C90高強高性能混凝土創新研發報告

張守明，孫強，趙培午，劉洋，劉珍珍

（日照市百順混凝土有限公司，山東 日照 276823）

隨著社會不斷的進步與發展，我國現代化建筑工程向高層、超高層、大跨度及超大型的趨勢發展，建筑工程對混凝土的結構強度、性能的要求越來越高。多年來混凝土技術的不斷提升與發展，高性能減水劑與高活性摻合料不斷得到開發與應用，為常規工藝生產條件下配制高強高性能混凝土提供了技術條件。

目前山東省內在建項目綠地山東國金中心（ICF）428 米第一高樓，使用混凝土的最高強度等級為 C70（部分使用），大部分為 C60 混凝土，C60 混凝土在日照地區多項目已經應用；而海韻廣場、日照中心 C80混凝土的初步設計使用要求打破了山東省內最高混凝土強度等級的使用。在此需求情況下各個混凝土企業為能制備出 C80 高強混凝土為榮譽從而展開了如火如荼的試驗。因此，集團經理下達設計任務，成立“C90 高強高性能混凝土”專項小組，項目小組在負責人的領導與安排下，落實專家技術人員、材料、試驗實體，進行配合比設計及試驗且應符合生產要求。百順混凝土試驗室團隊頂著壓力，勇于挑戰困難敢于戰勝困難的決心開始進行了研發試驗。我們在進行試驗的過程中也平行的為生產實體項目進行籌劃準備，最終取得了可喜的成果，下面將對 C90 高強高性能混凝土的相關技術與研究過程作一些介紹。

1 C90 高強高性能混凝土設計的技術要求

C90 高強高性能混凝土是在超高層、繁華地段、人車流量較大且有高峰禁行期的工況下使用，要求混凝土的工作性能優異，有大流動性、保坍性、低黏度，有良好的和易性易于泵送、澆筑、施工，且能保持體積穩定性及使用壽命的長久性。要求如下：

（1）滿足高抗滲抗凍等級的要求、抵抗高介質侵蝕溶蝕的性能，因海韻廣場、日照中心處一線沿海位置，高等級的抗滲性能指標是反映高強高性能混凝土耐久性的重要指標，因此要求混凝土有極高的密實性，減少有害氣泡的危害。

（2）滿足高體積穩定性，控制好因前期的水化溫升和收縮而引起開裂的風險及高彈性模量、低收縮、低徐變等指標。

（3）滿足良好的施工性能，即施工要求的大流態且高黏聚性，要克服混凝土的黏度大、高層泵送困難、泵送阻力大等難題，要求達到符合自密實要求的功能狀態。

（4）具有高強、高韌性，即滿足工程結構強度或特殊使用環境的要求。

（5）易本地取材，經濟合理，降低成本。

C90 高強高性能混凝土，研發要求目標必須從原材、配合比設計、生產過程質量控制、運輸、泵送與施工工藝、養護條件等各方面綜合考慮。首先必須嚴格篩選原材，其次科學優化配合比設計，在滿足設計要求的情況下，盡力減少水泥用量。結合工程實際情況摻用礦物超細粉，為了滿足設計和施工性能的要求，應優選高效能減水劑及確定合理的摻量，制定合理科學的工藝方法，加強過程中的質量控制，統一思想意識，以此滿足C90 高強高性能混凝土的使用要求。

2 優選原材

2.1 細集料

本著就地取材不進行二次加工降低成本的前提下，優先選用河砂，多次到日照水庫與諸城、莒縣選取河砂，試驗結果顯示砂含石較多（風化顆粒強度低），細度及含泥量不理想。在苦尋無果的情況下，轉變思路，向優質精品機制砂方向探索。目前大多數人因思維定勢及對機制砂的偏見，都偏向于在中低強度等級混凝土中應用，對精品機制砂在高強高性能混凝土的研究和應用較少，由此本試驗也對精品機制砂在 C90 高強高性能混凝土的研發進行了可行性研究。初定標準：細集料選用細度模數為 2.6～3.2 的中粗砂，石粉含量不應高于 6%，且亞加藍試驗必須合格，粒型良好針片狀不大于8%，含水率穩定在 3%～5%。經過大量試驗最終選定精品機制砂細度模數為 3.0 的Ⅱ區中砂，石粉含量5%，亞加藍試驗合格，粒型經過整形，含水穩定。

2.2 粗集料

要求質地堅硬、級配良好、界面條件較好的機制碎石，針片狀含量低，石子粒徑 5～20mm，含泥量小于0.5%，吸水率低。最終選定莒縣玄武巖石子，壓碎指標5.5%，且滿足以上要求。

2.3 水泥

選取日照中聯、山水 P·O52.5 水泥，經過對比試驗最終選取日照山水 P·O52.5 水泥，各項指標檢驗符合要求。

2.4 礦物摻合料

配制高性能混凝土，依靠單一品種摻合料無法滿足要求，因此選擇兩種或兩種以上摻合料復合的方案。本次試驗選用的摻合料有粉煤灰、礦粉和硅灰三種礦物摻合料，充分發揮這三種材料的填充效應、微集料效應、火山灰效應，三種摻合料相互補充，效應疊加。最終選定日照鋼廠 S95 級礦渣粉、日照華能電廠Ⅰ級粉煤灰和北京漢江硅灰。

2.5 減水劑

高性能混凝土要求合理的低水膠比，因此選用高效減水劑是實現高強度和高耐久性必不可少的技術措施之一。高效能減水劑減水率高，可達 25% 以上，更要注重混凝土的強度與和易性的平衡，既要保證混凝土的含氣量不能太高，又要保證混凝土良好的擴展度，應與水泥有良好的適應性，經時損失小，降低混凝土黏性等要求。經過試驗對比最終選用日照海景建材減水劑。

3 配合比設計及試驗

高強混凝土配合比設計符合 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》及 JGJ/T 281—2011《高強混凝土應用技術規程》的相關規定，并應滿足施工及設計的要求。

當設計強度等級≥C60時，配制強度應按下式計算：fcu,o≥1.15fcu,k

配制強度：fcu,o≥1.15fcu,k=1.15×90=103.5(MPa)

（1）水膠比、膠凝材料用量和砂率可參考相應標準規范要求，并應經試配最終確定。

（2）外加劑和礦物摻合料的品種、摻量，應通過試配確定；礦物摻合料摻量宜為 25%～40%；硅灰摻量不宜大于 10%。

（3）水泥用量不宜大于 500kg/m3。

依據上述標準為指導，經過大量反復的試驗。最終確定 C90 高強高性能配合比，如表 1 所示。

表1 C90 混凝土配合比

對經兩個月對實體澆筑留置的試塊進行抗壓強度試驗，然后使用高強回彈儀對試驗墻體（圖 1）強度進行檢測，強度結果見表 2。由表 2 數據可見，滿足預期設計配制強度指標的 103.5MPa 的要求。

圖1 C90 混凝土試驗墻

表2 C90 抗壓強度

4 C90 高強混凝土的性能

4.1 拌合物性能

為了滿足設計和施工性能，C90 高強混凝土除具有足夠高的強度以外，同時具有良好的可操作性，滿足實際泵送要求。本試驗對混凝土的拌合物進行了坍落度、排空時間和 3.5h 內的坍落度損失試驗。試驗結果表明：C90 高強高性能混凝土的初始坍落度達到260mm，在 3h 內坍落度損失在 20mm 以內，排空時間6～8s，擴展度 600～650mm，具有大的流動性與保塑性，具有良好的可操作性，滿足泵送施工要求。

4.2 混凝土力學性能

C90 高強高性能混凝土的早期強度發展較快，28d及 60d 相對放緩，但增長較為勻速。由于 C90 混凝土強度高，試件制作的初始缺陷及拌合物分布的不確定性、隨機性、不均勻性以及試驗過程中的誤差，在對混凝土試塊進行抗壓強度檢測時試塊強度出現不均勻、偏差大的現象，說明高強混凝土的離散性大。對試塊進行劈裂抗拉強度試驗，C90 混凝土的劈裂抗拉強度為 5.9MPa，為抗壓強度的 1/18，比普混凝土的拉壓比1/10 低得多，說明了高強混凝土的脆性比普通混凝土高。

4.3 耐久性

4.3.1 收縮性

混凝土的收縮性是指混凝土在凝結硬化過程中，由于外界因素及自身水化產生的變形，強度越高收縮越大，且收縮絕大部分發生在早期。在混凝土中摻入多種礦物摻合料，可大大提高混凝土的密實性，從而保證混凝土的高強度，而且具有良好的體積穩定性，前提時必須控制好混凝土的溫度及濕度。由于高強混凝土水分蒸發快，澆筑后應及時覆膜，否則表面易起殼及出現龜裂。本次澆筑的試驗墻柱前三天由于水化釋放出大量熱量模板有明顯的熱感，墻體中心最高達 84℃ 并在第三天逐漸降溫，第四五天溫度回歸正常，建議延長拆模時間，拆模養護至兩周，未發現一條裂縫。

4.3.2 抗滲性

混凝土的抗滲性能是反映混凝土耐久性的重要指標之一，高強高性能混凝土具有良好的密實性，從而具有高抗滲性，滿足自防水功能。本次試驗表明 C90 高強高性能混凝土抗滲等級達到 P30 以上。

4.3.3 抗凍性

混凝土的抗凍性是指試塊在吸水飽和后，承受反復凍融循環、抵抗冰凍漲縮的能力，它是評定混凝土耐久性的重要指標。高強高性能混凝土水膠比小、高強度、結構密實，所以抗凍性能好，從而具有良好的耐久性。經過 350 次凍融循環后，失重率為 0。

4.3.4 混凝土碳化試驗

暴漏在大氣中的混凝土，混凝土在水化過程中產生的 Ca(OH)2與空氣中的 CO2產生反應生成不溶于水的 CaCO3，使混凝土的堿度降低，這種現象稱為中性化，又稱碳化。當 pH 小于 10 時，鋼筋表層的鈍化膜被破壞，鋼筋開始銹蝕。生銹后鋼筋的體積比原來鋼筋的體積膨脹約 2.5 倍，在周圍混凝土中產生膨脹壓力，因此導致混凝土開裂，此時鋼筋的粘結力降低，混凝土保護層開始剝落，鋼筋斷面出現缺陷，嚴重影響混凝土的耐久性。本試驗對混凝土的試驗實體進行試驗，測得28d、60d、90d、180d 混凝土的碳化深度均為 0，試驗結果表明 C90 混凝土具有較高的密實性，所以有很高的抗碳化能力。

5 創新點

（1）此次聯合相關專家，通過混凝土配合比設計及大量試驗，設計出了 C90 精品機制砂高強混凝土，并研究了不同形態的原材料及不同石粉含量（3%、5%、7%）對機制砂的混凝土強度、工作性能和收縮的影響。適量的石粉可以提高精品機制砂混凝土的和易性，改善其工作性能狀態，從強度及工作性方面考慮，建議配制高強精品機制砂混凝土時，可以將石粉含量放寬至 5%。機制砂中含有一定量的石粉對精品機制砂混凝土是有益的，機制砂石粉含量并不是越少越好，在這過程中不僅可以減少機制砂生產過程的石粉損耗量，節約資源，減少污染，還節約了生產成本。

（2）此次 C90 高強高性能混凝土的研發通過了各個環節的考驗，滿足項目設計的需要，并突破日照市無C80 以上的高強高性能混凝土生產技術的現狀，為完善高強高性能混凝土生產應用積累了豐厚的經驗，填補了本地區在這個領域的一項技術空白。高強高性能混凝土混凝土剛度大、耐久性好、可以適應惡劣環境，大大延長混凝土結構的使用壽命，滿足超高層建筑的需求，適用于大跨度的鐵路、大橋與等，不僅可以減少混凝土用量，減輕結構自重，還可以大幅增加結構使用空間，社會效益非常可觀。