高性能混凝土的設(shè)計與生產(chǎn)實踐

何　毅

(晉中科睿工程檢測有限公司，山西 晉中　030600)

0　引言

高性能混凝土設(shè)計及生產(chǎn)理念是基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概念基礎(chǔ)上提出的，同傳統(tǒng)的混凝土相比，高性能混凝土在抗拉、抗壓強度、抗?jié)B性、抗裂性及耐久性方面有顯著優(yōu)勢；除了性能方面有提升外，高性能混凝土在澆筑過程中的和易性、流動性更好，澆筑振搗過程中，穩(wěn)定性好、骨料不容易離析。高性能混凝土目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)實踐中，尤其是大跨徑、大體積結(jié)構(gòu)，使用更加普遍。本文以省內(nèi)某大體積混凝土澆筑項目為研究案例，就高性能混凝土配合比設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用實踐進行了簡要分析，以期對后續(xù)的高性能混凝土配合比設(shè)計及生產(chǎn)使用實踐提供參考和借鑒。

1　高性能混凝土配合比設(shè)計原則及適應(yīng)性分析

1.1　高性能混凝土配合比設(shè)計原則

對于高性能混凝土而言，為了充分發(fā)揮高性能混凝土的各項性能，必須嚴(yán)格控制配合比設(shè)計精度，且在具體配合比設(shè)計過程中，必須注意好以下幾點：

第一，在配合比設(shè)計過程中，應(yīng)以提高混凝土強度為基本準(zhǔn)則，考慮到混凝土強度形成除了受配合比設(shè)計影響外，混凝土拌和、混凝土澆筑及混凝土運輸過程中均會對混凝土強度產(chǎn)生影響，為了保證澆筑后強度達到設(shè)計指標(biāo)，應(yīng)預(yù)留一定比例的裕度系數(shù)。

第二，水灰比是衡量混凝土強度及各項性能的重要指標(biāo)之一，在具體設(shè)計過程中，必須遵循降低水灰比的基本原則，水膠比應(yīng)保證在最佳范圍內(nèi)，在確保強度的前提下，最大程度兼顧混凝土的和易性和流動性，保證能夠滿足大體積結(jié)構(gòu)澆筑過程中的連續(xù)泵送需要。

第三，選定合理的砂率指標(biāo)，工程實踐表明，混凝土砂率能夠顯著影響混凝土的和易性和流動性，在配合比設(shè)計過程中，必須做到粗骨料和細(xì)骨料聯(lián)合設(shè)計的原則，主要根據(jù)粗骨料的孔隙率及骨料級配和水泥等膠凝材料的使用量確定砂率指標(biāo)。

第四，礦物摻合料及外加劑的合理使用。為了改善高性能混凝土的抗?jié)B性、抗裂性、和易性等指標(biāo)，應(yīng)通過添加適量的外加劑和礦物摻合料，在具體設(shè)計過程中，應(yīng)遵循因地制宜的原則，例如，對于水下混凝土構(gòu)筑物或者水工構(gòu)筑物，可以考慮添加適量的礦粉、粉煤灰等摻合料以提升混凝土的抗?jié)B性和抗裂性能。

1.2　綜合考慮混凝土外加劑與膠凝材料的相適性

在高性能混凝土配合比設(shè)計及拌和過程中，為了滿足不同施工工況的需要，應(yīng)適當(dāng)加入部分外加劑以改善高性能混凝土某項特定性能，以滿足特定工況的需要。但需要注意的是，外加劑、水泥等膠凝材料在使用過程中應(yīng)該考慮二者之間的適應(yīng)性問題。例如，若添加的減水劑同水泥發(fā)生反應(yīng)時，將嚴(yán)重影響水泥材料的流動性，且在澆筑后會伴隨混凝土板結(jié)發(fā)熱問題，影響混凝土強度形成。此外，為了提供高性能混凝土的和易性及施工流動性，在拌和過程中添加一定量的引氣劑，能夠顯著改善混凝土的和易性及粘聚性，若添加過量，將導(dǎo)致混凝土流動性過大而難以成型，在一定程度上影響高性能混凝土的后期強度形成。因此，在高性能混凝土配合比設(shè)計過程中，涉及外加劑添加時，必須綜合考慮外加劑與膠凝材料的適應(yīng)性，防止因外加劑添加失誤導(dǎo)致的高性能混凝土質(zhì)量下降。

2　高性能混凝土配合比設(shè)計要點

2.1　高性能混凝土外加劑限量

高性能混凝土的原則是盡可能降低水泥等膠凝材料的用量，進而減少因生產(chǎn)水泥引起的環(huán)境污染。目前，隨著粉煤灰、礦粉等外加劑的普遍使用，水泥用量已經(jīng)減少了40%左右，全新一代高性能混凝土的水泥用量下降目標(biāo)為50%以上，在使用外加劑過程中，應(yīng)處理好摻量與混凝土強度之間的矛盾，可以考慮將高性能混凝土外加劑摻量的限定條件更改為對高性能混凝土強度遞增率的控制，確保外摻外加劑高性能混凝土在保證混凝土早期強度的前提下，防止由于早期強度發(fā)展過快引起的內(nèi)部微裂縫。目前，高性能混凝土的強度遞增控制形式如表1所示。

表1　高性能混凝土的強度遞增控制形式

2.2　高性能混凝土水泥限量

在高性能混凝土結(jié)構(gòu)中，對抗?jié)B性及耐久性的要求普遍較高，尤其是大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，對混凝土各項性能的要求更高。因此，為了保證高性能混凝土的抗?jié)B性及耐久性滿足要求，一般情況下，必須最大程度控制水泥的用量，由于水泥在水化過程中，會產(chǎn)生大量的水化熱，水化熱在擴散過程中，由于溫差因素的影響，很容易引起混凝土結(jié)構(gòu)表面開裂。因此，為了降低水化熱對高性能混凝土的影響，必須盡可能降低水泥的使用量。部分高性能混凝土配合比經(jīng)過改良和優(yōu)化后，其活性和耐久性、抗?jié)B性指標(biāo)明顯高于GB/T 8376—2002中對高性能混凝土用礦物外加劑的二元、三元復(fù)合外摻料，所以，可以不受相關(guān)規(guī)范約束?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中指出，上部結(jié)構(gòu)水泥使用量最低值為200 kg/m3，若外加劑類型合理，且摻量適合，經(jīng)過配合比優(yōu)化后，水泥使用量可以降低到120 kg/m3,且對應(yīng)的抗?jié)B等級可以高達P21級以上。除此以外，出于對高性能混凝土生產(chǎn)成本的考慮，混凝土中膠凝材料總量超過300 kg/m3的普通混凝土進行高性能轉(zhuǎn)化，在水泥用量不超過200 kg/m3的條件下，尚不具備大規(guī)模生產(chǎn)和推廣使用條件。

2.3　高性能混凝土用水限量

除了控制水泥等高水化熱材料的使用量外，控制用水量也是配置高性能混凝土的關(guān)鍵，科學(xué)試驗表明，高性能混凝土用水量與外加劑用量呈正相關(guān)。當(dāng)前，商混為了提升泵送效果使用的泵送劑仍然以減水劑為主，隨著粉煤灰和礦粉雙摻技術(shù)的成熟，通過外加一定比例的礦粉及粉煤灰，能夠降低用水量約13%～14%的高性能減水劑應(yīng)運而生，目前高性能減水劑主要應(yīng)用在高強混凝土中。在水泥價格下滑的大背景下，降低水泥用量，提升外加劑摻量勢必會提高混凝土成本，部分企業(yè)在拌和混凝土中，寧愿大量使用水泥也不會選擇使用高性能減水劑，為了實現(xiàn)高性能混凝土的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，應(yīng)從制度上明確混凝土的用水量，在目前的高性能混凝土生產(chǎn)過程中，為了降低成本，建議使用價格適中的萘系高效減水劑，保證強度等級在C50以下的混凝土拌和用水量降低至170 kg/m3以下。

3　高性能混凝土生產(chǎn)及使用實踐

3.1　完善高性能混凝土養(yǎng)護技術(shù)水平

決定高性能混凝土能否大規(guī)模使用的主要因素除了混凝土設(shè)計配合比外，混凝土養(yǎng)護工藝也是影響其推廣使用的關(guān)鍵因素。工程實踐表明，傳統(tǒng)的灑水、濕草墊覆蓋等傳統(tǒng)養(yǎng)護方式已經(jīng)無法滿足高性能混凝土的養(yǎng)護要求。使用化學(xué)噴涂技術(shù)在高性能混凝土接近初凝狀態(tài)時，噴涂養(yǎng)護劑，在表面形成隔離膜，防止表面毛細(xì)與外界進行水分交換，保證內(nèi)部水化反應(yīng)充分，在保證混凝土強度的前提下，減少了混凝土表面毛細(xì)裂縫產(chǎn)生的幾率。為高性能混凝土的大規(guī)模推廣使用奠定了基礎(chǔ)和條件。

3.2　打破高性能混凝土大規(guī)模使用的瓶頸

目前，在高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，缺乏必要的標(biāo)準(zhǔn)和約束是影響其推廣使用的根本缺陷，尤其在相關(guān)的設(shè)計規(guī)范、驗收規(guī)范等方面缺失嚴(yán)重，導(dǎo)致高性能混凝土無法正常、合規(guī)使用。必須加快完善和建立高性能混凝土設(shè)計及試驗、驗收規(guī)范文件編制和建立，為高性能混凝土推廣使用提供參考和條件。