高強(qiáng)混凝土的性能特點(diǎn)分析及其改進(jìn)措施

徐永波 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001）

1 慨 述

近年來，隨著外加劑技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能化、高強(qiáng)混凝土越來越多的應(yīng)用到高層及超高層建筑、橋梁、鐵路及特殊工程中，高強(qiáng)混凝土的發(fā)展已成為混凝土研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。高強(qiáng)混凝土指強(qiáng)度等級在C60級以上的混凝土，它是由水泥、砂、石、減水劑、水及其他外加劑等拌合而成的混合物[1-2]。歐美等國家從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始推廣高強(qiáng)混凝土，我國研究起步相對較晚。在房屋建筑方面，位于北美西雅圖的58層、220m高的Two Union Square工程實(shí)際混凝土強(qiáng)度達(dá)到130MPa[3]；現(xiàn)代日本很多建筑物以鋼筋混凝土或鋼管混凝土形式使用130MPa高強(qiáng)混凝土，最高強(qiáng)度甚至達(dá)到150MPa以上[4]；位于迪拜的世界最高建筑BurjDubai將80MPa高強(qiáng)混凝土應(yīng)用到混凝土框架結(jié)構(gòu)[3]；我國沈陽的富林大廈和皇朝萬鑫大廈，采用了C100高強(qiáng)混凝土，而高101層，高度492m的上海環(huán)球金融中心采用了C60高強(qiáng)混凝土[4]。盡管高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、負(fù)荷能力大、資源和能用消耗少以及耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，但在其應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了收縮變形大、水化溫升高、脆性大、任性差等缺點(diǎn)。為了保證高強(qiáng)混凝土在建筑工程中更好地應(yīng)用，本文對高強(qiáng)混凝土的性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并針對高強(qiáng)混凝土的典型缺點(diǎn)提出了改進(jìn)措施。

2 高強(qiáng)混凝土的性能特點(diǎn)分析

2.1 高強(qiáng)混凝土的優(yōu)點(diǎn)

高強(qiáng)混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，具有如下典型的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1 高抗壓強(qiáng)度

高強(qiáng)混凝土由于摻入了高效減水劑，可使得高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度顯著提高。高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于以受壓為主的構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件的承載力將增強(qiáng)，荷載作用相同的情況下，可有效減小構(gòu)件的截面尺寸。另外，高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度并不能明顯增加構(gòu)件的抗彎能力，但能降低受彎構(gòu)件截面的受壓區(qū)撓度，提高構(gòu)件的延性，允許有較高的配筋率，進(jìn)而提高構(gòu)件的抗彎能力和降低構(gòu)件的截面尺寸，從而使得高強(qiáng)混凝土在高層建筑中使用時(shí)可增加有效空間。盡管高強(qiáng)混凝土具有高抗壓強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/11.5～1/14.1[6]，高強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不會隨著抗壓強(qiáng)度的增大而提高，這是由于混凝土的抗拉強(qiáng)度一般取決于砂漿和粗骨料過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度。

2.1.2 強(qiáng)度增長速率高

高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度增長速率快，而在后期高強(qiáng)混凝土和普通混凝土增長速率相差不多。這是由于高強(qiáng)混凝土水泥用量大，較高的水化熱使試件內(nèi)部溫度較高，加速了早期強(qiáng)度的增長。

2.1.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段及下降段斜率增大

隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段和下降段的斜率增大，曲線變得更加陡峭，更接近于線性關(guān)系，且最大應(yīng)力、應(yīng)變值隨著強(qiáng)度等級的提高略有增加。

2.1.4 高彈性模量

混凝土的彈性模量隨抗壓強(qiáng)度的增加而增大，但一般的混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式并不適用于高強(qiáng)混凝土。為此，美國的康奈爾大學(xué)教授Martinez等提出了高強(qiáng)混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系[7]。

2.1.5 強(qiáng)耐久性

由于高強(qiáng)混凝土水灰比低，非結(jié)合水減少，內(nèi)部缺陷和空隙減少；添加超細(xì)活性摻合料，在混凝土中發(fā)揮微集料效應(yīng)和微晶核效應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)更加均勻，缺陷減少，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，所以它的抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗氯離子滲透性能等耐久性能強(qiáng)。因此，露天、遭海水侵蝕或易受碰撞損害的工程建筑物，宜采用高強(qiáng)混凝土。

2.1.6 收縮徐變小

高強(qiáng)混凝土的收縮一般較低強(qiáng)混凝土小一些，但其徐變顯著低于低強(qiáng)混凝土。

2.2 高強(qiáng)混凝土的缺點(diǎn)

盡管高強(qiáng)混凝土具有上述較多的優(yōu)點(diǎn)，但在其性能上也存在許多突出的缺點(diǎn)亟待解決。

2.2.1 新拌高強(qiáng)混凝土黏度大，施工困難

目前，高強(qiáng)混凝土黏度大的認(rèn)識僅限于表象，對其黏度大的本質(zhì)尚無詳細(xì)報(bào)道。與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土中水膠比較低，單位體積內(nèi)水體積減小，固體顆粒體積增大，導(dǎo)致顆粒表面水膜厚度降低，漿體粘度增大。另外，由于水膜層厚度減小將導(dǎo)致顆粒間距減小，顆粒間摩擦增大，從而導(dǎo)致黏度進(jìn)一步增加[5]。由于混凝土在施工過程中要求一定的流動性，而高強(qiáng)混凝土的高黏度將降低其流動性，從而導(dǎo)致施工困難。

2.2.2 膠凝材料用量大，水化溫升高

《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》中明確規(guī)定C70與C80混凝土的水泥用量不宜超過500kg/m3，膠凝材料總量不超過600kg/m3，對于膠凝材料用量的限制是為了防止高強(qiáng)混凝土水化溫升過高。研究認(rèn)為，水膠比在0.236～0.4時(shí)，混凝土的最高溫升隨水膠比的降低而降低[8]。

2.2.3 自收縮開裂機(jī)率大

自收縮開裂是由于水泥石內(nèi)部的自干燥而產(chǎn)生收縮導(dǎo)致的開裂，高強(qiáng)混凝土的高凝膠材料用量以及低水膠比導(dǎo)致其收縮顯著增大[9]。這是由于低水膠比時(shí)，水泥不能完全水化，在凝結(jié)硬化過程中，未水化的水泥進(jìn)一步水化吸收水泥石中毛細(xì)管中水分，使毛細(xì)管內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，從而使水泥石產(chǎn)生自收縮，最終產(chǎn)生裂紋。

高強(qiáng)混凝土由于自干燥產(chǎn)生自收縮，使其產(chǎn)生早期裂紋，這與長期的干燥收縮是不同的。自收縮開裂將降低高強(qiáng)混凝土的耐久性，需要在高強(qiáng)混凝土的配制過程中盡可能的克服。

2.2.4 脆性大，低韌性

高強(qiáng)混凝土，由于高效減水劑和活性摻合料的使用，過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)得到改善，強(qiáng)度得到提高，破壞時(shí)粗骨料對裂縫擴(kuò)展的阻礙作用減小，會有裂縫直接把粗骨料劈裂繼續(xù)擴(kuò)展的現(xiàn)象，而且隨混凝土強(qiáng)度等級的提高，粗骨料被劈裂的現(xiàn)象增多，所以高強(qiáng)混凝土破壞時(shí)，沒有明顯的橫向膨脹，斷面較普通混凝土平整，裂縫一旦出現(xiàn)，很快就會貫穿試塊使其破壞。而普通混凝土的破壞是一個(gè)逐漸破壞的過程，能看到多條裂縫和明顯的橫向膨脹，破壞截面的粗骨料有脫落的現(xiàn)象，因此，高強(qiáng)混凝土的延性比普通混凝土差，素混凝土的延性隨強(qiáng)度的增加而降低。文獻(xiàn)[10]從微觀層次化學(xué)鍵的角度和細(xì)觀、宏觀層次的斷裂力學(xué)角度解釋了高強(qiáng)混凝土的脆性根源，認(rèn)為構(gòu)成混凝土材料的化學(xué)鍵主要為共價(jià)鍵和離子鍵，而在細(xì)觀上混凝土式非均質(zhì)多相材料，內(nèi)部本身存在大量的微裂縫、薄弱粘結(jié)層及空隙等缺陷，在荷載作用下易發(fā)生破壞。高強(qiáng)混凝土的破壞不同于普通混凝土，破壞時(shí)裂縫可能直接貫穿骨料，使得破壞從耗能最快的路徑發(fā)展，從而導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土脆性大、韌性低。

3 高強(qiáng)混凝土的改進(jìn)措施

高強(qiáng)混凝土由于具有高強(qiáng)度、強(qiáng)耐久性、負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在土木工程中得到廣泛應(yīng)用，而高強(qiáng)混凝土也具有新拌高強(qiáng)混凝土黏度大、水化溫升高、自收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)高和脆性大等顯著劣勢，為了保證高強(qiáng)混凝土的大面積應(yīng)用，本文對高強(qiáng)混凝土的典型缺點(diǎn)提出優(yōu)化措施。

3.1 高強(qiáng)混凝土的黏度調(diào)控措施

高強(qiáng)混凝土的黏度大主要是由低水膠比造成的，因此，黏度調(diào)控措施主要從減水劑和摻和料兩個(gè)方面著手。高效減水劑可顯著改變混凝土的工作性能，大量研究表明高效減水劑雖然能提高混凝土的流動度，但對調(diào)控混凝土的黏度作用并不明顯。相關(guān)試驗(yàn)認(rèn)為，采用側(cè)鏈長度大且單體比例高的聚羧酸外加劑具有更多的吸附基團(tuán)和更為伸展的側(cè)鏈，可在水泥顆粒表面形成更強(qiáng)的空間位阻能力，從而降低低水膠比漿體的黏度[11]。粉煤灰的摻入可減少用水量，其滾珠效應(yīng)也能有效降低混凝土黏度，從而改善混凝土的施工性能。因此，可通過摻入一定量和合適顆粒級配的粉體顆粒，如硅灰、粉煤灰、礦渣等，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土黏度的降低。除優(yōu)選減水劑和摻和料外，還可以通過調(diào)整混凝土的配合比改善其黏度，如選用球形度較高的骨料可減小顆粒間摩擦力，從而降低流動阻力，改善黏度。同樣，摻入少量的優(yōu)質(zhì)引氣劑，在混凝土中引入封閉微細(xì)孔，可起到滾珠的作用，降低混凝土的黏度，但含氣量的增加會明顯降低混凝土的強(qiáng)度。

由于每次設(shè)立儀器站時(shí)都沒有對儀器進(jìn)行定向，也沒有將儀器站的坐標(biāo)納入統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，因此儀器在每個(gè)儀器站上獲得的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)之間沒有關(guān)聯(lián)，必須統(tǒng)一坐標(biāo)系。本文采用文獻(xiàn)［1］的計(jì)算方法進(jìn)行統(tǒng)一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)［1］給出的計(jì)算方法：

3.2 高強(qiáng)混凝土水化放熱調(diào)控技術(shù)

針對高強(qiáng)混凝土水化溫升高的特點(diǎn)，主要對其水化放熱過程進(jìn)行調(diào)控。對水化放熱過程進(jìn)行控制，主要是控制水泥水化產(chǎn)生的溫度過高，降低水化放熱速率，延長水泥水化放熱過程。

選用礦物成分含量較低的水泥品種盡管可以降低水化放熱速率，但其對混凝土的收縮性能影響較大，水泥強(qiáng)度等級低，價(jià)格較高，高強(qiáng)混凝土中不建議采用中、低熱水泥。而摻入粉煤灰和磨細(xì)礦渣是抑制高強(qiáng)混凝土早期溫升的有效措施[12]。這是由于摻入粉煤灰和礦渣可以延遲水泥水化進(jìn)程，降低水泥水化放熱速率，石英粉、石灰石粉等活性較低的惰性摻合料具有相同的功能。

緩凝劑和緩凝型減水劑也是常有的控制水化放熱的技術(shù)措施，盡管緩凝劑或緩凝型減水劑能延緩水泥的水化過程，對降低高強(qiáng)混凝土早期水化溫升效果較好，但無法從根本上抑制混凝土的集中放熱現(xiàn)象。

3.3 高強(qiáng)混凝土自收縮開裂改善措施

引起高強(qiáng)混凝土收縮開裂的主要原因是自收縮，抑制高強(qiáng)混凝土自收縮的措施可使用高C2S和低C3A或C4AF的硅酸鹽水泥，同時(shí)盡量避免使用高細(xì)度的水泥和礦渣和選用高彈性模量的骨料配制高強(qiáng)混凝土，另外通過摻入適量的粉煤灰、纖維材料、膨脹劑或減縮劑等來改善高強(qiáng)混凝土的自收縮。在養(yǎng)護(hù)過程中，采用“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”降低高強(qiáng)混凝土的自收縮開裂。內(nèi)養(yǎng)護(hù)是指在混凝土中引入一種組分作為養(yǎng)護(hù)劑，它均勻的分散在混凝土中，起到內(nèi)部蓄水池的作用[13]。

為改善高強(qiáng)混凝土易收縮開裂的缺點(diǎn)，可以通過優(yōu)化原材料性能及配合比和摻加纖維等物質(zhì)來提高高強(qiáng)混凝土的抗裂性。

3.4 高強(qiáng)混凝土增韌降脆措施

混凝土是一種脆性材料，研究其增韌降脆措施是擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的重要前提。高強(qiáng)混凝土的性能決定于其組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為由水泥漿體、界面過渡區(qū)和集料三個(gè)重要環(huán)節(jié)組成。因此為降低混凝土的脆性，可以從宏觀、細(xì)觀的角度來增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的韌性，降低其脆性。在微觀方面，高強(qiáng)混凝土組成中加入高分子聚合物乳液（如氯丁橡膠），使水泥與聚合物成為膠結(jié)材料與骨料結(jié)合，增強(qiáng)其斷裂韌性。在細(xì)觀方面可以在高強(qiáng)混凝土中摻入分散性好的高強(qiáng)高韌纖維，如鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等形成纖維增強(qiáng)混凝土，或者選用高強(qiáng)堅(jiān)韌的粗骨料來改善高強(qiáng)混凝土的脆性[14]。在宏觀方面，則可以采用鋼筋混凝土或鋼管混凝土，利用鋼管、鋼筋和混凝土兩種材料在受力過程中相互之間的組合作用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，改善混凝土的韌性和脆性。

因此，高強(qiáng)混凝土增韌降脆的措施主要有選用高強(qiáng)堅(jiān)韌的粗骨料，摻入礦物摻合料改善界面過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)，摻入高強(qiáng)高韌纖維、形成鋼筋或鋼管混凝土等，其中纖維的摻入能夠阻止高強(qiáng)混凝土中裂縫的擴(kuò)展，并耗散高強(qiáng)混凝土的斷裂能，進(jìn)而提高高強(qiáng)混凝土的斷裂韌性，被認(rèn)為是增韌降脆的最有效方法，且已得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。

4 結(jié)論

①高強(qiáng)混凝土具有高抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度增長速率快、高彈性模量和耐久性優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)；高強(qiáng)混凝土在應(yīng)用過程中存在黏度大、水化溫升高、開裂風(fēng)險(xiǎn)高和脆性大、韌性差的缺點(diǎn)。

②通過摻入高效減水劑和適當(dāng)顆粒級配的摻和料，可降低高強(qiáng)混凝土的黏度；引入優(yōu)質(zhì)引氣劑可以提高高強(qiáng)混凝土的流動性。

③摻入粉煤灰和磨細(xì)礦渣是抑制高強(qiáng)混凝土早期溫升的有效措施，緩凝劑和緩凝型減水劑也是常有的控制水化放熱的技術(shù)措施。

④為改善高強(qiáng)混凝土易收縮開裂的缺點(diǎn)，可以通過優(yōu)化原材料性能及配合比和摻加纖維等物質(zhì)來提高高強(qiáng)混凝土的抗裂性。

⑤優(yōu)選骨料、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)、界面改性和摻入纖維均能改善高強(qiáng)混凝土脆性大、韌性差的缺點(diǎn)，其中摻入纖維材料是增韌降脆最有效的辦法。

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