高性能混凝土探析

李 超 郭艷坤

1河南省省直機關房屋建設開發公司（450003） 2中州大學（450044）

1 高性能混凝土產生的背景

混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮它的使用對生態環境的影響。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產混凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環境和天然景觀。另一方面，如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環境帶來威脅。

因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，更多地利用各種工業廢渣作為其原材料，充分考慮廢棄混凝土的再生利用。未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強都意味著節約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產生的。

2 高性能混凝土的概念及性能研究

2.1 高性能混凝土的概念

歐洲混凝土學會和國際預應力混凝土協會將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土；在日本，將高流態的自密實混凝土（即免振混凝土）稱為HPC；中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會將HPC定義為以耐久性和可持續發展為基本要求并適合工業化生產與施工的混凝土。在不同的國家，不同的學者或工程技術人員,對HPC的理解有所差異，如美國學者更強調高強度和尺寸穩定性，歐洲學者更注重耐久性,而日本學者偏重于高工作性，但他們的基本點都是高耐久性。

2.2 高性能混凝土的性能

與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨特的性能:

1）耐久性。高效減水劑和礦物質超細粉的配合使用，能夠有效的減少用水量，減少混凝土內部的空隙,能夠使混凝土結構安全可靠的工作更長時間。

2）工作性。坍落度是評價混凝土工作性的主要指標，HPC的坍落度控制功能好，在振搗的過程中，高性能混凝土黏性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振動時間內，下沉距離短，穩定性和均勻性好。同時，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且摻入超細粉，基本上無泌水，其水泥漿的黏性大，很少產生離析的現象。

3）力學性能。由于混凝土是一種非均質材料,強度受諸多因素的影響，水灰比是影響混凝土強度的主要因素，對于普通混凝土，隨著水灰比的降低，混凝土的抗壓強度增大，高性能混凝土中的高效減水劑對水泥的分散能力強、減水率高，可大幅度降低混凝土單方用水量。在高性能混凝土中摻入礦物超細粉可以填充水泥顆粒之間的空隙,改善界面結構，提高混凝土的密實度，從而提高強度。

4）體積穩定性。高性能混凝土具有較高的體積穩定性，即在硬化早期應具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。

3 高性能混凝土原材料及其選用

1）細集料。細集料宜選用質地堅硬、潔凈、級配良好的天然中、粗河砂,其質量要求應符合普通混凝土用砂石標準中的規定。砂的粗細程度對混凝土強度有明顯的影響,一般情況下,砂子越粗,混凝土的強度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜選用細度模數大于2.3的中砂,對于C80～C100的混凝土用砂宜選用細度模數大于2.6的中砂或粗砂。

2）粗集料。高性能混凝土必須選用強度高、吸水率低、級配良好的粗集料。宜選擇表面粗糙、外形有棱角、針片狀含量低的硬質砂巖、石灰巖、花崗巖、玄武巖碎石,級配符合規范要求。由于高性能混凝土要求強度較高,就必須使粗集料具有足夠高的強度，一般粗集料強度應為混凝土強度的115倍～210倍或控制壓碎指標值＞10%。最大粒徑不應大于25 mm,以10～20 mm為佳,這是因為,較小粒徑的粗集料,其內部產生缺陷的幾率減小,與砂漿的粘結面積增大,且界面受力較均勻。另外,粗集料還應注意集料的粒型、級配和巖石種類,一般采取連續級配,其中尤以級配良好、表面粗糙的石灰巖碎石為最好。粗集料的線膨脹系數要盡可能小，這樣能大大減小溫度應力,從而提高混凝土的體積穩定性。

3）細摻合料。配制高性能混凝土時,摻入活性細摻合料可以使水泥漿的流動性大為改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石強度有所提高。在高性能混凝土中常用的活性細摻合料有硅粉、磨細礦渣粉、粉煤灰、天然沸石粉等。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、細度低、需水量低的優質粉煤灰。礦渣是高爐煉鐵排出的熔融礦渣在高溫狀態下迅速水淬冷卻而成的,用于高性能混凝土的磨細礦渣細度大于水泥,能提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是電爐法生產硅鐵合金所排放的煙道灰,SiO2含量大于90%，平均粒徑約011μm，比表面積>20 000 m2/kg,借助大劑量高效減水劑和強力攪拌作用,可以填充到水泥或其他摻合料的間隙中去，并且具有很高的活性，在各種摻合料中對混凝土的增強作用最為顯著，是國際上制備超高強混凝土最通用的超細活性摻合料。

4）減水劑及緩凝劑。由于高性能混凝土具有較高的強度,且一般混凝土拌合物的坍落度較大(15～20 cm左右)，在低水膠比(一般＜0.35)一般的情況下,要使混凝土具有較大的坍落度，就必須使用高效減水劑,且其減水率宜在20%以上。有時為減少混凝土坍落度的損失,在減水劑內還宜摻有緩凝的成份。

5）礦物摻合料。粉煤灰在混凝土中的主要作用包括以下幾個方面:①填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層,產生“滾珠潤滑”效應;②對水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻;③粉煤灰和聚集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反應,生成具有膠凝性質的產物,加強了薄弱的過渡區,對改善混凝土的各項性能有明顯作用;④粉煤灰延緩了水化速度,減小混凝土因水化熱引起的溫升,對防止混凝土產生溫度裂縫十分有利；⑤可減小混凝土溫度開裂的危險,同時由于加快了火山灰反應,還可提高28 d強度。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率對強度影響顯著,較好的早期強度和后期強度的水泥取代率應小于10%。硅粉的加入,對混凝土的性能的影響主要有:①改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量;②提高了混凝土的強度,增大了彈性模量和混凝土的干縮;③提高了混凝土的耐久性。另外,在配制硅粉混凝土時必須注意:①由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土時,一般要摻加減水劑。在選擇減水劑時,應使之與所用的水泥具有相容性,否則,容易影響混凝土的工作性能。同時,根據減水劑性能及需求的減水需求來選擇合適的摻量；②比表面積和活性SiO2含量是硅粉的重要指標,硅粉比表面積越大、活性SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需選擇具有良好性能的硅粉；③硅粉混凝土的干縮一般比普通混凝土大，配制高性能混凝土時應采取補償收縮的措施,如摻加粉煤灰等。

4 結論

由于高性能混凝土具有良好的工作性、力學性及耐久性，發展形勢是良好的，但是要使高性能混凝土在建筑工程中推廣使用還需一個認識和實踐的過程。隨著我國建筑領域新材料新技術的不斷發展，高性能混凝土必將成為重要建筑工程材料。

[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[2]丁大鈞.高性能混凝土及其在工程中的應用[M].北京:機械工業出版社,2007.

[3]陳肇元,等.混凝土結構耐久性設計與施工指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.