高強及高性能混凝土的特征和研究現狀

蔣銀嵐 胡智偉

高強混凝土(High-Strength Concrete,簡稱HSC)是僅以強度的大小來表征或確定。我國定義強度等級達到或超過C50時為高強混凝土。

高性能混凝土(High Performance Concrete,簡稱HPC)是一種體積穩定性好,具有高耐久性,高強度與高工作性能的混凝土。

1 力學性能

1.1 高強混凝土的力學性能

1)抗壓強度、抗拉強度。有實驗表明:高強混凝土的強度增長較快,一般3 d達到28 d強度的 60%以上,7 d達到85%左右。由圖1可見,高強混凝土比普通混凝土早期強度增長更快,一方面是由于摻加高效減水劑所具有的分散作用有利于水泥水化反應的進行;另一方面是由于高效減水劑一般均具有早強的性能。抗拉強度隨抗壓強度的增長而提高,但是提高幅度比抗壓強度小。

2)彈性模量。高強混凝土的彈性模量較高,按標準試驗方法的試驗結論知,高強混凝土的彈性模量隨著強度的提高而有所增長,但是增長幅度小于強度增長幅度。現階段我國對C50～C80的高強混凝土取彈性模量值在3.45×e4MPa～3.9×e4MPa之間,較國外高。

1.2 高性能混凝土的力學性能

1)抗壓強度、抗拉強度。試件在最大濕度中養護一段時間后取出晾干比試件在最大濕度中連續養護的抗壓強度大。即隨著混凝土試件中含水量均勻的增加,試件的抗壓強度會降低,反之,試件的抗壓強度會增加。而且抗壓強度隨時間顯著增長,見圖2。并且,抗拉強度也會隨著抗壓強度的提高而提高。

2)彈性模量。混凝土的彈性模量與水泥膠體的性能,骨料的剛度,以及確定模量的方法等有著密切的關系。高性能混凝土基于附加粘結性材料的水泥,低水灰比和精選的骨料等,這些特性對彈性模量的影響是相當大的。

2 高強、高性能混凝土的抗滲性能

2.1 高強混凝土的抗滲性能

高強混凝土的滲透系數極低,因此有著很好的抗滲性。采用雙摻硅灰和高效減水劑的方法,可以配制出強度較高、抗滲透性能極為優異的混凝土。

2.2 高性能混凝土的抗滲性能

實驗中制作了三組試件。試驗從水壓為0.1 MPa開始,以后每隔8 h增加水壓0.1 MPa,直至4.3 MPa,恒壓8 h,無一試件透水,停止試驗后劈開試件測定平均透水高度。基準混凝土透水高度為40.0 mm,而摻有硅灰或硅灰和磨細礦渣復合摻加的混凝土的透水高度僅為14.0 mm和12.5 mm,僅為基準混凝土的35%和31.0%,這表明摻入硅灰或硅灰和磨細礦渣復合摻加的高性能混凝土具有很好的抗滲性。

3 混凝土的裂縫

3.1 混凝土裂縫產生原因

1)混凝土的自身收縮和干燥收縮。混凝土自身收縮從混凝土的凝結開始,主要是混凝土凝結后的前幾天。自身收縮是由于水泥水化造成的,水泥越細、水泥用量越大、環境條件越干燥,混凝土的自身收縮越大。混凝土的干燥收縮是混凝土凝結后在干燥的空氣中,因混凝土由表及里持續失水而引起的,由于混凝土表面收縮大,內部收縮小,致使混凝土表面受拉,內部受壓,當混凝土表面拉應力大于混凝土的抗拉強度時,混凝土將產生裂縫。

2)混凝土的塑性收縮。混凝土的塑性收縮是混凝土澆灌后至凝結前產生的收縮。其主要原因也是混凝土表面水分的蒸發。骨料粒徑越大,混凝土的塑性收縮將越大。

3)混凝土的溫度收縮。由于高強、高性能混凝土水泥用量大,水化熱高,混凝土內部溫度將升高,由于構件非絕熱狀態,混凝土的溫度將降低,混凝土溫度收縮,當收縮產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度時,混凝土將開裂。

3.2 預防高強、高性能混凝土開裂的措施

1)嚴格選擇原材料。2)通過反復試驗,優化配合比。3)摻加一定量的粉煤灰、混凝土膨脹劑,以補償收縮。4)夏季對骨料、水等進行降溫措施,降低混凝土入模溫度。5)對骨料在攪拌前澆水,使骨料飽水,有利于降低混凝土的自身收縮。6)混凝土澆筑后及時覆蓋養護,盡量早拆模板,澆水養護,水溫與混凝土表面溫差不應大于15℃,混凝土表面始終濕潤,降低塑性收縮和干燥收縮。7)加強混凝土的測溫,及時采取保護措施,以利于混凝土的均勻降溫。8)對混凝土板及時澆水并用薄膜覆蓋。9)盡量避免直接使用鋼模板。

4 混凝土的施工工藝

4.1 高強混凝土的施工工藝

1)快速施工。由于高強混凝土坍落度損失快,必須在盡可能短的時間內施工完畢,保證1 h內完成。2)密實性對混凝土的強度至關重要。在施工過程中為保證混凝土的密實性,要采用高頻振搗器,根據結構截面尺寸分層澆筑,分層振搗。3)不同強度等級混凝土交匯處的施工宜先澆筑高強混凝土,然后再澆筑低等級混凝土,也可以同時澆筑。

4.2 高性能混凝土的施工工藝

1)高性能混凝土中由于摻加了粉煤灰和硅粉,和易性較好,不易產生離析的現象,同時由于混凝土中的各種成分之間粘結能力比普通混凝土增強,以及由于摻加了多種外摻料,在不同溫度下混凝土的坍落度損失亦不同。因此混凝土澆筑時要根據現場施工溫度選擇適宜的混凝土坍落度,提供給拌合站進行調整。2)混凝土澆筑過程中,要按普通混凝土施工要求進行。因為高性能混凝土摻加了粉煤灰、硅粉,泌水率減小,不易出漿,故應加強表面混凝土的振搗工作。3)混凝土澆筑完畢后要立即進行收面。4)強度等級不相同的混凝土交匯處,應先澆筑等級高的混凝土,嚴禁低等級的混凝土流入高等級的混凝土中。

5 混凝土的應用和研究現狀

5.1 混凝土的應用

高強混凝土是高層建筑底部柱子和剪力墻的理想材料,利用高強、高性能混凝土的高強、早強和高變形模量的特點,來減小高層建筑底層剪力墻、柱子的截面尺寸,增加建筑使用面積,擴大建筑物的柱網間距,改善建筑使用功能。

現代高強、高性能混凝土的應用已遍及橋梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各個土建工程領域。

5.2 混凝土的研究現狀

5.2.1 高強混凝土的研究現狀

高強混凝土最核心的技術是高強混凝土配制,因而也是高強混凝土技術發展的標志技術。國際上配制高強混凝土所采用的方法多種多樣。

目前國際上配制高強混凝土所能達到最高技術水平:意大利學者采用“高硅水泥+玄武巖集料+富配比+低水灰比+最佳骨料級配+蒸壓養護”的技術路線得到了抗壓強度高達300 M Pa的超高強混凝土。挪威的OddE.Gjorv用高質量的陶瓷集料代替礦物集料,將混凝土的抗壓強度由230 MPa提高到460 MPa。與國際技術水平相比,我國配制高強混凝土的技術落后于世界先進水平,尤其是高效減水劑技術至今未有重大突破。

5.2.2 高性能混凝土的研究現狀

1)高性能混凝土的主要發展動向:超高強混凝土;綠色高性能混凝土;機敏型高性能混凝土;普通混凝土的高性能化。2)高性能混凝土的主要研究對象:高性能混凝土主要是由摻合料、減水劑和耐久性三方面的研究組成。

在混凝土中使用超細礦物摻合料必須加入減水劑。目前國內外常用的萘系、蜜胺系、木質素類減水劑都不同程度地存在較嚴重的坍落度損失問題。目前我國用于配制高性能混凝土的減水劑多為萘系高效減水劑與緩凝劑、引氣劑復合的高性能減水劑,減水率偏低、混凝土流動性損失過快等現象較嚴重。

6 結語

以上簡要介紹了高強混凝土與高性能混凝土在力學性能、抗滲性能、裂縫以及施工工藝等方面的特點,體現出了這兩種混凝土之間的異同和各自的優缺點;同時,對這兩種混凝土目前的應用和研究現狀作了介紹。因此,可以預見:由于這兩種混凝土在性能上的無比優異性,滿足了現代建筑的需求,必定會得到更大范圍的推廣和應用,真正成為21世紀的混凝土。

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