土木建筑材料中的高性能混凝土材料性能分析

武東福

(陽泉市益匯混凝土有限公司，山西 陽泉 045000)

高性能混凝土作為應用較為廣泛的材料，其內部的亞微觀結構更為合理，致密性良好，采用此類材料建設成型的建筑結構更具穩定性。為充分發揮出高性能混凝土的性能優勢，有必要通過試驗檢測的方式檢驗材料性能，結合工程要求妥善應用，下文則圍繞高性能混凝土材料性能展開分析[1]。

1 配合比設計原則

1.1 含砂率的設計

高性能混凝土的施工以泵送的方法為主，因此需根據可泵性的要求設計含砂率；在保證混合料質量、施工可正常進行的前提下，適度降低混凝土的含砂率，具體根據試驗結果而定。

1.2 水灰比的設計

水灰比是影響高性能混凝土強度的關鍵因素，不宜采用普通混凝土的水灰比設計方式，而是需要統籌兼顧原材料類型、強度等級等因素，結合試驗結果予以確定。

1.3 高效減水劑用量設計

根據強度、耐久性、粘聚性等方面的要求選擇高效減水劑，在此基礎上嚴格控制減水劑的用量，遵循適中的原則，用量不宜過多或過少，具體以試驗的方式確定。

2 土木建筑中高性能混凝土的基本性能

2.1 力學性能

高性能混凝土的粘結強度和抗壓強度較高，彈性模量良好，綜合力學性能優越，因此成為土木建筑工程領域的重要材料[2-3]。土木建筑中常用材料的力學性能，如表1所示。

表1 土木建筑中常用材料的力學性能

根據表1可知高性能混凝土的多項性能均優于其它土木建筑材料，例如韌性良好，基于此特性，其抗震能力較強；水密性能良好，即便高性能混凝土被應用于復雜環境中也依然可維持性能的穩定性，性能異常退化、滲漏的發生率較低，即便存在異常狀況，程度也較為輕微[5]。

2.2 耐久性能

耐久性是評價混凝土綜合性能時不可或缺的部分，對于高性能混凝土，其具有耐久性優勢，建設成型的結構經長期使用后仍維持正常狀態，進而保障建筑的安全性。評價耐久性的指標包含總孔隙率、磨耗系數、碳化深度等，以C60混凝土和高性能混凝土為例，對比分析各自的耐久性指標，具體內容如表2所示。

表2 C60混凝土與高性能混凝土的耐久性指標對比

根據表2可知高性能混凝土的微觀結構得到改善，各項耐久性指標均良好，究其原因，與高性能混凝土設計方式的合理性有密切關聯，例如較低的水灰比、經過深入優化后的顆粒級配，在此類條件下拌和的高性能混凝土具有密實性，腐蝕因素或其它外部環境因素對高性能混凝土的影響較為有限。

2.3 防火及抗沖擊性能

高性能混凝土中硅粉、氫氧化鈣的含量均較高，具有防火及抗沖擊性能，可將高性能混凝土暴露于火中。但隨著火勢的持續發展，高性能混凝土結構開始退化，出現嚴重的異常狀況，為規避此問題，可向高性能混凝土中摻入適量纖維原材料，以提升抗沖擊性能，保證高性能混凝土長期暴露于火中仍具有穩定性[6]。

3 土木建筑中高性能混凝土的配合比優化

3.1 表觀密度與石英砂級配

按如下公式計算，確定表觀密度。

式中：ρ為表觀密度，kg/m3；M0為試樣的烘干質量，g；V1為水的原有體積，mL；V2為倒入試樣后的水和試樣的體積；?t為水溫對砂的表觀密度影響的修正系數。

為提升石英砂級配的合理性，組織實驗：按不同比例混合2種石英砂，總重量為2kg；向1L的正方體容器中倒入混合后的石英砂，材料的倒入分階段進行，首先向容器中倒入1/2并振動30s，使石英砂在容器緊密分布，隨后將剩余部分倒入并振動30s；待石英砂均倒入完成后，刮平表面，稱重。以前述提及的方法進行3次比例混合，確定石英砂的級配，即(16～26目)∶(26～40目)∶(40～70目)∶(70～120目)=0.55∶0.15∶0.22∶0.08。

3.2 鋼纖維摻量

為探討高性能混凝土在不同鋼纖維摻量下的性能表現,按0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%控制鋼纖維摻量，分別從擴展度、抗壓強度和抗折強度三方面進行分析，具體內容如表3所示。

表3 不同鋼纖維摻量對高性能混凝土性能的影響

根據表3可知高性能混凝土的拓展度、抗壓強度、抗折強度隨著鋼纖維摻量的改變而發生變化，隨著鋼纖維摻量的增加，基體間的相互作用增強，性能提升。

3.3 水膠比

水膠比對高性能混凝土的強度產生影響，具體可通過摻入高效減水劑的方式予以調節，在高性能混凝土滿足工作要求的前提下，若水膠比低且振搗密實，混凝土的強度將有所提高。

探討高性能混凝土擴展度受水膠比的影響：試驗結果顯示，水膠比由0.14增加至0.19時，擴展度由487.5mm增至760.5mm，提升約56%；在高性能混凝土的拌和中，由于水膠比的提高，拌和用水量增加，顆粒間充斥豐富的水分子，大量水的存在提升顆粒的流動性；若水膠比超過0.19，混合料具有過強的流動性，性能減弱。

探討7d抗壓強度、抗折強度受水膠比的影響：試驗結果顯示，水膠比由0.14增加至0.19時，7d抗壓強度、抗折強度均呈降低的變化趨勢，前者由128.43MPa降至113.66MPa，后者由26.65MPa降至17.14MPa，降幅分別為11.5%、35.68%。在水膠比較高的條件下，活性粉末水化結束后孔隙中仍有較多的水分，后續此部分水開始蒸發，基體中預留豐富的空隙，混合料對外力的承受能力減弱，對應實測強度則具有降低的變化。

3.4 砂膠比

考慮1.0、1.1、1.2、1.4、1.6的砂膠比，從擴展度、7d的抗壓強度及抗折強度三方面分析砂膠比對高性能混凝土材料性能的影響，性能檢測結果如表4所示。

表4 不同砂膠比對高性能混凝土材料性能的影響

高性能混凝土的流動性由于砂膠比的增加而降低，砂膠比由1.0增至1.6時，擴展度由750降至230，且每立方米混合料中水的摻量隨著砂膠比的增加而減小，而石英石顆粒呈多面體形狀，也會對高性能混凝土的流動性產生影響，從試驗結果來看，流動性受阻現象將隨著石英砂含量的增加而變得愈發明顯。高性能混凝土的流動性在砂膠比為1.6時基本喪失，由于混合料無法正常流動，澆筑難度增加，澆筑效果變差。高性能混凝土的7d抗壓強度、抗折強度隨著砂漿比的增加而呈現出先增、后降的階段性變化，力學性能在砂膠比為1.2時最佳，對應7d抗壓強度、抗折強度分別為128.76MPa、28.69MPa。為確定合適的砂膠比和水膠比組合方式，實驗時砂膠比取1.1、1.2，同時考慮各自與不同水膠比的組合方式，在此前提下進行實驗，具體內容如表5所示。

表5 不同砂膠比對擴展度、抗壓抗折強度的影響

經過對擴展度、抗壓強度、抗折強度的綜合分析后，確定最為合適的砂膠比和水膠比組合方式，即按照1.1的砂膠比和0.17的水膠比拌和時，高性能混凝土的擴展度良好，且具有較高的抗壓強度和抗折強度，因此將其作為配合比基準較為合適。

4 不同養護方式對高性能混凝土材料性能的影響

實驗中，基準配合比為砂膠比1.1、水膠比0.17，測試活動在高性能混凝土齡期達到3d、7d、28d、180d時分別進行。養護方式，如下：1)干燥常溫養護：高性能混凝土澆筑入模后，露天置于空氣中24h；達到時間后拆除，繼續露天養護，在指定齡期進行測試；2)標準養護：用塑料薄膜覆蓋試件24h，隨后置入標準養護箱進行養護，在指定齡期進行測試；3)熱水養護：用塑料薄膜覆蓋試件24h，隨后拆模，轉入90℃的恒溫水浴箱內，在指定齡期進行測試；4)蒸汽養護：用塑料薄膜覆蓋試件24h，隨后拆模，轉入蒸汽養護箱內，在指定齡期進行測試。

4.1 力學性能分析

在養護齡期相同時，蒸汽養護試件的強度最高，具體關系為：蒸汽養護>熱水養護>標準養護>干燥常溫養護。相比于標準養護的抗壓強度，蒸汽養護、熱水養護、標準養護在齡期為3d時的抗壓強度分別提高99.77%、72.93%、-15.09%,150d時分別提高12.00%、9.22%、-11.83%,相比于標準養護的抗折強度,3d時分別提高99.74%、74.64%,-15.09%,150d時分別提高16.31%、14.89%、-10.88%。

對比分析不同養護方式下的3d齡期抗壓抗折強度發展速度，具有蒸汽養護和熱水養護增速快、干燥常溫養護和標準養護增速慢的特點，原因在于活性粉末材料在高溫環境中快速反應，同時高溫推動火山灰效應的快速進行，高性能混凝土的微觀結構發生改變，空隙被大量的膠凝材料填充，骨料間的粘結力增強。齡期為8～28d時，高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度雖然有所增長但速度放緩，齡期為28～150d時進一步放緩，此變化規律的出現與水泥材料的特性有關，本次實驗采用的是普通硅酸鹽525水泥，其具有偏早強的活性，因此在養護前期已經完成絕大部分反應，后期的反應減弱。

4.2 收縮性能分析

4.2.1 實驗方法

試件采用棱柱體試件,尺寸為100×100×515mm,檢測儀器為混凝土臥式收縮儀。實驗方法為：高性能混凝土試件成型1d后脫模，擦拭表面以清理雜物；反復進行3次試件長度的測量，求取平均值；將試件置于干燥養護室內，于溫度20℃±2℃、相對濕度60%±5%的環境中進行養護，養護期間每日讀取千分表示數，采集數據并進行完整的記錄，根據實驗數據進行高性能混凝土在不同養護方式下的收縮性能分析。

實驗采取的養護方式，如下：1)干燥養護(GZ)：試件1d齡期后拆模，干燥養護，檢測收縮值；2)標準養護(BZ)：用塑料膜包裹試件，試件1d齡期后拆模，標準養護，檢測收縮值；3)蒸汽養護(ZQ)：用塑料膜包裹試件，1d齡期后拆模，蒸汽養護3d并檢測收縮值；隨后，轉至干燥養護室，在此期間必須謹慎操作，避免試件碰觸千分表；4)熱水養護(RS)：用塑料膜包裹試件，1d齡期后拆模，熱水養護3d并檢測收縮值；隨后，謹慎轉移至干燥養護室內。

4.2.2 實驗數據分析

四種養護方式下試件的收縮率，如圖1所示。

圖1 不同養護方式的試件收縮率

根據圖1可知，標準養護和干燥養護時高性能混凝土試件的收縮速率緩慢下降，在試件養護齡期為3～28d時，總收縮率359×10-6；隨試件養護齡期的延長，28～180d總收縮率為122×10-6。實驗結果顯示，在標準養護和干燥養護兩種方式中，試件收縮主要集中在養護的前28d，養護后期雖然收縮但速率放緩，但需注意的是，后期的總收縮率也達到122×10-6，后期收縮現象仍不容忽視。究其原因，早期水化速度較快，基體中的水分在此過程中快速消耗，產生膠凝材料，混凝土表現出化學收縮現象；而隨著基體中水含量的減少，產生的膠凝材料形成包裹作用，產生類似于真空的負壓環境，受此影響，混凝土出現自收縮現象，而水化反應在后期較為緩慢，因此雖然收縮但幅度較小。對比分析不同養護方式的收縮率，具有干燥養護略高于標準養護的關系，關鍵原因在于養護環境的不同，即干燥養護試件被置于室外，標準養護時試件處于95%濕度環境中，從而出現收縮率的差異。在養護前3d，熱水養護和蒸汽養護的試件收縮率分別為599×10-6和648×10-6，對比分析兩種養護方式下的高性能混凝土收縮率可知，彼此存在較大的差異，在此基礎上對試件做干燥養護后，第180d齡期的收縮率分別達到705×10-6和732×10-6，各自養護前3d的收縮率分別占總收縮率的84.96%、88.52%，表明高溫養護條件下高性能混凝土的水化反應較早地出現，同時此反應將帶來活性粉末材料的二次水化，也正是基于此特性，高溫養護前3d時高性能混凝土存在劇烈的自收縮和化學收縮。以3～180d的養護齡期為例，熱水養護、蒸汽養護在此階段的收縮率分別達到106×10-6和84×10-6，經過與總收縮率的對比分析可知此階段的收縮率占比較小，試件后期收縮主要表現為干燥收縮，從這一規律來看，高性能混凝土在高溫養護條件下的收縮集中發生在高溫養護期間，較為有效地避免后期收縮現象。

5 結語

高性能混凝土在建筑工程中取得廣泛應用，但原材料選擇、材料用量控制、養護方式等均會對高性能混凝土的應用效果產生影響。例如，隨著配合比的變化，高性能混凝土的性能表現存在差異；而在改變養護方式后，混凝土的力學性能、收縮性能也不盡相同。根據實驗結果進行對比分析可知，蒸汽養護是高性能混凝土養護環節最為合適的方法，其對高性能混凝土早期強度的提高有促進作用，并控制高性能混凝土的收縮，以便混合料的有效成型，保證施工質量。