普通混凝土高性能化研究与应用

普通混凝土高性能化的研究与应用【摘要】介绍了普通混凝土高性能化的措施及设计方法，通过实验的方式分析了影响混凝土强度的因素。

【关键词】混凝土；高性能化；强度1.混凝土高性能化在泵送混凝土得到广泛应用、对混凝土的强度等级要求日益提高的背景下，人们对混凝土施工性能、早期的非荷载裂缝、耐久性方面给予广泛的关注。

工程中大量应用的是c50以下强度等级的混凝土（以下称为“普通混凝土”），在材料使用、施工性能和耐久性方面存在明显的缺陷。

混凝土的性能主要取决于水泥浆的数量和质量以及混凝土内部结构状态。

普通混凝土通过对原材料的优选、配合比优化、生产过程的有效控制，可使生产出的混凝土拌合物具有良好的施工性能，硬化混凝土的结构改善，其力学性能、抗渗等级、耐久性等指标相对提高。

这种改善普通混凝土的内部结构，提高混凝土性能、延长混凝土使用寿命的方法，称为“普通混凝土高性能化”。

混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用新型高效减水剂和矿物质超细粉。

前者能降低混凝土的水灰比、增大坍落度和控制坍落度损失，即赋予混凝土高的密实度和优异的施工性能；后者填充水泥硬化体的空隙，参与二次水化反应，提高混凝土的密实度，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的耐久性与强度。

高性能化的普通混凝土具有较大的坍落度和较小的坍落度经时损失（一般情况下坍落度控制在180～200mm，90min坍落度基本无损失）、适宜的粘度、较大的流动性、优良的稳定性和均匀性、适宜的凝结时间等施工性能；在水泥用量减少的情况下，可以配制出强度相对较高的混凝土，特别是耐久性较普通混凝土大大提高。

因此，要实现混凝土的高性能化、高耐久性，必须从实际需要出发，根据工程所处环境设计使用合适的原材料，按耐久性指标设计出合理的高性能混凝土。

1.1 混凝土的耐久性混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。

现行国家标准《混凝土结构设计规范》（gb50010-2002）中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。

但现行设计规范只划分成两个极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列入正常使用极限状态之中。

且以构造要求为主。

混凝土的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。

1.2 提高混凝土耐久性的措施1.2.1 预防钢筋的锈蚀。

因混凝土钢筋锈蚀而产生的破坏，是钢筋混凝土耐久性不良最多的表现形式。

钢筋锈蚀主要有两个原因：一是混凝土碳化，当二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，使钢筋混凝土结构保护层的碱度降低，当碳化达到钢筋表面时，使钢筋表面与混凝土粘结生成的氧化铁薄膜（钢筋钝化膜）破坏，生成锈蚀；二是混凝土中氯离子的侵蚀作用，当氯离子渗入到钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，钢筋表面的钝化膜被破坏，造成钢筋锈蚀。

常用的方法有采用环氧涂层钢筋，这种钢筋保护层能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。

此外，在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，但涂料应是耐碱、耐老化和与混凝土表面有良好附着性的材料。

还可掺加高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。

还可研究新技术，开发新产品，如耐锈钢筋、阻锈钢筋等。

1.2.2 避免或减轻碱—集料反应。

碱—集料反应是混凝土在配制时由原材料或外界环境中带入的碱性离子与活性矿物集料（活性二氧化硅等）在有水的条件下与二氧化硅反应生成碱硅胶，碱硅胶有强烈的吸水膨胀能力，其形成和成长常常造成混凝土内部的膨胀，这种膨胀所产生的内部应力，使混凝土内部形成微裂缝，甚至造成混凝土的严重开裂。

所以为了避免碱—集料反应，混凝土配制时应采用非活性集料，低碱水泥或控制混凝土中其他组分碱的引入，掺用粉煤灰、矿渣、硅粉等掺和料以降低混凝土的碱性。

1.2.3 加强施工管理。

严格控制施工配合比，搅拌必须均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。

1.2.4 防止混凝土的冻融破坏。

混凝土的抗冻性是指混凝土在使用条件下经受多次冻融循环之后不破坏，强度也不明显降低的性能。

厦门地区气温温暖，年温差、昼夜温差小，混凝土结构设计一般不考虑混凝土的冻融破坏。

1.2.5 注意拌合及养护用水。

混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。

拌合水应检查其杂质情况，防止杂质影响混凝土耐久性。

海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。

1.2.6 针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。

如一类环境（室内正常环境），设计使用年限为100年的结构混凝土应符合下列规定（《混凝土结构设计规范》gb50010-2002）：混凝土保护层厚度应按规范的规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少。

混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。

当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。

1.2.7 对建造在海上建筑物，应考虑海水中氯离子对混凝土扩散渗透的影响，如跨海大桥。

因此，设计配合比要从砂率，单掺和双掺矿物掺合料比例、水胶比、胶凝材料总量考虑对氯离子渗透深度的影响。

1.3混凝土耐久性设计的方法混凝土耐久性对原材料、混凝土配比的主要参数及引气等有很高的要求，根据需要提出混凝土的氯离子扩散系数、抗冻耐久性指数或抗冻等级等具体指标，尽可能降低混凝土的拌和水量与水胶比并在混凝土组成中掺入适量的矿物掺和料、高效减水剂和引气剂。

1.3.1 配制耐久高性能混凝土的一般途径：（1）选用低水化热和含碱量偏低的水泥、尽可能避免使用早强水泥和高c3a含量的水泥；（2）选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料；（3）使用优质粉煤灰、矿渣等矿物掺和料或复合矿物和料；除特殊情况外，矿物掺和料应用为耐久混凝土的必需组分；（4）使用优质的引气剂，将适量引气作为配制耐久混凝土的常规手段；（5）尽量降低拌和水量，为此，应外加高效减水剂或有高效减水功能的复合外加剂；（6）限制单方混凝土胶凝材料的最高用量，为此应特别重视混凝土骨料的级配以及粗骨料的粒形要求；（7）尽可能减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量；（8）配筋混凝土的最低强度等级、最大水胶比和单方混凝土胶凝材料的最低用量应满足有关规定；（9）单方混凝土的胶凝材料总量不宜高于400（c30以下）、450（c40-c50）和500（c60以上）kg/m3；（10）满足最大胶比限制和结构强度设计所要求的混凝土最低强度的前提下，不宜追求混凝土的高强；（11）大掺量矿物掺和料的混凝土水胶比不宜大于0.42；（12）环境作用等级为e或f的重要工程，混凝土的拌和水用量应予限制，一般不宜高于150kg/m3；（13）硫酸盐等化学腐蚀介质作用下的混凝土不宜单独使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，当环境作用等级为c或c级以上时，应在硅酸盐水泥中加入大掺量的矿物掺和料。

对于硫酸盐环境需使用硅酸盐类的抗硫酸盐水或高抗硫酸水泥，但也需掺有矿物掺和料。

在极其严重的硫酸盐腐蚀环境下则不能使用硅酸盐类水泥而应代以其他类型的水泥并需通过试验验证；（14）硅酸盐或普通硅酸盐水泥也不能作为单独的胶凝材料用来配制暴露于ph值小于5.5的酸性环境中的混凝土。

此时，必须加入较大掺量的矿物掺和料。

耐久高性能混凝土的最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量的设计规定，如表1中所示。

耐久高性能混凝土在不同环境条件下的含气量指标应如表2中规定。

1.3.2耐久性混凝土的抗氯离子渗透指标氯盐环境下的钢筋混凝土重要工程，宜在设计中提出混凝土抗氯离子侵入性的指标，作为混凝土耐久性质量的一种控制标准。

具体指标如表3。

氯盐环境下的配筋混凝土应采用较大掺量矿物掺和料的低水胶比混凝土。

单掺粉煤灰的掺量不宜小于25%（如有抗冻要求时，粉煤灰掺量宜以30%为限），单掺磨细矿渣的掺量不宜小于50%，且宜复合使用粉煤灰加硅灰、粉煤灰加矿渣或两种以上的矿物掺合料。

同时，应严格限制混凝土各种材料（水泥、矿物掺合料、骨料、外加剂和拌和水等）中的氯离子含量，尽量降低从原材料引入混凝土中的氯离子。

新拌混凝土不得超过胶凝材料重的0.06%。

本次试验主要研究矿物掺合料比例变化、大掺量矿物掺合料对电通量的影响，以及对后期强度的影响，本次试验前期，统计了大量的关于电通量的试验数据，统计结论结合本次试验结果，得出了很多规律性的结论。

2.试验统计2.1 统计讨论在大量的氯离子扩散系数试验中，不难发现影响扩散系数的因素：水胶比、阻锈剂、单掺粉煤灰和大掺量矿物掺合料。

2.1.1水胶比（见表5），它所对应的配合比如表6（kg·m-3）。

从表5中可以看出，随着水胶比的减小，扩散系数也基本成减小趋势，更多规律性的总结有待于以后大量的试验数据。

2.1.2 单掺粉煤灰（表7）。

从表7可以只能简单的看出，本次试验粉煤灰掺量在小于25%时，随着掺量增大，扩散系数减小，结论是否准确还有进一步验证。

2.1.3 大掺量矿物掺合料（表8），它所对应的配合比如表9。

从表8可以看出，随着矿物掺合料的增加，扩散系数逐渐减小，因此建造跨海大桥都需要大掺量矿物掺合料。

2.1.4 在做过的氯离子电通量中，大掺量矿物掺合料影响也比较大，随着矿物掺合料的增加，电通量逐渐减小，电通量与扩散系数对比如表10，它所对应的配合比如表11。

从表10可以看出，扩散系数与电通量基本呈正比关系。

在上表中做过的氯离子电通量试验中，龄期在56-80天中，6h通过的电量都低于1000c，基本都在800c-900c之间，扩散系数在（1.75～2.12）×10-12 m2/s之间，根据国外相关资料判断，这一范围混凝土的使用寿命预测在100年以上。

2.2本次试验配合比2.2.1矿物掺合料（k+f）比例在33%～63%时，粉煤灰与矿粉比例为2：3时的配合比如表12。

从表12可以看出矿物掺合料（k+f）比例在33%～63%时，随着比例增大，混凝土强度减小（如图1）。

2.2.2 矿物掺合料比例在33%～43%时的配合比如表13。

从表13可以看出，矿物掺合料比例在33%，粉煤灰与矿粉比例在2：3（f掺量占（k+f）比例为40%）左右时，混凝土28天强度最大。

（如图2）从表13可以看出，矿物掺合料比例在43%，混凝土28天强度变化如图3。

2.2.3矿物掺合料比例在53%～63%时的配合比如表14。

从图4可以看出，矿物掺合料比例在53%时，28天强度与f掺量占（k+f）比例关系。