C90高強(qiáng)高性能混凝土創(chuàng)新研發(fā)報(bào)告

張守明，孫強(qiáng)，趙培午，劉洋，劉珍珍

（日照市百順混凝土有限公司，山東 日照 276823）

隨著社會(huì)不斷的進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)代化建筑工程向高層、超高層、大跨度及超大型的趨勢(shì)發(fā)展，建筑工程對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、性能的要求越來(lái)越高。多年來(lái)混凝土技術(shù)的不斷提升與發(fā)展，高性能減水劑與高活性摻合料不斷得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，為常規(guī)工藝生產(chǎn)條件下配制高強(qiáng)高性能混凝土提供了技術(shù)條件。

目前山東省內(nèi)在建項(xiàng)目綠地山東國(guó)金中心（ICF）428 米第一高樓，使用混凝土的最高強(qiáng)度等級(jí)為 C70（部分使用），大部分為 C60 混凝土，C60 混凝土在日照地區(qū)多項(xiàng)目已經(jīng)應(yīng)用；而海韻廣場(chǎng)、日照中心 C80混凝土的初步設(shè)計(jì)使用要求打破了山東省內(nèi)最高混凝土強(qiáng)度等級(jí)的使用。在此需求情況下各個(gè)混凝土企業(yè)為能制備出 C80 高強(qiáng)混凝土為榮譽(yù)從而展開(kāi)了如火如荼的試驗(yàn)。因此，集團(tuán)經(jīng)理下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)，成立“C90 高強(qiáng)高性能混凝土”專項(xiàng)小組，項(xiàng)目小組在負(fù)責(zé)人的領(lǐng)導(dǎo)與安排下，落實(shí)專家技術(shù)人員、材料、試驗(yàn)實(shí)體，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)且應(yīng)符合生產(chǎn)要求。百順混凝土試驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)頂著壓力，勇于挑戰(zhàn)困難敢于戰(zhàn)勝困難的決心開(kāi)始進(jìn)行了研發(fā)試驗(yàn)。我們?cè)谶M(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中也平行的為生產(chǎn)實(shí)體項(xiàng)目進(jìn)行籌劃準(zhǔn)備，最終取得了可喜的成果，下面將對(duì) C90 高強(qiáng)高性能混凝土的相關(guān)技術(shù)與研究過(guò)程作一些介紹。

1 C90 高強(qiáng)高性能混凝土設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

C90 高強(qiáng)高性能混凝土是在超高層、繁華地段、人車流量較大且有高峰禁行期的工況下使用，要求混凝土的工作性能優(yōu)異，有大流動(dòng)性、保坍性、低黏度，有良好的和易性易于泵送、澆筑、施工，且能保持體積穩(wěn)定性及使用壽命的長(zhǎng)久性。要求如下：

（1）滿足高抗?jié)B抗凍等級(jí)的要求、抵抗高介質(zhì)侵蝕溶蝕的性能，因海韻廣場(chǎng)、日照中心處一線沿海位置，高等級(jí)的抗?jié)B性能指標(biāo)是反映高強(qiáng)高性能混凝土耐久性的重要指標(biāo)，因此要求混凝土有極高的密實(shí)性，減少有害氣泡的危害。

（2）滿足高體積穩(wěn)定性，控制好因前期的水化溫升和收縮而引起開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)及高彈性模量、低收縮、低徐變等指標(biāo)。

（3）滿足良好的施工性能，即施工要求的大流態(tài)且高黏聚性，要克服混凝土的黏度大、高層泵送困難、泵送阻力大等難題，要求達(dá)到符合自密實(shí)要求的功能狀態(tài)。

（4）具有高強(qiáng)、高韌性，即滿足工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或特殊使用環(huán)境的要求。

（5）易本地取材，經(jīng)濟(jì)合理，降低成本。

C90 高強(qiáng)高性能混凝土，研發(fā)要求目標(biāo)必須從原材、配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制、運(yùn)輸、泵送與施工工藝、養(yǎng)護(hù)條件等各方面綜合考慮。首先必須嚴(yán)格篩選原材，其次科學(xué)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡力減少水泥用量。結(jié)合工程實(shí)際情況摻用礦物超細(xì)粉，為了滿足設(shè)計(jì)和施工性能的要求，應(yīng)優(yōu)選高效能減水劑及確定合理的摻量，制定合理科學(xué)的工藝方法，加強(qiáng)過(guò)程中的質(zhì)量控制，統(tǒng)一思想意識(shí)，以此滿足C90 高強(qiáng)高性能混凝土的使用要求。

2 優(yōu)選原材

2.1 細(xì)集料

本著就地取材不進(jìn)行二次加工降低成本的前提下，優(yōu)先選用河砂，多次到日照水庫(kù)與諸城、莒縣選取河砂，試驗(yàn)結(jié)果顯示砂含石較多（風(fēng)化顆粒強(qiáng)度低），細(xì)度及含泥量不理想。在苦尋無(wú)果的情況下，轉(zhuǎn)變思路，向優(yōu)質(zhì)精品機(jī)制砂方向探索。目前大多數(shù)人因思維定勢(shì)及對(duì)機(jī)制砂的偏見(jiàn)，都偏向于在中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用，對(duì)精品機(jī)制砂在高強(qiáng)高性能混凝土的研究和應(yīng)用較少，由此本試驗(yàn)也對(duì)精品機(jī)制砂在 C90 高強(qiáng)高性能混凝土的研發(fā)進(jìn)行了可行性研究。初定標(biāo)準(zhǔn)：細(xì)集料選用細(xì)度模數(shù)為 2.6～3.2 的中粗砂，石粉含量不應(yīng)高于 6%，且亞加藍(lán)試驗(yàn)必須合格，粒型良好針片狀不大于8%，含水率穩(wěn)定在 3%～5%。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)最終選定精品機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為 3.0 的Ⅱ區(qū)中砂，石粉含量5%，亞加藍(lán)試驗(yàn)合格，粒型經(jīng)過(guò)整形，含水穩(wěn)定。

2.2 粗集料

要求質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好、界面條件較好的機(jī)制碎石，針片狀含量低，石子粒徑 5～20mm，含泥量小于0.5%，吸水率低。最終選定莒縣玄武巖石子，壓碎指標(biāo)5.5%，且滿足以上要求。

2.3 水泥

選取日照中聯(lián)、山水 P·O52.5 水泥，經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)最終選取日照山水 P·O52.5 水泥，各項(xiàng)指標(biāo)檢驗(yàn)符合要求。

2.4 礦物摻合料

配制高性能混凝土，依靠單一品種摻合料無(wú)法滿足要求，因此選擇兩種或兩種以上摻合料復(fù)合的方案。本次試驗(yàn)選用的摻合料有粉煤灰、礦粉和硅灰三種礦物摻合料，充分發(fā)揮這三種材料的填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，三種摻合料相互補(bǔ)充，效應(yīng)疊加。最終選定日照鋼廠 S95 級(jí)礦渣粉、日照華能電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰和北京漢江硅灰。

2.5 減水劑

高性能混凝土要求合理的低水膠比，因此選用高效減水劑是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高耐久性必不可少的技術(shù)措施之一。高效能減水劑減水率高，可達(dá) 25% 以上，更要注重混凝土的強(qiáng)度與和易性的平衡，既要保證混凝土的含氣量不能太高，又要保證混凝土良好的擴(kuò)展度，應(yīng)與水泥有良好的適應(yīng)性，經(jīng)時(shí)損失小，降低混凝土黏性等要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比最終選用日照海景建材減水劑。

3 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)符合 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及 JGJ/T 281—2011《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，并應(yīng)滿足施工及設(shè)計(jì)的要求。

當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)≥C60時(shí)，配制強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：fcu,o≥1.15fcu,k

配制強(qiáng)度：fcu,o≥1.15fcu,k=1.15×90=103.5(MPa)

（1）水膠比、膠凝材料用量和砂率可參考相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，并應(yīng)經(jīng)試配最終確定。

（2）外加劑和礦物摻合料的品種、摻量，應(yīng)通過(guò)試配確定；礦物摻合料摻量宜為 25%～40%；硅灰摻量不宜大于 10%。

（3）水泥用量不宜大于 500kg/m3。

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，經(jīng)過(guò)大量反復(fù)的試驗(yàn)。最終確定 C90 高強(qiáng)高性能配合比，如表 1 所示。

表1 C90 混凝土配合比

對(duì)經(jīng)兩個(gè)月對(duì)實(shí)體澆筑留置的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，然后使用高強(qiáng)回彈儀對(duì)試驗(yàn)墻體（圖 1）強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表 2。由表 2 數(shù)據(jù)可見(jiàn)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)配制強(qiáng)度指標(biāo)的 103.5MPa 的要求。

圖1 C90 混凝土試驗(yàn)墻

表2 C90 抗壓強(qiáng)度

4 C90 高強(qiáng)混凝土的性能

4.1 拌合物性能

為了滿足設(shè)計(jì)和施工性能，C90 高強(qiáng)混凝土除具有足夠高的強(qiáng)度以外，同時(shí)具有良好的可操作性，滿足實(shí)際泵送要求。本試驗(yàn)對(duì)混凝土的拌合物進(jìn)行了坍落度、排空時(shí)間和 3.5h 內(nèi)的坍落度損失試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：C90 高強(qiáng)高性能混凝土的初始坍落度達(dá)到260mm，在 3h 內(nèi)坍落度損失在 20mm 以內(nèi)，排空時(shí)間6～8s，擴(kuò)展度 600～650mm，具有大的流動(dòng)性與保塑性，具有良好的可操作性，滿足泵送施工要求。

4.2 混凝土力學(xué)性能

C90 高強(qiáng)高性能混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較快，28d及 60d 相對(duì)放緩，但增長(zhǎng)較為勻速。由于 C90 混凝土強(qiáng)度高，試件制作的初始缺陷及拌合物分布的不確定性、隨機(jī)性、不均勻性以及試驗(yàn)過(guò)程中的誤差，在對(duì)混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)試塊強(qiáng)度出現(xiàn)不均勻、偏差大的現(xiàn)象，說(shuō)明高強(qiáng)混凝土的離散性大。對(duì)試塊進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，C90 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為 5.9MPa，為抗壓強(qiáng)度的 1/18，比普混凝土的拉壓比1/10 低得多，說(shuō)明了高強(qiáng)混凝土的脆性比普通混凝土高。

4.3 耐久性

4.3.1 收縮性

混凝土的收縮性是指混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，由于外界因素及自身水化產(chǎn)生的變形，強(qiáng)度越高收縮越大，且收縮絕大部分發(fā)生在早期。在混凝土中摻入多種礦物摻合料，可大大提高混凝土的密實(shí)性，從而保證混凝土的高強(qiáng)度，而且具有良好的體積穩(wěn)定性，前提時(shí)必須控制好混凝土的溫度及濕度。由于高強(qiáng)混凝土水分蒸發(fā)快，澆筑后應(yīng)及時(shí)覆膜，否則表面易起殼及出現(xiàn)龜裂。本次澆筑的試驗(yàn)墻柱前三天由于水化釋放出大量熱量模板有明顯的熱感，墻體中心最高達(dá) 84℃ 并在第三天逐漸降溫，第四五天溫度回歸正常，建議延長(zhǎng)拆模時(shí)間，拆模養(yǎng)護(hù)至兩周，未發(fā)現(xiàn)一條裂縫。

4.3.2 抗?jié)B性

混凝土的抗?jié)B性能是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，高強(qiáng)高性能混凝土具有良好的密實(shí)性，從而具有高抗?jié)B性，滿足自防水功能。本次試驗(yàn)表明 C90 高強(qiáng)高性能混凝土抗?jié)B等級(jí)達(dá)到 P30 以上。

4.3.3 抗凍性

混凝土的抗凍性是指試塊在吸水飽和后，承受反復(fù)凍融循環(huán)、抵抗冰凍漲縮的能力，它是評(píng)定混凝土耐久性的重要指標(biāo)。高強(qiáng)高性能混凝土水膠比小、高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)密實(shí)，所以抗凍性能好，從而具有良好的耐久性。經(jīng)過(guò) 350 次凍融循環(huán)后，失重率為 0。

4.3.4 混凝土碳化試驗(yàn)

暴漏在大氣中的混凝土，混凝土在水化過(guò)程中產(chǎn)生的 Ca(OH)2與空氣中的 CO2產(chǎn)生反應(yīng)生成不溶于水的 CaCO3，使混凝土的堿度降低，這種現(xiàn)象稱為中性化，又稱碳化。當(dāng) pH 小于 10 時(shí)，鋼筋表層的鈍化膜被破壞，鋼筋開(kāi)始銹蝕。生銹后鋼筋的體積比原來(lái)鋼筋的體積膨脹約 2.5 倍，在周圍混凝土中產(chǎn)生膨脹壓力，因此導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，此時(shí)鋼筋的粘結(jié)力降低，混凝土保護(hù)層開(kāi)始剝落，鋼筋斷面出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。本試驗(yàn)對(duì)混凝土的試驗(yàn)實(shí)體進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得28d、60d、90d、180d 混凝土的碳化深度均為 0，試驗(yàn)結(jié)果表明 C90 混凝土具有較高的密實(shí)性，所以有很高的抗碳化能力。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）此次聯(lián)合相關(guān)專家，通過(guò)混凝土配合比設(shè)計(jì)及大量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了 C90 精品機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土，并研究了不同形態(tài)的原材料及不同石粉含量（3%、5%、7%）對(duì)機(jī)制砂的混凝土強(qiáng)度、工作性能和收縮的影響。適量的石粉可以提高精品機(jī)制砂混凝土的和易性，改善其工作性能狀態(tài)，從強(qiáng)度及工作性方面考慮，建議配制高強(qiáng)精品機(jī)制砂混凝土?xí)r，可以將石粉含量放寬至 5%。機(jī)制砂中含有一定量的石粉對(duì)精品機(jī)制砂混凝土是有益的，機(jī)制砂石粉含量并不是越少越好，在這過(guò)程中不僅可以減少機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程的石粉損耗量，節(jié)約資源，減少污染，還節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（2）此次 C90 高強(qiáng)高性能混凝土的研發(fā)通過(guò)了各個(gè)環(huán)節(jié)的考驗(yàn)，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需要，并突破日照市無(wú)C80 以上的高強(qiáng)高性能混凝土生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀，為完善高強(qiáng)高性能混凝土生產(chǎn)應(yīng)用積累了豐厚的經(jīng)驗(yàn)，填補(bǔ)了本地區(qū)在這個(gè)領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白。高強(qiáng)高性能混凝土混凝土剛度大、耐久性好、可以適應(yīng)惡劣環(huán)境，大大延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，滿足超高層建筑的需求，適用于大跨度的鐵路、大橋與等，不僅可以減少混凝土用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，還可以大幅增加結(jié)構(gòu)使用空間，社會(huì)效益非?？捎^。