高強(qiáng)及高性能混凝土的特征和研究現(xiàn)狀

蔣銀嵐 胡智偉

高強(qiáng)混凝土(High-Strength Concrete,簡(jiǎn)稱(chēng)HSC)是僅以強(qiáng)度的大小來(lái)表征或確定。我國(guó)定義強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到或超過(guò)C50時(shí)為高強(qiáng)混凝土。

高性能混凝土(High Performance Concrete,簡(jiǎn)稱(chēng)HPC)是一種體積穩(wěn)定性好,具有高耐久性,高強(qiáng)度與高工作性能的混凝土。

1 力學(xué)性能

1.1 高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能

1)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。有實(shí)驗(yàn)表明:高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,一般3 d達(dá)到28 d強(qiáng)度的 60%以上,7 d達(dá)到85%左右。由圖1可見(jiàn),高強(qiáng)混凝土比普通混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)更快,一方面是由于摻加高效減水劑所具有的分散作用有利于水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行;另一方面是由于高效減水劑一般均具有早強(qiáng)的性能?？估瓘?qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)而提高,但是提高幅度比抗壓強(qiáng)度小。

2)彈性模量。高強(qiáng)混凝土的彈性模量較高,按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)論知,高強(qiáng)混凝土的彈性模量隨著強(qiáng)度的提高而有所增長(zhǎng),但是增長(zhǎng)幅度小于強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度?，F(xiàn)階段我國(guó)對(duì)C50～C80的高強(qiáng)混凝土取彈性模量值在3.45×e4MPa～3.9×e4MPa之間,較國(guó)外高。

1.2 高性能混凝土的力學(xué)性能

1)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。試件在最大濕度中養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后取出晾干比試件在最大濕度中連續(xù)養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度大。即隨著混凝土試件中含水量均勻的增加,試件的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低,反之,試件的抗壓強(qiáng)度會(huì)增加。而且抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間顯著增長(zhǎng),見(jiàn)圖2。并且,抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨著抗壓強(qiáng)度的提高而提高。

2)彈性模量?；炷恋膹椥阅Ａ颗c水泥膠體的性能,骨料的剛度,以及確定模量的方法等有著密切的關(guān)系。高性能混凝土基于附加粘結(jié)性材料的水泥,低水灰比和精選的骨料等,這些特性對(duì)彈性模量的影響是相當(dāng)大的。

2 高強(qiáng)、高性能混凝土的抗?jié)B性能

2.1 高強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性能

高強(qiáng)混凝土的滲透系數(shù)極低,因此有著很好的抗?jié)B性。采用雙摻硅灰和高效減水劑的方法,可以配制出強(qiáng)度較高、抗?jié)B透性能極為優(yōu)異的混凝土。

2.2 高性能混凝土的抗?jié)B性能

實(shí)驗(yàn)中制作了三組試件。試驗(yàn)從水壓為0.1 MPa開(kāi)始,以后每隔8 h增加水壓0.1 MPa,直至4.3 MPa,恒壓8 h,無(wú)一試件透水,停止試驗(yàn)后劈開(kāi)試件測(cè)定平均透水高度?；鶞?zhǔn)混凝土透水高度為40.0 mm,而摻有硅灰或硅灰和磨細(xì)礦渣復(fù)合摻加的混凝土的透水高度僅為14.0 mm和12.5 mm,僅為基準(zhǔn)混凝土的35%和31.0%,這表明摻入硅灰或硅灰和磨細(xì)礦渣復(fù)合摻加的高性能混凝土具有很好的抗?jié)B性。

3 混凝土的裂縫

3.1 混凝土裂縫產(chǎn)生原因

1)混凝土的自身收縮和干燥收縮?；炷磷陨硎湛s從混凝土的凝結(jié)開(kāi)始,主要是混凝土凝結(jié)后的前幾天。自身收縮是由于水泥水化造成的,水泥越細(xì)、水泥用量越大、環(huán)境條件越干燥,混凝土的自身收縮越大。混凝土的干燥收縮是混凝土凝結(jié)后在干燥的空氣中,因混凝土由表及里持續(xù)失水而引起的,由于混凝土表面收縮大,內(nèi)部收縮小,致使混凝土表面受拉,內(nèi)部受壓,當(dāng)混凝土表面拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土將產(chǎn)生裂縫。

2)混凝土的塑性收縮?；炷恋乃苄允湛s是混凝土澆灌后至凝結(jié)前產(chǎn)生的收縮。其主要原因也是混凝土表面水分的蒸發(fā)。骨料粒徑越大,混凝土的塑性收縮將越大。

3)混凝土的溫度收縮。由于高強(qiáng)、高性能混凝土水泥用量大,水化熱高,混凝土內(nèi)部溫度將升高,由于構(gòu)件非絕熱狀態(tài),混凝土的溫度將降低,混凝土溫度收縮,當(dāng)收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土將開(kāi)裂。

3.2 預(yù)防高強(qiáng)、高性能混凝土開(kāi)裂的措施

1)嚴(yán)格選擇原材料。2)通過(guò)反復(fù)試驗(yàn),優(yōu)化配合比。3)摻加一定量的粉煤灰、混凝土膨脹劑,以補(bǔ)償收縮。4)夏季對(duì)骨料、水等進(jìn)行降溫措施,降低混凝土入模溫度。5)對(duì)骨料在攪拌前澆水,使骨料飽水,有利于降低混凝土的自身收縮。6)混凝土澆筑后及時(shí)覆蓋養(yǎng)護(hù),盡量早拆模板,澆水養(yǎng)護(hù),水溫與混凝土表面溫差不應(yīng)大于15℃,混凝土表面始終濕潤(rùn),降低塑性收縮和干燥收縮。7)加強(qiáng)混凝土的測(cè)溫,及時(shí)采取保護(hù)措施,以利于混凝土的均勻降溫。8)對(duì)混凝土板及時(shí)澆水并用薄膜覆蓋。9)盡量避免直接使用鋼模板。

4 混凝土的施工工藝

4.1 高強(qiáng)混凝土的施工工藝

1)快速施工。由于高強(qiáng)混凝土坍落度損失快,必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)施工完畢,保證1 h內(nèi)完成。2)密實(shí)性對(duì)混凝土的強(qiáng)度至關(guān)重要。在施工過(guò)程中為保證混凝土的密實(shí)性,要采用高頻振搗器,根據(jù)結(jié)構(gòu)截面尺寸分層澆筑,分層振搗。3)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土交匯處的施工宜先澆筑高強(qiáng)混凝土,然后再澆筑低等級(jí)混凝土,也可以同時(shí)澆筑。

4.2 高性能混凝土的施工工藝

1)高性能混凝土中由于摻加了粉煤灰和硅粉,和易性較好,不易產(chǎn)生離析的現(xiàn)象,同時(shí)由于混凝土中的各種成分之間粘結(jié)能力比普通混凝土增強(qiáng),以及由于摻加了多種外摻料,在不同溫度下混凝土的坍落度損失亦不同。因此混凝土澆筑時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工溫度選擇適宜的混凝土坍落度,提供給拌合站進(jìn)行調(diào)整。2)混凝土澆筑過(guò)程中,要按普通混凝土施工要求進(jìn)行。因?yàn)楦咝阅芑炷翐郊恿朔勖夯?、硅?泌水率減小,不易出漿,故應(yīng)加強(qiáng)表面混凝土的振搗工作。3)混凝土澆筑完畢后要立即進(jìn)行收面。4)強(qiáng)度等級(jí)不相同的混凝土交匯處,應(yīng)先澆筑等級(jí)高的混凝土,嚴(yán)禁低等級(jí)的混凝土流入高等級(jí)的混凝土中。

5 混凝土的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

5.1 混凝土的應(yīng)用

高強(qiáng)混凝土是高層建筑底部柱子和剪力墻的理想材料,利用高強(qiáng)、高性能混凝土的高強(qiáng)、早強(qiáng)和高變形模量的特點(diǎn),來(lái)減小高層建筑底層剪力墻、柱子的截面尺寸,增加建筑使用面積,擴(kuò)大建筑物的柱網(wǎng)間距,改善建筑使用功能。

現(xiàn)代高強(qiáng)、高性能混凝土的應(yīng)用已遍及橋梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各個(gè)土建工程領(lǐng)域。

5.2 混凝土的研究現(xiàn)狀

5.2.1 高強(qiáng)混凝土的研究現(xiàn)狀

高強(qiáng)混凝土最核心的技術(shù)是高強(qiáng)混凝土配制,因而也是高強(qiáng)混凝土技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志技術(shù)。國(guó)際上配制高強(qiáng)混凝土所采用的方法多種多樣。

目前國(guó)際上配制高強(qiáng)混凝土所能達(dá)到最高技術(shù)水平:意大利學(xué)者采用“高硅水泥+玄武巖集料+富配比+低水灰比+最佳骨料級(jí)配+蒸壓養(yǎng)護(hù)”的技術(shù)路線(xiàn)得到了抗壓強(qiáng)度高達(dá)300 M Pa的超高強(qiáng)混凝土。挪威的OddE.Gjorv用高質(zhì)量的陶瓷集料代替礦物集料,將混凝土的抗壓強(qiáng)度由230 MPa提高到460 MPa。與國(guó)際技術(shù)水平相比,我國(guó)配制高強(qiáng)混凝土的技術(shù)落后于世界先進(jìn)水平,尤其是高效減水劑技術(shù)至今未有重大突破。

5.2.2 高性能混凝土的研究現(xiàn)狀

1)高性能混凝土的主要發(fā)展動(dòng)向:超高強(qiáng)混凝土;綠色高性能混凝土;機(jī)敏型高性能混凝土;普通混凝土的高性能化。2)高性能混凝土的主要研究對(duì)象:高性能混凝土主要是由摻合料、減水劑和耐久性三方面的研究組成。

在混凝土中使用超細(xì)礦物摻合料必須加入減水劑。目前國(guó)內(nèi)外常用的萘系、蜜胺系、木質(zhì)素類(lèi)減水劑都不同程度地存在較嚴(yán)重的坍落度損失問(wèn)題。目前我國(guó)用于配制高性能混凝土的減水劑多為萘系高效減水劑與緩凝劑、引氣劑復(fù)合的高性能減水劑,減水率偏低、混凝土流動(dòng)性損失過(guò)快等現(xiàn)象較嚴(yán)重。

6 結(jié)語(yǔ)

以上簡(jiǎn)要介紹了高強(qiáng)混凝土與高性能混凝土在力學(xué)性能、抗?jié)B性能、裂縫以及施工工藝等方面的特點(diǎn),體現(xiàn)出了這兩種混凝土之間的異同和各自的優(yōu)缺點(diǎn);同時(shí),對(duì)這兩種混凝土目前的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀作了介紹。因此,可以預(yù)見(jiàn):由于這兩種混凝土在性能上的無(wú)比優(yōu)異性,滿(mǎn)足了現(xiàn)代建筑的需求,必定會(huì)得到更大范圍的推廣和應(yīng)用,真正成為21世紀(jì)的混凝土。

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