級的混凝土雖有報道，但實際工程應用方量極少。

高強和超高強混凝土的應用推廣，需要多方共同努力。設計方提出高強度等級混凝土的要求，并在結構截面上進行優化，已獲得較大的經濟效益；施工方采取先進的施工工藝，加強施工管理，改變普通混凝土澆筑時偶爾加水等不良現象；商砼站應對混凝土的原材料進行嚴格控制，并逐漸改變混凝土的拌合方式，解決目前高強和超高強混凝土攪拌時間過長，生產供應不連續的現象。另外相關部門逐漸制定并完善高強和超高強混凝土技術標準規范，指導實際應用。

6 結語

高強、超高強混凝土的原材料選用極為關鍵，混凝土的工作性能和強度在很大程度上受減水劑的影響，在實際工程應用中要根據澆筑體高度及泵車種類合理地調整配合比，且在配合比設計時考慮溫度應力及收縮帶來的負面作用，使用膨脹劑或礦物摻合料來減小開裂的可能性，施工方必須有完整的質量保證體系，嚴格控制作業環節，并加強混凝土的后期養護。高強、超高強混凝土的脆性和開裂問題、常溫下超高強混凝土的配制技術及制備工藝等仍有較大的研究空間，逐漸發展 RPC、UHPC 的研究及應用。

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張二猛（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為高性能水泥混凝土制備及應用、堿激發膠凝材料和快速修補固化材料。