高性能混凝土的設計與生產實踐

何　毅

(晉中科睿工程檢測有限公司，山西 晉中　030600)

0　引言

高性能混凝土設計及生產理念是基于混凝土結構耐久性概念基礎上提出的，同傳統的混凝土相比，高性能混凝土在抗拉、抗壓強度、抗滲性、抗裂性及耐久性方面有顯著優勢；除了性能方面有提升外，高性能混凝土在澆筑過程中的和易性、流動性更好，澆筑振搗過程中，穩定性好、骨料不容易離析。高性能混凝土目前已經廣泛應用于工程建設實踐中，尤其是大跨徑、大體積結構，使用更加普遍。本文以省內某大體積混凝土澆筑項目為研究案例，就高性能混凝土配合比設計及產業化生產及應用實踐進行了簡要分析，以期對后續的高性能混凝土配合比設計及生產使用實踐提供參考和借鑒。

1　高性能混凝土配合比設計原則及適應性分析

1.1　高性能混凝土配合比設計原則

對于高性能混凝土而言，為了充分發揮高性能混凝土的各項性能，必須嚴格控制配合比設計精度，且在具體配合比設計過程中，必須注意好以下幾點：

第一，在配合比設計過程中，應以提高混凝土強度為基本準則，考慮到混凝土強度形成除了受配合比設計影響外，混凝土拌和、混凝土澆筑及混凝土運輸過程中均會對混凝土強度產生影響，為了保證澆筑后強度達到設計指標，應預留一定比例的裕度系數。

第二，水灰比是衡量混凝土強度及各項性能的重要指標之一，在具體設計過程中，必須遵循降低水灰比的基本原則，水膠比應保證在最佳范圍內，在確保強度的前提下，最大程度兼顧混凝土的和易性和流動性，保證能夠滿足大體積結構澆筑過程中的連續泵送需要。

第三，選定合理的砂率指標，工程實踐表明，混凝土砂率能夠顯著影響混凝土的和易性和流動性，在配合比設計過程中，必須做到粗骨料和細骨料聯合設計的原則，主要根據粗骨料的孔隙率及骨料級配和水泥等膠凝材料的使用量確定砂率指標。

第四，礦物摻合料及外加劑的合理使用。為了改善高性能混凝土的抗滲性、抗裂性、和易性等指標，應通過添加適量的外加劑和礦物摻合料，在具體設計過程中，應遵循因地制宜的原則，例如，對于水下混凝土構筑物或者水工構筑物，可以考慮添加適量的礦粉、粉煤灰等摻合料以提升混凝土的抗滲性和抗裂性能。

1.2　綜合考慮混凝土外加劑與膠凝材料的相適性

在高性能混凝土配合比設計及拌和過程中，為了滿足不同施工工況的需要，應適當加入部分外加劑以改善高性能混凝土某項特定性能，以滿足特定工況的需要。但需要注意的是，外加劑、水泥等膠凝材料在使用過程中應該考慮二者之間的適應性問題。例如，若添加的減水劑同水泥發生反應時，將嚴重影響水泥材料的流動性，且在澆筑后會伴隨混凝土板結發熱問題，影響混凝土強度形成。此外，為了提供高性能混凝土的和易性及施工流動性，在拌和過程中添加一定量的引氣劑，能夠顯著改善混凝土的和易性及粘聚性，若添加過量，將導致混凝土流動性過大而難以成型，在一定程度上影響高性能混凝土的后期強度形成。因此，在高性能混凝土配合比設計過程中，涉及外加劑添加時，必須綜合考慮外加劑與膠凝材料的適應性，防止因外加劑添加失誤導致的高性能混凝土質量下降。

2　高性能混凝土配合比設計要點

2.1　高性能混凝土外加劑限量

高性能混凝土的原則是盡可能降低水泥等膠凝材料的用量，進而減少因生產水泥引起的環境污染。目前，隨著粉煤灰、礦粉等外加劑的普遍使用，水泥用量已經減少了40%左右，全新一代高性能混凝土的水泥用量下降目標為50%以上，在使用外加劑過程中，應處理好摻量與混凝土強度之間的矛盾，可以考慮將高性能混凝土外加劑摻量的限定條件更改為對高性能混凝土強度遞增率的控制，確保外摻外加劑高性能混凝土在保證混凝土早期強度的前提下，防止由于早期強度發展過快引起的內部微裂縫。目前，高性能混凝土的強度遞增控制形式如表1所示。

表1　高性能混凝土的強度遞增控制形式

2.2　高性能混凝土水泥限量

在高性能混凝土結構中，對抗滲性及耐久性的要求普遍較高，尤其是大體積混凝土結構中，對混凝土各項性能的要求更高。因此，為了保證高性能混凝土的抗滲性及耐久性滿足要求，一般情況下，必須最大程度控制水泥的用量，由于水泥在水化過程中，會產生大量的水化熱，水化熱在擴散過程中，由于溫差因素的影響，很容易引起混凝土結構表面開裂。因此，為了降低水化熱對高性能混凝土的影響，必須盡可能降低水泥的使用量。部分高性能混凝土配合比經過改良和優化后，其活性和耐久性、抗滲性指標明顯高于GB/T 8376—2002中對高性能混凝土用礦物外加劑的二元、三元復合外摻料，所以，可以不受相關規范約束?；炷两Y構設計規范中指出，上部結構水泥使用量最低值為200 kg/m3，若外加劑類型合理，且摻量適合，經過配合比優化后，水泥使用量可以降低到120 kg/m3,且對應的抗滲等級可以高達P21級以上。除此以外，出于對高性能混凝土生產成本的考慮，混凝土中膠凝材料總量超過300 kg/m3的普通混凝土進行高性能轉化，在水泥用量不超過200 kg/m3的條件下，尚不具備大規模生產和推廣使用條件。

2.3　高性能混凝土用水限量

除了控制水泥等高水化熱材料的使用量外，控制用水量也是配置高性能混凝土的關鍵，科學試驗表明，高性能混凝土用水量與外加劑用量呈正相關。當前，商混為了提升泵送效果使用的泵送劑仍然以減水劑為主，隨著粉煤灰和礦粉雙摻技術的成熟，通過外加一定比例的礦粉及粉煤灰，能夠降低用水量約13%～14%的高性能減水劑應運而生，目前高性能減水劑主要應用在高強混凝土中。在水泥價格下滑的大背景下，降低水泥用量，提升外加劑摻量勢必會提高混凝土成本，部分企業在拌和混凝土中，寧愿大量使用水泥也不會選擇使用高性能減水劑，為了實現高性能混凝土的產業化規模，應從制度上明確混凝土的用水量，在目前的高性能混凝土生產過程中，為了降低成本，建議使用價格適中的萘系高效減水劑，保證強度等級在C50以下的混凝土拌和用水量降低至170 kg/m3以下。

3　高性能混凝土生產及使用實踐

3.1　完善高性能混凝土養護技術水平

決定高性能混凝土能否大規模使用的主要因素除了混凝土設計配合比外，混凝土養護工藝也是影響其推廣使用的關鍵因素。工程實踐表明，傳統的灑水、濕草墊覆蓋等傳統養護方式已經無法滿足高性能混凝土的養護要求。使用化學噴涂技術在高性能混凝土接近初凝狀態時，噴涂養護劑，在表面形成隔離膜，防止表面毛細與外界進行水分交換，保證內部水化反應充分，在保證混凝土強度的前提下，減少了混凝土表面毛細裂縫產生的幾率。為高性能混凝土的大規模推廣使用奠定了基礎和條件。

3.2　打破高性能混凝土大規模使用的瓶頸

目前，在高性能混凝土產業化發展方面，缺乏必要的標準和約束是影響其推廣使用的根本缺陷，尤其在相關的設計規范、驗收規范等方面缺失嚴重，導致高性能混凝土無法正常、合規使用。必須加快完善和建立高性能混凝土設計及試驗、驗收規范文件編制和建立，為高性能混凝土推廣使用提供參考和條件。