論高性能砼的特性及其配合比設(shè)計原則

沈忠

【摘 要】所謂高性能砼，就是同時具有某些設(shè)計所需性能的均質(zhì)砼。它必須選用優(yōu)質(zhì)原材料，通過科學(xué)的配合比設(shè)計，采用嚴(yán)格的施工工藝，配制成便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)砼。

【關(guān)鍵詞】高性能砼；工作性；復(fù)合型外加劑

早在1990年5月，在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院與美國砼協(xié)會聯(lián)合召開的會議上，就提出、高性能砼這個名詞，認(rèn)為所謂高性能砼就是同時具有某些性能的均質(zhì)砼，它必須采用嚴(yán)格的施工工藝與優(yōu)質(zhì)原材料，通過科學(xué)的配合比設(shè)計，采用嚴(yán)格的施工工藝，配制成便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強度高并具有韌性和體積穩(wěn)定等能的砼。它特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建（構(gòu)）筑物。

1 高性能砼的特性

高性能砼是具有較全面優(yōu)良性能的新型砼，通過對原材料的優(yōu)化創(chuàng)新、配合比設(shè)計理念的更新來全面提高砼的性能，以滿足近代砼結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)和施工的需要，正如建設(shè)部在推廣應(yīng)用技術(shù)公告中所說：使用高效減水劑和超細(xì)活性摻合料，嚴(yán)格控制水膠比和水泥用量，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備配制的砼拌合物；按工程需要，配制具有特殊性能的砼，即砼的密實性、抗?jié)B性好，體積穩(wěn)定性好，易于澆筑、不離析，在惡劣環(huán)境下使用壽命長等特點，具體有下列多項特性：

1.1 耐久性

是以耐久性為主要設(shè)計指標(biāo)，經(jīng)周密考慮耐久性所要求的具體內(nèi)容，如提高密實度、抗?jié)B性、抗凍、抗不良介質(zhì)侵蝕等，通過采取有效措施確保砼能適應(yīng)所處的環(huán)境條件，使結(jié)構(gòu)安全并延長使用壽命。

1.2 體積穩(wěn)定性

這是砼具有高耐久性的前提；應(yīng)設(shè)法提高砼抗變形能力和預(yù)防裂縫發(fā)生，通過有效措施使砼具有盡量小的收縮、徐變和水化熱、溫升等。

1.3 強度

能滿足設(shè)計要求的強度，并能達(dá)到早期、中期強度的增進率要求，以及后期強度的持久穩(wěn)定等。此外，對高性能砼往往要求高強度等級或者韌性、耐磨性等，也均應(yīng)予以保證。

1.4 工作性

砼拌合物必須具有良好的工作性，這是提高勻質(zhì)性、密實性和可操作性，以獲得高性能的根本保證，也是滿足工業(yè)化生產(chǎn)，提高效率，確保施工質(zhì)量的有效途徑。

2 高性能砼原材料選擇要點

由于高性能砼是在對普通砼改性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此它目前所用的原材料，除對原來使用的水泥、骨料和水嚴(yán)格要求外，主要是把加入高效減水劑與礦物摻合料作為特征組分，以利于充分發(fā)揮其復(fù)合效能。

2.1 水泥

應(yīng)用優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥；處于嚴(yán)酷環(huán)境下的水泥，則應(yīng)選用硅酸鹽水泥和高摻加量的礦物摻合料，或針對具體侵蝕介質(zhì)的不同類別，選用適宜的特性水泥或?qū)Ｓ盟啵凰嗟膹姸鹊燃壱瞬坏陀?2.5級，各項技術(shù)性能應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時，還應(yīng)重點考慮所含下列成分的含量，以防止它們對砼耐久性的不利影響：應(yīng)選用鋁酸三鈣含量低的水泥，一般不應(yīng)超過8%；當(dāng)砼處于硫酸鹽、氯鹽和酸類侵蝕的環(huán)境時，其含量應(yīng)更低；水泥中的游離氧化鈣應(yīng)不超過1.5%；水泥的含堿量不宜超過0.6%；水泥中的氯離子含量，對于鋼筋砼不宜大于0.2%，對于預(yù)應(yīng)力砼不宜超過0.1%；當(dāng)砼處于有氯鹽侵蝕的環(huán)境時，其氯離子含量的限制應(yīng)更嚴(yán)格；應(yīng)選用以硬石膏或工業(yè)副產(chǎn)品石膏作調(diào)凝劑的水泥。

2.2 骨料

應(yīng)選用質(zhì)地堅硬、致密、低吸水率和低滲透性的骨料，其粒型理想、級配符合要求。粗骨料的最大粒徑通常不超過25mm，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)應(yīng)為2.3～2.7；粗細(xì)骨料的各項指標(biāo)為：粗骨料的壓碎指標(biāo)不大于7%，吸水率不大于2%，當(dāng)用于高抗凍砼時不大于1%；應(yīng)檢驗骨料的堅固性，經(jīng)硫酸鈉溶液試驗，5次循環(huán)后的質(zhì)量損失，粗骨不應(yīng)大于8%，細(xì)骨料不應(yīng)大于5%；骨料中的含泥量，粗骨料應(yīng)小于0.7%，細(xì)骨料應(yīng)小于1%；骨料中的氯離子含量應(yīng)不0.02%；應(yīng)通過檢測驗明骨料無潛在活性。

2.3 拌合水

所用拌合水必須符合《砼拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定；不得使用海水，且當(dāng)砼處于氯鹽侵蝕的環(huán)境時，拌合水中氯離子含量不宜大于200mg/L。

2.4 化學(xué)外加劑

一般采用高效減水劑，必要時應(yīng)采用復(fù)合型外加劑。抗凍、抗?jié)B、抗硫酸鹽侵蝕要求較高的砼，應(yīng)選用引氣減水劑；體積穩(wěn)定性要求較高的砼應(yīng)選用緩凝型高效減水劑。所用外加劑的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，選用與施工應(yīng)遵守最新發(fā)布的《砼外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》。具體還應(yīng)特別注意：所用外加劑與所用水泥及礦物摻合料必須適應(yīng)，若為復(fù)合使用幾種外加劑，應(yīng)彼此相容，這些均應(yīng)通過試驗判定；嚴(yán)禁使用對人體產(chǎn)生危害、對環(huán)境產(chǎn)生污染的外加劑；高性能砼需要減水率高、流動性保持力好的外加劑；處于與水接觸或潮濕環(huán)境中的砼，當(dāng)使用堿活性骨料時，由外加劑帶入的堿含量，以當(dāng)量氧化鈉計，不宜超過1kg/m3砼；所用外加劑中的氯離子含量不得大于膠凝材料總重的0.02%，硫酸鈉含量不得大于減水劑干重的15%。

2.5 礦物摻合料

最新發(fā)布的《高強高性能砼用礦物外加劑》標(biāo)準(zhǔn)中，對磨細(xì)礦渣、磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)天然沸石和硅灰四類礦物外加劑作出全面規(guī)定，現(xiàn)分述如下：磨細(xì)的粉煤灰，是干燥的粉煤灰經(jīng)粉磨達(dá)規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品，其主要礦物成分是硅鋁玻璃體，為其主要活性成分；因粉煤灰需水量小，取代水泥后可減少砼的用水量，減低泌水和離析，顯著改善和易性；粉煤灰的摻入，可調(diào)整水泥顆粒的級配、填充砼孔隙，起到增強，提高砼抗?jié)B性、抗化學(xué)侵蝕性等作用；磨細(xì)礦渣，是粒化高爐礦渣經(jīng)干燥、粉磨等工藝達(dá)到規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品，具有較高的潛在活性，很早就成為硅酸鹽水泥的理想混合材料，它對氯離子有吸附與結(jié)合作用，它尤其適用于硫酸鹽侵蝕、特別是高溫下硫酸鹽侵蝕環(huán)境和海水環(huán)境下的砼，以高摻加量使用；磨細(xì)天然沸石，它的主要品種是斜發(fā)沸石巖和絲光沸石巖，為含有多孔結(jié)構(gòu)的微晶礦物，其主要成分是含水硅鋁酸鹽；拌和時必須與高效減水劑復(fù)合使用；硅灰，它是在冶煉硅鐵合金時通過煙道排出的硅蒸汽氧化后，經(jīng)吸塵器收集得到的，以無定形二氧化硅為主，由于它的非晶質(zhì)SiO2的含量很高，且顆粒極細(xì)，是效能最高的礦物摻合料；硅灰對砼的增強效果，在早期、中期和后期都高，對提高耐久性顯著，尤其是有很高的抗凍性和耐磨性，但它需水量大，必須與高效減水劑配合使用。

3 高性能砼配合比設(shè)計原則

高性能砼的配合比設(shè)計是以耐久性為核心，全盤考慮和協(xié)調(diào)其所要求的各項性能，以便高水準(zhǔn)地滿足建設(shè)工程需用。由于可變因素很多，確定高性能砼配合比要比普通砼復(fù)雜得多，目前尚無成熟的高性能砼配合比設(shè)計方法可循，但必須嚴(yán)守下列被公認(rèn)的基本原則。

3.1 充分發(fā)揮化學(xué)外加劑和礦物摻合料的雙重效能

拌制砼時，同時摻加外加劑和摻合料，利用二者的最佳組合效能，以減小水膠比、水泥用量和用水量，是實現(xiàn)高耐久性的根本措施；為更好地發(fā)揮這種雙重效能，還應(yīng)注意以下兩點：（1）按砼對耐久性要求的具體內(nèi)容，選擇適宜品種的外加劑和摻合料，并確保二者的匹配性；（2）外加劑與礦物摻合料均應(yīng)通過試配對比確定其最佳摻量。

3.2 采用盡可能低的水膠比

應(yīng)最大限度地減小水膠比，以利于改善砼的孔結(jié)構(gòu)、增加密實性、提高耐久性和強度。此外，還應(yīng)注意：（1）要選用高效復(fù)合型外加劑；（2）選用需水量小、取代率大的礦物摻合料。

3.3 盡量降低水泥用量和用水量，以消除水泥用量偏高和膠凝材料漿體體積過大所帶來的諸多不利影響，這是確保高性能砼的強度和耐久性的有力措施。為此，應(yīng)做到以下幾點：（1）以滿足工作性為前提，盡可能減少用水量；（2）以保證強度和工作性為度，盡可能減少水泥用量和膠凝材料漿體體積；（3）重視骨料的粒型和級配，采用最佳砂率，增多粗骨料用量，使總體骨架更堅固、密實。

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