高性能混凝土的原材料控制

魏大千

河南省公路工程局集團有限公司（450000）

高性能混凝土是一種高強度、長耐久性及高工作性的新型混凝土,其高性能品質(zhì)需要從源頭開始，通過對原材料的品質(zhì)進行嚴格控制,對混凝土拌合過程進行進行全過程控制及現(xiàn)場施工控制來共同實現(xiàn)的。高性能混凝土使用的原材料除了普通混凝土所需的水、水泥、粗集料、細集料（砂）之外，還必須摻入高效減水劑和一定量具有活性的超細礦物質(zhì)摻合物，這六種原材料的質(zhì)量對高性能混凝土的強度、耐久性起著至關(guān)重要的作用。高性能混凝土的各項技術(shù)指標如高流動性、高強度、體積穩(wěn)定性、勻質(zhì)性等對原材料的質(zhì)量都非常敏感，所以所用的原材料必須精心優(yōu)選，嚴格控制原材料的性能和確定經(jīng)濟合理的摻量。

1 礦物質(zhì)摻合物

我國目前常用的高性能混凝土摻合料主要有:微硅粉、粉煤灰、磨細礦渣粉和沸石粉，它們是高性能混凝土的第六組分,也是不可或缺的組分，能使配制出的混凝土具有高強度、大流動性、高耐久性等特點。其原理主要是利用摻合料的微粒效應(yīng)和火山灰活性，以增加高性能混凝土的密實性，降低水化熱，提高混凝土耐久性能。所謂的微粒效應(yīng)就是摻合物可以填充水泥顆粒之間的空隙從而提高密實度,另外水泥水化生成的氫氧化鈣對混凝土強度是有害的,此時摻入活性礦物質(zhì)摻合物，通過火山灰反應(yīng)(二氧化硅及氧化鋁能與氫氧化鈣進行二次反應(yīng))繼而生成具有凝膠性質(zhì)的穩(wěn)定水化硅酸鈣凝膠，使氫氧化鈣的含量減少,從而提高混凝土強度。

針對我國粉煤灰產(chǎn)量大(年產(chǎn)量已超過1億噸)、環(huán)境污染嚴重這一現(xiàn)狀,開發(fā)以粉煤灰為主的高性能混凝土摻合料具有重要意義，粉煤灰的顆粒大多呈球狀，與水泥水化后產(chǎn)生的氫氧化鈣可發(fā)生二次水化,因而是高性能混凝土理想的摻合材料。由于磨細粉煤灰具有填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和微粒效應(yīng)，所以在混凝土中摻入以粉煤灰為主的摻合料，不僅可以改善混凝土的性能,而且還能夠使混凝土更加綠色環(huán)保。

摻入粉煤灰的關(guān)鍵是控制其摻量及與其摻量相對應(yīng)的水膠比。目前施工單位對粉煤灰的摻量問題一直持比較保守的態(tài)度,混凝土中摻入的粉煤灰量一般都在水泥質(zhì)量的20%以下，極少能夠達到50%，擔心摻粉煤灰后混凝土的收縮和開裂，就限制其摻量。許多工程實踐表明，在粉煤灰摻量不大于20%時，不僅對混凝土的強度影響不大，對其它性能影響也很小，這樣就沒有充分發(fā)揮出粉煤灰的特點。英國學(xué)者通過大量試驗,將摻粉煤灰混凝土中水泥和粉煤灰對于不同齡期混凝土強度的貢獻分離,得到了強度—水膠比—粉煤灰摻量三者之間關(guān)系（見圖1）。圖1反映了混凝土強度隨粉煤灰摻量和水膠比變化的規(guī)律,當粉煤灰摻量和水膠比同時變化時強度可保持恒定,圖中的陰影區(qū)就是水膠比—粉煤灰的等強度面,等強度面上曲線任意一點代表著不同水膠比、不同粉煤灰摻量的一系列等強度的混凝土拌合物。因此在配制強度滿足工程要求的粉煤灰混凝土?xí)r,需在增加粉煤灰摻量的同時降低水膠比,這樣就不用擔心粉煤灰摻量增大而導(dǎo)致混凝土的強度降低。在高性能混凝土中加大粉煤灰的摻量，能夠更充分地利用粉煤灰的潛在活性，節(jié)約水泥，更充分發(fā)揮高性能混凝土的優(yōu)勢。

2 水泥

高性能混凝土采用的水泥最好是標號高且有較好的流變性能,但目前水泥生產(chǎn)廠家通常采用提高鋁酸三鈣含量和增大比表面積的措施來提高水泥標號。但由于過高的鋁酸三鈣含量將導(dǎo)致新拌混凝土流動度損失過快,另外水泥比表面積提高將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部相對濕度降低,從而產(chǎn)生更大的毛細孔壓應(yīng)力，因此導(dǎo)致更大干收縮及自縮，使混凝土的抗裂性能降低，影響混凝土的耐久性?；谝陨蟽牲c，高性能混凝土在選用水泥時不需要一味追求使用高標號水泥，只要滿足工程實際強度要求即可,盡量避免使用鋁酸三鈣含量過高的水泥，比表面積一般在300～400m2／kg?？紤]到水泥與高效減水劑的相容性,選用的水泥堿含量不大于0.60%,必要時應(yīng)根據(jù)減水劑的種類,通過試驗來確定水泥的最低含堿量。

3 集料

高性能混凝土的特點是采用低水膠比，而當水膠比較低時,粗骨料自身的強度對混凝土強度的影響比水膠比較高時要明顯得多。配制高性能混凝土的粗骨料要求選用強度高、顆粒表面粗糙、不含針狀片狀顆粒和粘土雜質(zhì)，可選擇石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖等質(zhì)地堅實且具有足夠強度的碎石。巖石的抗壓強度與高性能混凝土的抗壓強度等級之比應(yīng)大于1.5，骨料的顆粒形狀應(yīng)選擇三維長度相等或相近的球體或立方體形顆粒，減少骨料空隙的角度，提高混凝土強度。

表1 不同粒徑級配碎石混凝土抗壓

粗骨料的最大粒徑需要控制，混凝土骨料的最大粒徑過大，容易造成混凝土離析，成型后的混凝土強度均質(zhì)性差。粗骨料的最大粒徑越小，與砂漿粘結(jié)面積越大，界面受力均勻，混凝土抗壓強度越高，但骨料粒徑減小，包裹其表面所需的砂漿用量增多。對一種連續(xù)級配的碎石分別制備水膠比為0.35的混凝土試件，混凝土試件成型時，保證混凝土拌合物的坍落度為170～200mm，制作150mm×150mm×150mm的標準立方體混凝土抗壓強度試件，標準條件下養(yǎng)護7天、28天，所測得的抗壓強度值如表1。結(jié)果表明不同粒徑的級配粗骨料混凝土試件抗壓強度并不相同，粗骨料最大粒徑為19mm的混凝土試件抗壓強度較高，因此粗骨料的最大粒徑可以控制在19mm左右。

細骨料宜選擇堅固性好、含泥量小于1.0%的天然河砂，細度模數(shù)2.7～3.7、級配區(qū)間為II區(qū)的中、粗砂。應(yīng)通過試驗確定合理砂率，以保證混凝土拌合物具有良好的工作性。

4 外加劑

高性能混凝土必須摻入與所用水泥具有相容性的高效減水劑來解決低水膠比與混凝土拌合物高工作性能之間的矛盾。當水泥加水拌合后，由于水泥顆粒間分子凝聚力的作用，使水泥漿形成絮凝結(jié)構(gòu)，這種絮凝結(jié)構(gòu)中包裹了一定量的拌合水，從而降低了混凝土拌合物的工作性能。摻入高效減水劑后，絮凝結(jié)構(gòu)被解體，拌合水被充分利用，改善了拌合物的流動性能,而且減水劑的顆粒能在水泥顆粒間起到潤滑作用，也改善了拌合物的工作性能。

在選擇高效減水劑時，要注意其摻加量、摻加方式及與水泥的相容性。高效減水劑的摻量不能簡單地根據(jù)產(chǎn)品說明書的摻量確定，必須通過試驗確定合適的摻量。高效減水劑摻入混凝土拌合物的方式主要有先摻、同摻和后摻這三種。高效減水劑的摻加方式對抑制混凝土拌合物的坍落度損失具有一定的影響，一般來說，采用高效減水劑后摻方式的混凝土拌合物的1 h坍落度不小于初始坍落度，3 h的坍落度損失也較小,所以在實際應(yīng)用過程中可根據(jù)對坍落度損失的要求來選擇高效減水劑的摻入方式。

5 結(jié)論

為保證高性能混凝土能夠達到“高性能”的品質(zhì)目標，除了根據(jù)配合比生產(chǎn)外,更重要的是要通過原材料質(zhì)量控制來實現(xiàn)，通過對原材料質(zhì)量控制以提高耐久性能，改善施工操作，保證混凝土品質(zhì)。

1）合理選擇比表面積300～400 m2/kg、強度滿足工程要求的水泥品種，盡量避免使用鋁酸三鈣含量過高的水泥，通過試驗確定水泥的最低含堿量。2）選擇石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖等品質(zhì)良好、級配良好的碎石,最大粒徑控制在19.0mm左右。3）選擇級配良好、細度模數(shù) 2.7～3.7、級配區(qū)在II區(qū)的中、粗砂，通過試驗確定合理砂率。4）控制好粉煤灰摻量和與其對應(yīng)的水膠比。5）通過試驗確定高效減水劑摻量、檢驗高效減水劑與水泥的相容性。

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