淺談改善高強混凝土使用性能的途徑

摘 要：目前高強混凝土在結構中被廣泛應用，但開裂等耐久性問題嚴重影響著高強混凝土的使用性。通過改善微觀結構可以提高高強混凝土的使用性能。

關鍵詞：高強混凝土；裂縫；硅粉；鋼纖維

中圖分類號：F273.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）07-0188-01

目前，在國內外對混凝土材料的研究下，通過結合高強混凝土的實際使用條件，可以通過改變混凝土的微觀結構來達到提高高強混凝土使用性能的目的。

1 硅粉混凝土

硅鐵合金廠和硅金屬廠在冶煉金屬時，極細的粉末隨氣體從煙道排出，通過收塵裝置收集的粉塵稱為硅粉。硅粉中二氧化硅（SiO₂）含量極高，顆粒為極小的球形玻璃體。硅粉摻入混凝土中，具有良好的火山灰效應和微粒充填效應，能改善混凝土的孔結構和密實性。新拌的硅粉混凝土泌水小，和易性好；能提高混凝土的強度和抗滲能力；提高混凝土抗化學腐蝕能力等。

1.1 礦粉混凝土的耐久性

（1）抗凍性。

當硅粉摻量少時，硅粉混凝土的抗凍性與普通混凝土基本相同，當硅粉摻量超過15％時，硅粉混凝土的抗凍性較差。

水科院結材所曾對C20，C50，C80三種強度等級的硅粉混凝土和普通混凝土進行抗凍試驗。試驗結果表明，摻硅粉5％的C20級混凝土，抗凍性優于普通混凝土，經50次凍融循環，相對彈性模數分別為71.6％和52.2％；C50級混凝土，摻硅粉5～15％，均達到300次凍融循環，而普通混凝土只達到250次循環；C80級混凝土，摻硅粉20％與普通混凝土一樣，均有較高的抗凍性，達460次凍融循環。以上現象主要是因為C80混凝土水膠比低，混凝土密實，毛細管孔徑小，混凝土中可凍水較少，因此混凝土的抗凍能力大大提高。

（2）抗滲性。

由于硅粉顆粒小，比水泥顆粒小20～100倍，可以充填到水泥顆粒中間的空隙中，使混凝土密實，同時硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中滲透通道，所以硅粉混凝土的抗滲能力很強。

（3）抗化學侵蝕性。

①抗酸類侵蝕：在混凝土中摻入硅粉，能減少Ca(OH)₂含量，增加混凝土密實性，可有效的提高對氮鹽、硫酸鹽及弱酸的腐蝕能力，但在強酸或高濃度的弱酸中不行，因為混凝土中的CSH（水化硅酸鈣）在酸中分解。

②抗鹽類侵蝕：因硅粉混凝土較密實，孔結構得到改善，減少了有害離子在混凝土中的傳遞速度以及減少了可溶性的Ca(OH)₂和鈣礬石（3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O）的生成，而增加了水化硅酸鈣（C－S－H）晶體的結果，抗鹽類侵蝕性提高。

（4）抗鋼筋銹蝕能力。

鋼筋的銹蝕主要取決于混凝土中Ca(OH)₂濃度和氯離子含量，混凝土中Ca(OH)₂濃度低，Cl-含量多，將破壞鋼筋的鈍化膜，產生化學侵蝕，引起鋼筋銹蝕，誠然，硅粉摻入混凝土中，SiO₂與Ca(OH)₂結合使混凝土中的Ca(OH)₂濃度降低，pH值下降，對抵抗鋼筋銹蝕不利。但是，根據C.L.Page等人的研究認為，硅粉摻量為10～20％時，混凝土中Ca(OH)₂濃度仍處于飽和狀態，pH值仍能保持在12.5以上，即使混凝土膠材中摻硅粉30％，pH值仍保持11.5以上，此值被認為是保持鋼筋具備良好鈍性的極限值。另一方面，出于硅粉混凝土密實，抗滲性好，碳化慢，故鋼筋能保持鈍性狀態，對抗腐蝕能力是有利的。

結合工程實際經驗，使用硅粉混凝土時應注意以下事項：

①在混凝土中摻入硅粉，必需與高效減水劑聯合使用才能取得良好的效果。

②硅粉的摻入方法分內摻和外摻兩種。內摻法是摻入硅粉，同時減少水泥用量，外摻法是摻入礦粉并不減少水泥，高強混凝上中一般采用外摻法。

③硅粉的摻量一般為5～10％，在此范圍內硅粉有效系數最大，各種性能都能充分地反映出來，而又避免其不利的一面。

④由于硅粉混凝土很稠，設計混凝土坍落度應比普通混凝土的大2～3cm。

⑤硅粉混凝土的攪拌時間應比普通混凝土延長0.5～1min，以便使細料完全攪拌均勻。

⑥最后，使用硅粉混凝土時，必須加強早期養護，否則易引起塑性收縮裂縫。

2 纖維混凝土

纖維混凝土，是纖維增強混凝土的簡稱，通常是指以普通混凝土為基體，以非連續的短纖維或者連續的長纖維作增強相所組成的水泥基復合材料，也叫纖維混凝土。

纖維在混凝土中的作用，取決于纖維自身的性質以及它在混凝土基體當中散布混合的狀態。纖維加人水泥基體中主要有以下作用：

①阻裂 阻止水泥基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并有效延緩新裂縫的出現。盡管從更微觀的形態上說，以水泥為基材的混凝土當中必定存在裂隙，但是由于纖維的作用可以大大減少甚至徹底消除宏觀（肉眼可見的）裂縫產生。

②防滲 由于大大減少了水泥基體中的連通裂縫，故可有效阻止外界水分侵入。

③耐久 改善水泥基體抗凍、抗疲勞等性能，提高其耐久性。

④增韌與抗沖擊 提高水泥基體耐受變形的能力，從而改善其韌性和抗沖擊性。

⑤增強 在使用高彈性模量纖維的前提下，可以起到提高基體的抗拉（剪）強度的作用。

⑥減重 使用高彈性模量纖維，因基體抗拉（剪）強度的提高，可減少預制件或澆筑體的截面尺寸，因而降低它們的自重。

⑦美觀 改善水泥構造物的表觀質量，使其致密、細潤、平整與美觀。

高強混凝土的最大缺點是脆性大，混凝土作為一種非均質材料，內部存在著微細裂隙，根據格列費斯（Griffith）理論，混凝土在外力作用下，微細裂隙的尖端產生拉應力集中，而混凝土的抗拉強度較低，拉應力很容易超過混凝土抗拉強度，裂縫迅速擴展，以致混凝土破壞。

鋼纖維是目前應用最為廣泛的一種纖維，它的抗壓、抗拉強度和彈性模數都高。由于纖維在混凝土中是不連續的，并且是隨機分布的，各方向均有纖維。例如鋼纖維尺寸φ0.5×35mm，按混凝土的體積計算，摻量為1％時，每m3混凝土中就含鋼纖維約150萬根，也就是說，混凝土中的微細裂隙均有可能被鋼纖維所跨越，故能有效的阻止裂縫擴展，達到增強的目的。另外鋼纖維在混凝土中鈍化，不易銹蝕，穩定性好。

結合以上兩種方法的鋼纖維硅粉混凝土兼有硅粉混凝土和普通鋼纖維混凝土的優點，提高了混凝土的力學強度和變形能力，持別是提高了混凝土的抗沖擊、抗磨蝕能力，對防止混凝土裂縫，減少混凝土的沖刷、磨蝕特別有利。

在建筑質量與經濟效益并重的現今，高強混凝土的強度及耐久性能都同樣重要，因此改善了韌性的和具有實際使用性能的高強混凝土材料必將得到更廣泛的應用。

參考文獻

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