淺析高性能混凝土在太行山高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

李朋雨 肖華仙 劉昌捷 王廣洲

（成都華川公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041）

混凝土自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了強(qiáng)度由低到高乃至超高強(qiáng)的發(fā)展歷程，人們似乎總是樂(lè)于不斷地提高其強(qiáng)度，但近年來(lái)混凝土結(jié)構(gòu)物因材質(zhì)劣化導(dǎo)致過(guò)早損壞而失效崩塌的事故時(shí)有發(fā)生，其耐久性問(wèn)題受到了社會(huì)的普遍關(guān)注和工程界的高度重視，于是以高耐久性為核心內(nèi)容的高性能混凝土便應(yīng)運(yùn)而生。高性能混凝土的定義目前業(yè)界各說(shuō)紛紜，但公認(rèn)其核心內(nèi)容是優(yōu)異的耐久性，同時(shí)兼顧良好的工作性、經(jīng)濟(jì)型和適宜的強(qiáng)度。隨著我國(guó)基建工程速度加快，高性能混凝土在我國(guó)的高速鐵路、水工建筑、高速公路等領(lǐng)域得到應(yīng)用，太行山高速公路全線永久性結(jié)構(gòu)物工程也是采用的高性能混凝土施工。

1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原理

普通混凝土以強(qiáng)度作為控制指標(biāo)，而高性能混凝土以耐久性作為控制指標(biāo)，以強(qiáng)度為校核指標(biāo)。在定義耐久性時(shí)通常要考慮環(huán)境因素，針對(duì)不同用途，對(duì)耐久性、工作性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。從混凝土劣化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：引起混凝土劣化的主要原因都與混凝土滲透性和水分子聯(lián)系在一起，抗?jié)B性問(wèn)題是混凝土自身提高耐久性的核心所在，因此，若使混凝土高性能化就必須降低水膠比和單位用水量?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)的總目標(biāo)概括為：在通常易得的材料里選擇合適的組成材料并確定滿足特定要求的最經(jīng)濟(jì)組合。配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)將由過(guò)去水膠比-強(qiáng)度關(guān)系轉(zhuǎn)化為用水量-耐久性關(guān)系，并將推動(dòng)顆粒填充概念進(jìn)入混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，而外加劑和礦物摻合料的摻入則可以大大降低拌和所需用水量、改善混凝土界面微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的致密性和抗?jié)B性。因此，高性能混凝土設(shè)計(jì)的主要技術(shù)路徑是低水膠比條件下選用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料和高效外加劑。

高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)基本原則為：①適量摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料，盡可能減少膠材中水泥用量；②采用高效外加劑、適量引氣，盡量降低的單位用水量；③滿足最大水膠比和膠凝材料（最大和最?。┯昧康囊?；④滿足堿活性試驗(yàn)和氯離子總含量的要求。

2 高性能混凝土施工控制特點(diǎn)

高性能混凝土的特點(diǎn)是低水膠比、低用水量、高礦物摻合料、復(fù)摻外加劑，其在施工質(zhì)量控制、養(yǎng)護(hù)等方面都與普通混凝土不同。低水膠比、低用水量決定了混凝土黏性變大，在拌制、運(yùn)輸、澆筑、振搗工藝上要求更加嚴(yán)格控制。高礦物摻合料要求高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)必須到位，相比較普通混凝土對(duì)養(yǎng)護(hù)更敏感，對(duì)礦粉、粉煤灰混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)分別要14 d和21 d才能達(dá)到預(yù)期效果，否則易出現(xiàn)表面掉面、耐磨性差、回彈強(qiáng)度低等；復(fù)摻外加劑要求攪拌時(shí)間必須延長(zhǎng)，外加劑用量很小，若不能保證攪拌時(shí)間，根本分散不開(kāi)，使混凝土均勻性變差。總之，高性能混凝土相比普通混凝土在施工過(guò)程中要特別強(qiáng)調(diào)：（1）延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，保證時(shí)間≥120 s；（2）嚴(yán)格控制混凝土振搗分層厚度不大于30 cm，振搗棒插搗間距適當(dāng)縮??；（3）適當(dāng)延長(zhǎng)振搗時(shí)間，并注意二次振搗和二次搓壓表面；（4）振搗完成后及時(shí)覆蓋保濕，盡早進(jìn)行養(yǎng)護(hù)并延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

3 高性能混凝土技術(shù)分析

3.1 工作性良好，易于泵送施工

混凝土泵送是提倡采用的施工方法，該方式運(yùn)料速度快、易布料、便于保證混凝土下料入倉(cāng)后的勻質(zhì)性。本工程配比的混凝土經(jīng)檢測(cè)粘聚性良好、設(shè)計(jì)坍落度大（160～200 mm和180～220 mm兩種，擴(kuò)展度≥420 mm），能夠很好地滿足泵送施工，施工效率高。

3.2 耐久性優(yōu)異，延長(zhǎng)混凝土使用壽命

高性能混凝土不僅具備了普通混凝土所有的力學(xué)性能，還具備其所欠缺的耐久性能，如高填充性、抗?jié)B性、抗侵蝕性和體積穩(wěn)定性等，高耐久性是高性能混凝土區(qū)別于普通混凝土的最大特點(diǎn)。高性能混凝土與普通混凝土技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 高性能混凝土與普通混凝土技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

3.3 存在的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題

高性能混凝土具有普通混凝土無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但在應(yīng)用施工中也存在所有混凝土共有的問(wèn)題，即混凝土抗裂收縮的問(wèn)題。不均勻地收縮將在混凝土制品和構(gòu)件中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至發(fā)生裂縫，影響其質(zhì)量和耐久性。因此，改善高性能混凝土的抗裂性也是高性能混凝土使用中需要研究的另一個(gè)問(wèn)題。

表2 不同混凝土材料成本分析表

4 高性能混凝土的經(jīng)濟(jì)分析

4.1 成本對(duì)比分析

以C30混凝土為例，采用高性能砼、集中拌制普通砼以及現(xiàn)場(chǎng)拌制的普通混凝土砼三個(gè)配合比進(jìn)行成本分析，材料單價(jià)采用工程當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)供應(yīng)到貨價(jià)格，對(duì)三者做混凝土材料成本的比對(duì)分析如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析來(lái)看，在考慮拌制、運(yùn)輸、澆筑條件基本相同的情況下，高性能砼相比采用現(xiàn)場(chǎng)（或集中）拌制的普通砼，成本都有較大幅度地降低。分析主要原因：高性能混凝土雖然增加了粉煤灰、礦渣粉和高性能減水劑，但降低了水泥用量和總膠凝材料用量，反而使其經(jīng)濟(jì)成本得到了降低。僅就混凝土原材料單價(jià)而言，本項(xiàng)目全線水泥混凝土總量約170 萬(wàn)m3，采用高性能混凝土可節(jié)約成本4 740 萬(wàn)元。高性能混凝土較普通混凝土對(duì)原材料質(zhì)量、施工過(guò)程控制、養(yǎng)護(hù)條件等管理要求更加嚴(yán)格和精細(xì)化，會(huì)適當(dāng)?shù)卦黾硬糠止芾沓杀?，但管理要求?duì)二者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。因此，綜合來(lái)看高性能混凝土從經(jīng)濟(jì)、使用效益來(lái)看價(jià)值更高。

4.2 壽命周期成本分析

混凝土成本是一個(gè)綜合概念，而非只是用最便宜的材料組成最低成本的混凝土，因?yàn)檫@往往隱藏著巨大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，這需要跳出其原材料的桎梏，以系統(tǒng)的角度來(lái)看待混凝土工程。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，據(jù)估算，建筑業(yè)約40%的資源都用于修復(fù)和維護(hù)既有結(jié)構(gòu)，僅60%用于新建。美國(guó)學(xué)者形象地用“五倍定律”說(shuō)明了耐久性的重要性，砼結(jié)構(gòu)使用中的維修、更新成本遠(yuǎn)高于建造成本，迫使工程建設(shè)中日益重視壽命周期費(fèi)用而非初始造價(jià)。即使高性能混凝土與普通混凝土初始建造成本相當(dāng)，高性能混凝土也會(huì)因其優(yōu)良的耐久性能在使用中省去大量修復(fù)、維護(hù)費(fèi)用，壽命周期內(nèi)費(fèi)用顯著低于普通混凝土的相關(guān)費(fèi)用。對(duì)于河北太行山高速公路這種采用社會(huì)資本與政府資本參與的PPP模式項(xiàng)目，其對(duì)整個(gè)工程的維護(hù)成本和壽命周期更加注重，因此，使用高性能混凝土的意義更顯得格外重要。

5 結(jié)語(yǔ)

高性能混凝土目前已經(jīng)在工程各個(gè)行業(yè)應(yīng)用，在節(jié)能、節(jié)料、工程經(jīng)濟(jì)及環(huán)境保護(hù)方面具有重要意義，是國(guó)內(nèi)外工程界研究的熱點(diǎn)。其在降低水泥用量的同時(shí)，摻合料利用工業(yè)廢渣進(jìn)行循環(huán)再利用，有重要的環(huán)保意義和社會(huì)價(jià)值，是一種綠色的材料符合社會(huì)和行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，在強(qiáng)度、耐久性、工作性和經(jīng)濟(jì)性方面也具較大優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，高性能混凝土將憑借其優(yōu)異的綜合性取代普通混凝土，成為未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)混凝土發(fā)展的主要方向。