高性能混凝土研制的技术途径探析

高性能混凝土研制的技术途径探析

【摘要】我国社会主义经济建设正处在大发展时期，城市的建设发展迅速，高层或超高层建筑不断涌现，同时大跨和超大跨桥梁的兴建与日俱增，这些建筑物均对结构构件提出了高强、轻质的要求，要获得良好的经济效益，就要求设法增加建筑物的使用周期，而这要求结构的主要材料混凝土具有良好的耐久性，高性能混凝土的产生使得这一切成为可能。

【关键词】高性能混凝土；耐久性；经济效益；孔隙特征；刚度；流动性；水胶比

0 引言

高性能混凝土是一种耐久性优异的混凝土，其显著特点是高工作性、高体积稳定性、较高强度、高抗渗性等。混凝土要获得高性能，应主要从以下几方面入手。

1 改善水泥石的孔结构

研究水泥石孔结构特征的理论是孔隙学。该理论是EH. Wittmann教授在第七届国际水泥化学会议上提出的。孔隙学理论认为，孔级配即孔大小不同的孔相互搭配的情况，当孔隙率相同时，平均孔径小的混凝土材料强度高，渗透性低。不同尺寸差别小，即分布均匀时，强度高。因此可通过孔级配的改善来提高混凝土的某些性能。而小于某尺度的孔则可对强度和渗透性无影响。

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为水泥重量的15%-25%，而实际施工时用水量为水泥重量的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区域形成大量的各种孔隙，以及因混合料泌水和混凝土收缩所引起的微孔和微缝，这些缺陷是导致混凝土强度下降和其他性能指标低劣的根本原因。因此，尽可能减少和消除这些缺陷，改善混凝土的结构，是制成高性能混凝土的关键问题，其基本措施就是掺入超塑化剂。混凝土要达到高耐久性，首先要降低水胶比，以减少水泥石中毛细孔隙和混凝土中的骨料与水泥石之间的界面缝隙，提高其抗渗性。但水胶比的降低是有限度的，极低的水胶比往往伴随着流动性的降低，如图1所示。掺用超塑化剂后，在水胶比较低、胶结材料用量适中的情况下，可获得较大的工作度。超塑化剂量与水泥净浆流动度的关系如图2所示。

由上图可以看出：超塑化剂在一定掺量范围内流动度随其掺量提高而增加；但超过某一掺量，流动度变化不明显。一般超塑化剂掺量以0.70%-1.50%为宜（最高不超过20%），过量经济技术效果均较差。另外采用添加超细矿粉的方法同样可以改善孔的结构。

2 改善水泥石集料界面结构

普通混凝土中，集料与水泥石的界面是整体混凝土结构的薄弱区。在该区域内集料的表面富积大量的六方板状Ca（OH）2晶体，Ca（OH）2晶体定向排列在集料表面，形成混凝土中最疏松的区域，一般称该疏松区域为界面过渡层，疏松的界面过渡层是导致混凝土抗渗性增高，强度与耐久性下降的主要原因。因此，要使普通混凝土高性能化，即获得高强度、高耐久性，就要改善混凝土中集料与水泥石的界面结构，极力抑制界面过渡层的形成。其方法是在混凝土中掺入活性SiO2微粒或铝硅酸盐微粒等一些矿物掺料，这些掺料与水泥水化产生的Ca（OH）2二次反应，这就是人们通常所说的火山灰效应。此外，研究表明：活性微集料在水泥混凝土中还可产生填充效应、增强效应、减水效应和耐久性提高效应等。

①火山灰效应。因活性微集料可与水泥水化产物Ca（OH）2等起火山灰反应，生成C-S-H，消除了孔隙较高的过渡层；使硬化水泥浆内的空隙细化。提高了水泥浆一骨料间界面的强度，同时提高了混凝土的抗渗性。此反应有利于混凝土在酸性环境下的耐久性。②填充效应。微集料取代部分水泥后，超细粉填充于水泥粒子空隙之间，使胶凝材料具有更好的级配，降低其标准稠度下的用水量，降低了填充水泥粒子间空隙的用水量。③减水增强效应。以微集料等量取代水泥，在保持流动度不变的情况下，部分微集料可降低水胶比，28d强度提高。④耐久性提高效应。通过掺超细微集料使混凝土的水胶比进一步降低，抗渗性进一步提高；更重要的还是通过掺入不同品种和掺量的微集料，提高混凝土抵抗环境腐蚀的耐久性。

3 复合适量增强膨胀防水剂，提高混凝土强度和其他性能

混凝土掺人大量微集料后，改善了混凝土的主要性能，某些性能（如早期强度）往往受到一定影响，为此，可加人适量膨胀防水剂，该外加剂的性能特点如下：①增强。同配比混凝土用膨胀防水剂等量取代水泥后强度提高10MPa以上，亦可取代2-3倍的水泥。②减水增塑。该膨胀防水剂减水率为10%-30%，可将坍落度10-30mm混凝土提高至坍落度180mm以上，以至配制高流态免振（自流平）混凝上。③引气、保水。膨胀防水剂可适量引气，保水性能好，坍落度损失小。

④缓凝。掺膨胀防水剂可使混凝土凝结时间缓凝12h，超缓凝仍不影响混凝土后期强度的发展。⑤密实防水。掺膨胀防水剂的混凝土无收缩；孔结构大大改善（混凝土有害孔变为微小孔），密实防水性能好，抗渗等级可达P30以上（形成结构自防水混凝土）。⑥改善水泥安定性。掺该外加剂可改善水泥安定性，增加强度。

⑦节能利废。在水泥生产时加人该外加剂可提高混合材掺量，从而节省水泥10%-50%，降低混凝土水化热。⑧耐久性好。掺该外加剂的混凝土抗渗、抗冻、抗碳化等耐久性能显著提高。

4 选择适宜的胶结浆体

新拌混凝土中胶结浆体，本身具有双重作用：它既可使骨料颗粒相互分开，使其在离散状态下保持在一起；又可作为骨料颗粒问的润滑剂，增加新拌混凝土的塑性变形能力。因此，胶结浆体本身的稠度及其含量是决定混凝土工作度的重要因素。而胶结浆体的稠度又是胶结料组成、水胶比和超塑化剂量决定的。在胶结料组成和超塑化剂一定的情况下，胶结浆体中的自由水含量取决于其水胶比，

水胶比越大，其稠度越稀。当胶结浆体和稠度一定时，胶结浆体的数量对混凝土工作度起决定性作用，其数量越多，骨料间的润浆浆体量也越多，混凝土的工作度愈好。但其超量混凝土技术经济效果恶化。一般胶结材料总量在250-650kg/m3之间。

5 选择适当的砂率

胶结浆体的稠度和数量确定后，砂率便成为影响新拌混凝土工作度的重要因素。因砂率变动会使骨料的空隙度和表面积发生变化。砂率太少，骨料间孔隙变大，需较多的浆体填充空隙面使润滑浆体减少，若砂率过大，骨料的总表面积及空隙率都增大，同样胶结浆体相对显少了，这也就减弱了胶结浆体的润滑作用，使新拌混凝土流动性变差。实验表明，高强高性能混凝土砂率可比泵送混凝土偏低；高流态（免振）高性能混凝土则比泵送混凝土砂率偏高，如图3所示。

根据国内大量试验研究表明：当采用符合有关标准要求的比较干净的中粗砂来配制高性能混凝土时，砂率在32%-40%范围内，免振高性能混凝土砂率在45%-50%。对混凝土工作性的影响并不是很敏感。随着砂率的提高，混凝土坍落度略有增大，强度略有下降。由于高性能混凝土水胶比较小，用水量较低，粘度较大，为避免拌和物过粘，在满足工作性要求的前提下选择偏低的砂率。试验中一般选用34%-38%，且考虑到具体配合比进一步选定。

6 结束语

总之，大量的工程事故使人们深刻地意识到，在追求混凝土材料高强度的同时，必须以同等的高度来关注混凝土的耐久性等问题，这是推动混凝土技术进入高性能混凝土阶段的主要原因。即高性能混凝土不同于高强混凝土，其重点是由非常高的强度转向在特定的使用下，所必须的高性能，包括高弹性模量、高尺寸稳定性、低渗透性以及高的抵抗有害介质蚀能力等。

【参考文献】

[1]冯乃谦.高性能混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[2]吴中伟.高性能棍凝土的发展趋势与问题[J].建筑技术，1998，29（1）：8-13.

[3]张明征.高性能混凝土的配制与应用[M].北京：中国计划出版社，2003.