高強(qiáng)混凝土配制與應(yīng)用中的關(guān)鍵問題研究

裴雪君

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院， 安微合肥 230051)

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高強(qiáng)混凝土配制與應(yīng)用中的關(guān)鍵問題研究

裴雪君

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院， 安微合肥 230051)

高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、耐久性優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁工程和鐵路工程中，已成為混凝土的一個(gè)重要發(fā)展方向。為保證高強(qiáng)混凝土在土木工程中更好地應(yīng)用，本文從原材料的基本要求、配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)與質(zhì)量控制等方面，闡述了高強(qiáng)混凝土配制的關(guān)鍵問題。從高強(qiáng)混凝土黏度大、施工性能差、水化溫升快、自收縮變形大等方面，闡述了高強(qiáng)混凝土應(yīng)用中的關(guān)鍵問題及解決措施。研究結(jié)果可為高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用提供參考。

高強(qiáng)混凝土; 配制; 應(yīng)用; 關(guān)鍵問題

隨著現(xiàn)代建筑不斷向高層、大跨、重載方向發(fā)展，對混凝土強(qiáng)度的要求越來越高，同時(shí)也要求混凝土具有良好的工作性能和優(yōu)越的耐久性，因此，人們不斷研究和應(yīng)用高強(qiáng)度等級的高性能混凝土[1]。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[2-3]。高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)和優(yōu)越的耐久性，目前已經(jīng)在國內(nèi)外許多工程中大量應(yīng)用。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、220 m高的Two Union Square工程實(shí)際混凝土強(qiáng)度達(dá)到130 MPa[4]；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130 MPa高強(qiáng)混凝土，最高強(qiáng)度甚至達(dá)到150 MPa以上[5]；位于迪拜的世界最高建筑Burj Dubai將80 MPa高強(qiáng)混凝土應(yīng)用到混凝土框架結(jié)構(gòu)[4]；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，高度為492 m的上海環(huán)球金融中心采用了C60高強(qiáng)混凝土[5]。然而在高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用中出現(xiàn)了諸如新拌混凝土黏度大、施工困難、收縮變形大等問題[6]，為保證高強(qiáng)混凝土應(yīng)用的安全性與可靠性，有必要研究高強(qiáng)混凝土配制與應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，因此本文對高強(qiáng)混凝土的配制和應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述，為高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用提供支撐。

1 高強(qiáng)混凝土配制的關(guān)鍵問題

1.1 高強(qiáng)混凝土對材料的要求

高強(qiáng)混凝土由于其高強(qiáng)度和強(qiáng)耐久性，對配制高強(qiáng)混凝土的原材料具有如下基本要求：

(1)水泥：配制高強(qiáng)混凝土宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且強(qiáng)度等級不應(yīng)低于52.5#，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合GB 175《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。對于有預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)設(shè)計(jì)要求的建筑工程，宜采用堿含量低于0.6 %的低堿水泥，水泥中氯離子含量不應(yīng)大于0.03 %[7]。

(2)細(xì)骨料：宜選用細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0的中砂，空隙率約42 %，且符合Ⅱ區(qū)級配要求，同時(shí)砂的含泥量和泥塊含量小于2 %和0.5 %。當(dāng)采用人工砂時(shí)，石粉亞甲藍(lán)值應(yīng)小于1.4，石粉含量低于5 %，壓碎指標(biāo)小于25 %。砂宜為非堿活性，不宜采用再生細(xì)骨料，性能應(yīng)符合JG J52《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

(3)粗骨料：粗骨料的含泥量和泥塊含量不應(yīng)大于0.5 %和0.2 %，針片狀顆粒含量應(yīng)小于5 %，且骨料母體巖石的抗壓強(qiáng)度應(yīng)比所配制的高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大30 %，且粗骨料應(yīng)選用連續(xù)級配、接近球形的顆粒，最大公稱粒徑宜小于25 mm。同樣，高強(qiáng)混凝土用的粗骨料宜為非堿活性，其他性能應(yīng)符合JG J52《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

(4)礦物摻和料：目前用于高強(qiáng)混凝土的礦物摻和料主要有粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰等，其質(zhì)量應(yīng)符合GB 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、GB/T 18046《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》、GB/T18736《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》等的要求。

(5)外加劑：配制高強(qiáng)混凝土宜采用減水率大于25 %的高性能減水劑，從而確保高強(qiáng)混凝土的流動性，同時(shí)降低膠凝材料的用量。外加劑與水泥和礦物摻和料應(yīng)具有良好的適應(yīng)性，外加劑的其他性能應(yīng)符合GB 8076《混凝土外加劑》、GB 23439《混凝土膨脹劑》、GB 50119《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(6)水：自來水，應(yīng)符合JGJ 63《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，混凝土攪拌與運(yùn)輸設(shè)備洗刷水不應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土的配制。

1.2 高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

高強(qiáng)混凝土的配合比必須滿足混凝土的強(qiáng)度、耐久性、施工性能的相關(guān)要求，且應(yīng)符合JGJ 55《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的規(guī)定。高強(qiáng)混凝土的試配強(qiáng)度應(yīng)為所需強(qiáng)度等級的1.15倍，高強(qiáng)混凝土的水灰比宜控制在0.28～0.32，用水量不宜大于175 kg/m3，水泥用量應(yīng)小于550 kg/m3，并可以通過外加礦物摻和料來控制和降低水泥用量，摻加硅灰可較大幅度降低水泥用量。其中，膠凝材料總用量不宜大于600 kg/m3，礦物摻和料的摻量為25 %～40 %，硅灰摻量不宜大于10 %。高強(qiáng)混凝土中的砂用量和砂石總用量之比宜為35 %～42 %，砂石的用量可根據(jù)質(zhì)量法或體積法計(jì)算。

高強(qiáng)混凝土配合比確定后，應(yīng)進(jìn)行不少于三次的混凝土重復(fù)試驗(yàn)，測試混凝土的抗壓強(qiáng)度，且測試強(qiáng)度不應(yīng)小于配制強(qiáng)度，測試試件應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件。

1.3 生產(chǎn)與施工質(zhì)量控制

高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)與施工質(zhì)量控制應(yīng)符合GB 50204《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、GB 50164《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ/T 281《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等的相關(guān)規(guī)定。

生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土?xí)r，應(yīng)首先按規(guī)定向材料提供方索取質(zhì)量證明文件。配制混凝土?xí)r，宜用電子計(jì)量設(shè)備稱量原材料，各種原材料的計(jì)量偏差應(yīng)控制在以下范圍：膠凝材料±1 %、骨料±2 %、水±1 %、外加劑±1 %。原材料計(jì)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)骨料的含水率及時(shí)調(diào)整水和骨料的稱量。拌合均勻是保證高強(qiáng)混凝土質(zhì)量的重要因素，因此可選擇強(qiáng)制式攪拌機(jī)，且攪拌時(shí)間不應(yīng)小于60 s。當(dāng)摻用纖維、粉狀外加劑時(shí)，攪拌時(shí)間應(yīng)相應(yīng)延長。為保證高強(qiáng)混凝土拌合均勻，應(yīng)保證混凝土中砂漿密度兩次測量值相對誤差不應(yīng)大于0.8 %，當(dāng)坍落度設(shè)計(jì)值不小于100 mm時(shí)，兩次測量的混凝土稠度差值應(yīng)小于30 mm。

在運(yùn)輸時(shí)，高強(qiáng)混凝土從攪拌機(jī)裝入攪拌運(yùn)輸車至卸料時(shí)間不宜大于90 min，到達(dá)施工現(xiàn)場時(shí)，應(yīng)將高強(qiáng)混凝土在攪拌車內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)20～30 s，然后將混凝土拌合物卸出?；炷吝\(yùn)輸、澆筑及間歇的全部時(shí)間不應(yīng)超過混凝土的初凝時(shí)間，當(dāng)氣溫大于25 ℃時(shí)，混凝土拌合物從攪拌機(jī)卸出至澆筑完畢的時(shí)間應(yīng)小于120 min；當(dāng)氣溫不超過25℃時(shí)，該時(shí)間應(yīng)小于150 min。同時(shí)，在混凝土澆筑及靜止過程中，應(yīng)在混凝土終凝前進(jìn)行抹面處理，構(gòu)件成型后，當(dāng)強(qiáng)度小于1.2 MPa時(shí)，不得在其上踩踏或安裝模板支架。

高強(qiáng)混凝土澆筑成型后，應(yīng)及時(shí)對混凝土暴露面進(jìn)行覆蓋。可采取潮濕養(yǎng)護(hù)，并可采取蓄水、澆水、噴淋灑水或覆蓋保濕等方式，養(yǎng)護(hù)水溫與混凝土表面溫度之間的溫差不宜大于20℃，潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜小于10 d。冬季施工時(shí)，宜采用帶模養(yǎng)護(hù)，且混凝土受凍前的強(qiáng)度不得小于10 MPa，模板和保濕層應(yīng)在混凝土冷卻到5 ℃以下再拆除，或在混凝土表面溫度與外界溫度相差不大于20 ℃時(shí)拆除，拆模后的混凝土應(yīng)及時(shí)覆蓋。高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.7倍時(shí)，可撤銷養(yǎng)護(hù)措施。

2 高強(qiáng)混凝土應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

高強(qiáng)混凝土具有高強(qiáng)、耐久等優(yōu)勢，但在應(yīng)用中還存在如下關(guān)鍵問題：

(1)高強(qiáng)混凝土新拌混凝土黏度大、施工困難。研究表明，高強(qiáng)混凝土中水膠比低，單位體積內(nèi)水體積減小，固體顆粒體積增加，導(dǎo)致顆粒表面水膜厚度降低，顆粒間距減小，顆粒間的摩擦作用加強(qiáng)，從而導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土黏度增大[6]。

為降低高強(qiáng)混凝土的黏度，可采用高效減水劑從而提高混凝土的流動度，另外，摻加硅灰、粉煤灰可減少用水量，提高顆粒表面的水膜厚度，可使高強(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[8]。

(2)目前，混凝土施工一般采用預(yù)攪拌或商品混凝土，由于施工工地往往與攪拌站相距很遠(yuǎn)，因此混凝土運(yùn)輸時(shí)間較長，在運(yùn)輸過程中，其坍落度隨時(shí)間的增加而減??；同時(shí)，高層建筑施工一般采用泵送混凝土。因此，如何保證高強(qiáng)混凝土的施工性能和泵送是高強(qiáng)混凝土應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。

為保證混凝土的施工性能，可以優(yōu)選原材料和摻加適量的減水劑等，還應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量和管理。

(3)高強(qiáng)混凝土材料的膠凝材料用量大，采用硅灰代替部分水泥后導(dǎo)致早期水化速率加快[9]，引起早期水化溫升快，混凝土容易出現(xiàn)早期開裂。

為降低高強(qiáng)混凝土早期溫升導(dǎo)致的開裂風(fēng)險(xiǎn)，可采取相應(yīng)的措施降低水泥水化過程中的水化放熱速率或延長水泥水化放熱過程。研究表明，摻加粉煤灰和磨細(xì)的礦渣是抑制高強(qiáng)混凝土早期溫升的有效措施[9]。另外，早期活性較低的惰性摻和料如石英粉，也有類似的作用。在高強(qiáng)混凝土拌制過程中采用緩凝劑或緩凝型減水劑，可以延長水泥水化的過程，從而降低水化放熱速率，降低高強(qiáng)混凝土的溫升。

(4)高膠凝材料用量以及低水膠比必然導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土自收縮增大[10]，增大開裂風(fēng)險(xiǎn)。

為抑制高強(qiáng)混凝土的收縮，可摻入粉煤灰或磨細(xì)礦渣，但粉煤灰抑制自收縮的能力有限。而骨料可抑制高強(qiáng)混凝土的自收縮，因此可盡可能增加高強(qiáng)混凝土中的骨料，從而降低高強(qiáng)混凝土的自收縮值。同樣，適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方式也可有效降低高強(qiáng)度混凝土的收縮，如混凝土保濕養(yǎng)護(hù)可大幅度降低混凝土的收縮，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。另外，通過摻加有較大彈性模量和較好的粘接的鋼纖維，可有效阻止混凝土中裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，降低高強(qiáng)混凝土的開裂趨勢。

3 結(jié)論

高強(qiáng)混凝土因其具有高強(qiáng)度、強(qiáng)耐久性的顯著特點(diǎn)，在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用，然而在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了諸如新拌混凝土黏度大、施工困難、收縮變形大等問題，為了推動高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用，本文從高強(qiáng)混凝土的配制和應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述，并提出了相應(yīng)的措施，得到如下結(jié)論：

(1)在高強(qiáng)混凝土的配制中，應(yīng)注意高強(qiáng)混凝土原材料的選材、配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)及施工控制，保證高強(qiáng)混凝土配制時(shí)的強(qiáng)度和質(zhì)量；

(2)在高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用中，應(yīng)從降低高強(qiáng)混凝土黏度、提供施工性能、減少水化放熱或延長水化放熱過程、提高高強(qiáng)混凝土抵抗自收縮的能力等方面提高高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用效果。

[1] 鄭敏升. C80～C100高性能混凝土的研究[J]. 福建建材, 1999(1): 24-26.

[2] 林耀. 高強(qiáng)混凝土收縮開裂的研究及應(yīng)對措施[J]. 福建建材, 2013(3):18-20.

[3] 吳芳, 賈福根, 李瑞璟, 等. 新編土木工程材料教程[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[4] Michael A. Caldarone. High-Strength Concrete: A practical guide[M]. USA and Canada: Taylor & Francis, 2009.

[5] 張洪波. 快凝快硬高強(qiáng)混凝土的制備與性能[D]. 重慶大學(xué), 2014.

[6] 繆昌文, 劉建忠. 應(yīng)用高強(qiáng)混凝土應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J]. 施工技術(shù), 2013, 42(10):1-5.

[7] 魏素梅, 關(guān)戰(zhàn)軍. 配制高強(qiáng)混凝土的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 四川建材, 2013, 39(4): 24-25.

[8] 徐永波. 高強(qiáng)混凝土的性能特點(diǎn)分析及其改進(jìn)措施[J]. 安徽建筑, 2015(3): 174-176.

[9] 劉建忠, 孫偉, 繆昌文, 等. 超高強(qiáng)混凝土用低水膠比漿體的水化熱研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2010, 12(2):139-142+168.

[10] Victor Y. G., Lawrence F. K, Kimberly E. K. Short-term tensile creep and shrinkage of ultra-high performance concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 2009, 31(3): 147-152.

裴雪君(1983～)，女，本科，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)。

TU528.31

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[定稿日期]2016-05-23