高性能混凝土的應用研究

孫曉博、陳奕林、譚家鼎、許智超、吳琳婕、馮嘉煒、劉心瑩

（1.福建省高速技術咨詢有限公司，福建 福州 350108；2.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108）

0 引言

隨著橋梁工程的發展，橋梁的承載能力不斷提高，對于建造橋梁的材料要求也變得越來越高，特別是原有的普通混凝土性能已不能滿足橋梁工程的要求[1]。而高性能混凝土的特點能夠滿足目前橋梁發展所需的要求，已被廣泛應用于橋梁建筑中。

1 高性能混凝土的特點

1.1 高耐久性

影響混凝土使用性能的因素包括碳化、化學侵蝕、自然腐蝕、溫差破壞等[2]。碳化是指在自然環境中二氧化碳的影響導致鋼筋腐蝕的過程；化學侵蝕是指氯離子的侵入促使鋼筋的腐蝕；自然腐蝕是一種電化學腐蝕，當水和氧氣反應破壞鋼筋的涂層進而和內部的鋼筋產生氧化反應時，會使鋼筋的受力面積減小，影響整體結構的安全性；溫差破壞實際上是一種凍脹破壞，它是混凝土遭受熱脹冷縮而引起的開裂，繼而損害結構。為了避免這些因素影響混凝土的性能，就得保證混凝土具有良好的耐久性能。

目前高性能混凝土的耐久性，是通過使用普通混凝土的數據經驗進行測評的。國內學者通過添加活性添加劑制備了不同配合比的高性能混凝土，并進行了長期耐久性、收縮率、抗滲透性、碳化、鋼腐蝕等測試。結果表明，高性能混凝土的耐久性與活性添加劑的含量有關。對于使用了高性能混凝土的建筑可提升其使用年限，在某些極端條件下建筑物最長使用年限可達500 年。

由于高效減水劑使整體的水灰比降低，因此高性能混凝土每單位體積的耗水量小，混凝土內部空隙大大減少。另外，還可以添加超細礦物粉增強性能，改善水泥的空隙結構既可以顯著降低孔隙率，也可以大大提高混凝土的早期抗裂性。以上方法提升了它的抗凍融、硫酸鹽腐蝕以及其他酸和鹽腐蝕的性能。高性能混凝土的高耐久性可以使橋梁的使用年限大幅提升，降低成本，存在一定的意義。

1.2 高強度

混凝土強度即混凝土抗壓強度，是檢測混凝土質量的一個重要標準[3]。影響混凝土抗壓強度的因素包括：水泥質量、水灰比、粗骨料、細骨料和配合比等。其中，水泥的質量和水灰比是重點。水泥的質量影響混凝土的收縮和形變，水泥在出廠時應附帶檢驗報告，同時進場時要抽檢并善加保管。粗骨料對混凝土的質量影響次之。技術負責人要確定現場的粗骨料質量和數量是否滿足工程的需要，以便進行材料的調運和預算的控制。細骨料對混凝土的影響略低，混凝土中其他材料也應符合技術要求。

養護和外加劑也影響著混凝土強度。溫差變化是混凝土質量的“奪命殺手”。在夏季可采取以下三種方法降低影響：第一，在一天溫度最低時澆筑混凝土，通常是凌晨和半夜時。第二，減少在太陽下暴曬的時間，使混凝土的和易性達到合理的程度。第三，養護時整體的水分布比例要均衡合理以防水分蒸發，通常使用澆水。冬季要保溫防凍害，冬季施工一般采用兩種方法：第一種是綜合蓄熱法，第二種是蒸養法[4]。

高性能混凝土的強度在正常條件下至少為200MPa。定型后28 天平均強度在100～120MPa 之間，能滿足工程高標準的要求。

1.3 高體積穩定性

混凝土的體積穩定性是指混凝土在物理和化學作用下抵抗變形的能力。高性能混凝土具有高體積穩定性。低溫差變形、低收縮和蠕變以及高彈性模量是它應有的表現形式。普通混凝土的彈性模量一般為20～25GPa，而它的彈性模量可以達到40～50GPa的理論上限[5]。

2 高性能混凝土在工程中的應用

2.1 材料選擇

2.1.1 水泥。水泥應使用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。它的細度應在1/10 以下，堿含量應小于8‰，氯離子比例應小于1‰。水泥的最優儲存時間為3 天，這樣能夠保證施工的質量。

2.1.2 粗骨料。二級和三級碎石是粗骨料的最佳選擇。如果大骨料過多，會影響美觀和混凝土的質量，應慎用和少用。

2.1.3 細骨料。細骨料的雜質也是影響高性能混凝土性能的重要原因之一。如果雜質比例過高不僅會降低混凝土的強度，還會降低配合比，從而產生病害。

2.1.4 摻和料。礦物摻和料具有減少水分、活化、致密、潤滑、免疫和填充混凝土的作用，可以延遲水泥水合過程中水合顆粒的聚集并減少坍落度損失。

2.1.5 外加劑。特殊功能外加劑將影響混凝土的可加工性，具體體現在：一是改變水泥的相容性；二是改變減水率；三是改變流動性；四是改變氣體含量。

2.1.6 含水量。控制砂石中水分的含量是影響高性能混凝土配制質量的重要因素。即使混合設備已測量并控制了其含水量，也應密切注意其一致性并及時進行調整。

2.2 施工流程

2.2.1 攪拌。攪拌過程影響高性能混凝土的性能，應嚴格要求攪拌設備的好壞。普通混合設備產生的混合物均質性需要通過實驗驗證。臥式和逆流混合器的使用無須驗證，它具有混合時間短和混合均勻的優點。混合高性能混凝土時應該注意：不同的混合方法和進料順序對性能有一定影響。混合方法通常是先加入水泥、沙子和硅粉，進行物理層面上的結構重組，然后使減水劑和水漿液混合后再均勻撒上鋼纖維。使用真空攪拌機減少氣體含量，可以提高高性能混凝土的性能，這對有較高要求的施工項目有一定幫助。

2.2.2 澆筑。根據設計標準的要求，在模板施工和隱蔽工程完成標準和檢驗之后，才能澆筑高性能混凝土，避免后續施工影響它的性能。木模的防水能力關系著高性能混凝土的好壞，施工前要好好檢查避免影響后續施工。混凝土澆筑過程的不可中斷性是施工的一個難點。對于泵送混凝土這一工序，要根據規定將其運到施工現場，以便混凝土的澆筑。

2.2.3 養護。養護是高性能混凝土準備工作的重要組成部分[6]，不僅增強了混凝土的強度，而且使混凝土中發生的水化作用完美進行。高溫養護可用于高性能混凝土。比起標準養護，高性能混凝土水化反應在高溫養護中效果更好。這一工序減少了雜質的體積，擴大孔隙的數量，優化結構并提高每個孔洞的附著力，因此提升了整體機械性能。

2.3 工程應用中的注意事項

2.3.1 施工過程中的注意事項

（1）生產應控質控量。水膠比應嚴加把控，注意骨料總體含水量的變化。其他成分要充分融合在混凝土中，攪拌時間應適當延長。

（2）骨料質量要嚴格把控，這關系到它的強度和后期應用。高性能混凝土攪拌完成的第一時間，為了避免初凝時間影響施工，應立即運輸。進場后應檢驗高性能混凝土是否偏析，合格后才能澆筑混凝土。

（3）為了防止水分蒸發并增加表面出現塑料裂縫的風險，必須連續進行高性能混凝土的振動、抹面和養護。

（4）混凝土流動性檢查應為全面檢查，而不是樣品檢查，并應注意初期加濕養護。

（5）當使用高效減水劑時，應預先測試兩者之間的性能是否相互影響。

2.3.2 養護過程中的注意事項

（1）高性能混凝土用水量少和水灰比低，導致收縮和開裂時常發生。這是一個難點，為了避免它的發生，早期養護尤為重要。

（2）使用蒸汽來養護時，在靜態停止時環境溫度應保持在5℃以上，澆筑后放置4～6h 再加熱，冷卻速度不應超過10℃/h。恒溫養護時間應根據組件的脫模強度要求、混凝土的配合比和環境條件通過試驗確定。

（3）在未去模的混凝土養護時，應使用包模、澆水、噴涂或蒸汽等方法進行保濕和濕氣養護。

（4）脫模后，應通過儲水、澆水或灑水進行養護，并確保養護時間滿足規定要求。當混凝土表面潮濕時，可以使用亞麻布、草簾等快速覆蓋或包住裸露的表面混凝土，然后用塑料布或帆布覆蓋。在涂層過程中，涂層應完整無缺，彼此完全重疊，并且內表面應有凝結的珠子。

（5）噴射養護液養護混凝土時，應確保不漏水，施工縫的混凝土不得用養護劑噴涂。

3 工程實例

3.1 工程概況

某公路橋梁上部結構為：2×40m 簡支T 梁（右岸引橋）+（50+120+150+120+50）m 連續剛構（主橋）+1×40m 簡支T 梁（左岸引橋），橋梁總長約618m。橋梁主橋的上部結構采用預應力混凝土變截面箱梁，下部結構4#、5#主墩采用雙薄壁墩，墩梁固結；3#、6#主墩采用矩形墩，墩梁分離；2#、7#過渡墩采用矩形墩；引橋1#墩采用矩形墩；橋臺采用重力式橋臺；基礎均為鉆孔灌注樁基礎。橋梁結構布置圖如圖1 所示。橋梁采用高性能混凝土施工，本文對該工程高性能混凝土的應用進行分析。

圖1 橋梁結構布置圖（單位：m）

3.2 技術難點

預應力鋼筋混凝土箱梁早期質量、美觀和性能對橋梁整體構造有著舉足輕重的作用。高性能混凝土箱梁的配合比和施工質量控制需要保證。對于工程出現的主要問題是：混凝土箱梁橫向距離大、結構復雜，出現裂縫概率大、施工時困難多。

3.3 性能和材料控制

預應力鋼筋混凝土箱梁具有密集的鋼筋以及集中的縱向和豎向預應力管道。為確保混凝土的穩定澆筑和結構強度，混凝土性能要求如下。第一，可加工性：混合物的坍落度為180～200mm。第二，機械性能：28 天后，未固化的硬化混凝土的強度小于60MPa，混凝土的抗壓強度大于90%。第三，設計強度：28 天內的彈性模量不小于34.5GPa，7 天內達到90%以上；抗滲等級不低于P12。

混凝土拌和采用強制式攪拌機。在攪拌過程中，必須嚴格控制加水量，準確計算外加劑和骨料等的用量，并不斷調整混合比例。進料前，應根據混合比例準確稱量原料，然后按規格添加。為了提高高效減水劑的效率并降低坍落度損失，應使用二次水混合法將高性能混凝土與礦物摻和料混合。

對于原材料，根據現場施工情況結合經濟成本因素，按規范要求選用。

對于拌和物測試，為了滿足構造要求，對工作性能有更高的要求。坍落度不僅應每10 塊板進行一次測試，而且在更換原材料或顯著改變混凝土性能時也應進行測試。當混合物有明顯的偏析時，應及時找出原因并采用有效的處理辦法。

控制最大用水量：為了保證高性能混凝土的耐久性，對最大用水量限定效果更好。控制最大用水量不僅可以防止滲色、偏析、過多的氣泡和稠密的漂浮物，而且能確保強度、抗滲性、長期體積穩定性和耐久性的穩定增長。根據實際情況，使用超分散的聚羧酸系高性能減水劑。

水灰比：水灰比過大會減少性能和使用壽命；過小會影響流動性，使結構收縮并產生裂縫。

骨料：骨料要進行篩選，得到骨料級配和顆粒形狀。篩選后的最大骨料堆積密度與最小空隙率，可減少材料漿體用量。漿骨比和混凝土徐變成正比。

3.4 解決方法

在該項目中保證高性能混凝土質量的措施主要是施工時配合比以及養護控制施工質量。

配合比最優選擇是超高分散性的高性能減水劑。它有以下優點：一是低水泥用量；二是高礦物摻和料；三是低耗水量；四是最大骨料堆積密度。采用“疊加”原理混合緩凝高性能減水劑，粉煤灰和礦渣粉的三者混合物對削減水化熱和提升泵送性能有決定性作用，而礦渣粉對早期強度和碳化性能的影響可忽略。礦物粉末的二次水化反應改善了膠凝材料水化產物的組成，提高了抵抗環境中化學介質腐蝕的能力，調節了混凝土的實際強度，并利用了水泥的骨料改善結構。細粉煤灰和礦物粉填充效果使漿料的結構及其與骨料的接觸面密實相接。使用超高分散性的高性能減水劑，可以大大降低水結合劑的比例，增加強度和延遲時間，并降低水化溫度的峰值熱量。因此，使用“三種添加劑”技術可減少水泥用量，延遲水化放熱溫度峰值的到達時間，達到混凝土強度穩定和結構更加致密的多重目的。

關于振搗和養護，在混凝土攤鋪中必須保留一定程度的虛鋪，目的是使夯實的表面高程符合設計標高，因為在施工過程中使用平板振搗器進行振搗。隨著夯擊的進行，將發生一定量的沉降。為了不使連續施工部產生裂縫，需要在指定位置連續澆筑而不會中斷。為了防止混凝土的早期收縮和開裂，澆筑后的維護工作必須根據施工作業的要求進行。澆筑后的工作通常是立即用薄膜覆蓋混凝土結構，然后在初凝之后用濕麻袋或濕草墊覆蓋混凝土表面。

4 結語

綜上所述，高性能混凝土的使用能夠有效地提高橋梁工程的質量，提高橋梁工程技術經濟效益。工程材料領域的研究應用中應加強高性能混凝土的研究，提高其應用水平，為國內工程建設提供技術的保障。