土木建筑材料中的高性能混凝土材料性能分析

武東福

(陽(yáng)泉市益匯混凝土有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

高性能混凝土作為應(yīng)用較為廣泛的材料，其內(nèi)部的亞微觀結(jié)構(gòu)更為合理，致密性良好，采用此類材料建設(shè)成型的建筑結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性。為充分發(fā)揮出高性能混凝土的性能優(yōu)勢(shì)，有必要通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)的方式檢驗(yàn)材料性能，結(jié)合工程要求妥善應(yīng)用，下文則圍繞高性能混凝土材料性能展開(kāi)分析[1]。

1 配合比設(shè)計(jì)原則

1.1 含砂率的設(shè)計(jì)

高性能混凝土的施工以泵送的方法為主，因此需根據(jù)可泵性的要求設(shè)計(jì)含砂率；在保證混合料質(zhì)量、施工可正常進(jìn)行的前提下，適度降低混凝土的含砂率，具體根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果而定。

1.2 水灰比的設(shè)計(jì)

水灰比是影響高性能混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，不宜采用普通混凝土的水灰比設(shè)計(jì)方式，而是需要統(tǒng)籌兼顧原材料類型、強(qiáng)度等級(jí)等因素，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果予以確定。

1.3 高效減水劑用量設(shè)計(jì)

根據(jù)強(qiáng)度、耐久性、粘聚性等方面的要求選擇高效減水劑，在此基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制減水劑的用量，遵循適中的原則，用量不宜過(guò)多或過(guò)少，具體以試驗(yàn)的方式確定。

2 土木建筑中高性能混凝土的基本性能

2.1 力學(xué)性能

高性能混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較高，彈性模量良好，綜合力學(xué)性能優(yōu)越，因此成為土木建筑工程領(lǐng)域的重要材料[2-3]。土木建筑中常用材料的力學(xué)性能，如表1所示。

表1 土木建筑中常用材料的力學(xué)性能

根據(jù)表1可知高性能混凝土的多項(xiàng)性能均優(yōu)于其它土木建筑材料，例如韌性良好，基于此特性，其抗震能力較強(qiáng)；水密性能良好，即便高性能混凝土被應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中也依然可維持性能的穩(wěn)定性，性能異常退化、滲漏的發(fā)生率較低，即便存在異常狀況，程度也較為輕微[5]。

2.2 耐久性能

耐久性是評(píng)價(jià)混凝土綜合性能時(shí)不可或缺的部分，對(duì)于高性能混凝土，其具有耐久性優(yōu)勢(shì)，建設(shè)成型的結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)期使用后仍維持正常狀態(tài)，進(jìn)而保障建筑的安全性。評(píng)價(jià)耐久性的指標(biāo)包含總孔隙率、磨耗系數(shù)、碳化深度等，以C60混凝土和高性能混凝土為例，對(duì)比分析各自的耐久性指標(biāo)，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 C60混凝土與高性能混凝土的耐久性指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)表2可知高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)得到改善，各項(xiàng)耐久性指標(biāo)均良好，究其原因，與高性能混凝土設(shè)計(jì)方式的合理性有密切關(guān)聯(lián)，例如較低的水灰比、經(jīng)過(guò)深入優(yōu)化后的顆粒級(jí)配，在此類條件下拌和的高性能混凝土具有密實(shí)性，腐蝕因素或其它外部環(huán)境因素對(duì)高性能混凝土的影響較為有限。

2.3 防火及抗沖擊性能

高性能混凝土中硅粉、氫氧化鈣的含量均較高，具有防火及抗沖擊性能，可將高性能混凝土暴露于火中。但隨著火勢(shì)的持續(xù)發(fā)展，高性能混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)始退化，出現(xiàn)嚴(yán)重的異常狀況，為規(guī)避此問(wèn)題，可向高性能混凝土中摻入適量纖維原材料，以提升抗沖擊性能，保證高性能混凝土長(zhǎng)期暴露于火中仍具有穩(wěn)定性[6]。

3 土木建筑中高性能混凝土的配合比優(yōu)化

3.1 表觀密度與石英砂級(jí)配

按如下公式計(jì)算，確定表觀密度。

式中：ρ為表觀密度，kg/m3；M0為試樣的烘干質(zhì)量，g；V1為水的原有體積，mL；V2為倒入試樣后的水和試樣的體積；?t為水溫對(duì)砂的表觀密度影響的修正系數(shù)。

為提升石英砂級(jí)配的合理性，組織實(shí)驗(yàn)：按不同比例混合2種石英砂，總重量為2kg；向1L的正方體容器中倒入混合后的石英砂，材料的倒入分階段進(jìn)行，首先向容器中倒入1/2并振動(dòng)30s，使石英砂在容器緊密分布，隨后將剩余部分倒入并振動(dòng)30s；待石英砂均倒入完成后，刮平表面，稱重。以前述提及的方法進(jìn)行3次比例混合，確定石英砂的級(jí)配，即(16～26目)∶(26～40目)∶(40～70目)∶(70～120目)=0.55∶0.15∶0.22∶0.08。

3.2 鋼纖維摻量

為探討高性能混凝土在不同鋼纖維摻量下的性能表現(xiàn),按0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%控制鋼纖維摻量，分別從擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度三方面進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如表3所示。

表3 不同鋼纖維摻量對(duì)高性能混凝土性能的影響

根據(jù)表3可知高性能混凝土的拓展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的改變而發(fā)生變化，隨著鋼纖維摻量的增加，基體間的相互作用增強(qiáng)，性能提升。

3.3 水膠比

水膠比對(duì)高性能混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，具體可通過(guò)摻入高效減水劑的方式予以調(diào)節(jié)，在高性能混凝土滿足工作要求的前提下，若水膠比低且振搗密實(shí)，混凝土的強(qiáng)度將有所提高。

探討高性能混凝土擴(kuò)展度受水膠比的影響：試驗(yàn)結(jié)果顯示，水膠比由0.14增加至0.19時(shí)，擴(kuò)展度由487.5mm增至760.5mm，提升約56%；在高性能混凝土的拌和中，由于水膠比的提高，拌和用水量增加，顆粒間充斥豐富的水分子，大量水的存在提升顆粒的流動(dòng)性；若水膠比超過(guò)0.19，混合料具有過(guò)強(qiáng)的流動(dòng)性，性能減弱。

探討7d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度受水膠比的影響：試驗(yàn)結(jié)果顯示，水膠比由0.14增加至0.19時(shí)，7d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均呈降低的變化趨勢(shì)，前者由128.43MPa降至113.66MPa，后者由26.65MPa降至17.14MPa，降幅分別為11.5%、35.68%。在水膠比較高的條件下，活性粉末水化結(jié)束后孔隙中仍有較多的水分，后續(xù)此部分水開(kāi)始蒸發(fā)，基體中預(yù)留豐富的空隙，混合料對(duì)外力的承受能力減弱，對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)強(qiáng)度則具有降低的變化。

3.4 砂膠比

考慮1.0、1.1、1.2、1.4、1.6的砂膠比，從擴(kuò)展度、7d的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度三方面分析砂膠比對(duì)高性能混凝土材料性能的影響，性能檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 不同砂膠比對(duì)高性能混凝土材料性能的影響

高性能混凝土的流動(dòng)性由于砂膠比的增加而降低，砂膠比由1.0增至1.6時(shí)，擴(kuò)展度由750降至230，且每立方米混合料中水的摻量隨著砂膠比的增加而減小，而石英石顆粒呈多面體形狀，也會(huì)對(duì)高性能混凝土的流動(dòng)性產(chǎn)生影響，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，流動(dòng)性受阻現(xiàn)象將隨著石英砂含量的增加而變得愈發(fā)明顯。高性能混凝土的流動(dòng)性在砂膠比為1.6時(shí)基本喪失，由于混合料無(wú)法正常流動(dòng)，澆筑難度增加，澆筑效果變差。高性能混凝土的7d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨著砂漿比的增加而呈現(xiàn)出先增、后降的階段性變化，力學(xué)性能在砂膠比為1.2時(shí)最佳，對(duì)應(yīng)7d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為128.76MPa、28.69MPa。為確定合適的砂膠比和水膠比組合方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)砂膠比取1.1、1.2，同時(shí)考慮各自與不同水膠比的組合方式，在此前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如表5所示。

表5 不同砂膠比對(duì)擴(kuò)展度、抗壓抗折強(qiáng)度的影響

經(jīng)過(guò)對(duì)擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的綜合分析后，確定最為合適的砂膠比和水膠比組合方式，即按照1.1的砂膠比和0.17的水膠比拌和時(shí)，高性能混凝土的擴(kuò)展度良好，且具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，因此將其作為配合比基準(zhǔn)較為合適。

4 不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)高性能混凝土材料性能的影響

實(shí)驗(yàn)中，基準(zhǔn)配合比為砂膠比1.1、水膠比0.17，測(cè)試活動(dòng)在高性能混凝土齡期達(dá)到3d、7d、28d、180d時(shí)分別進(jìn)行。養(yǎng)護(hù)方式，如下：1)干燥常溫養(yǎng)護(hù)：高性能混凝土澆筑入模后，露天置于空氣中24h；達(dá)到時(shí)間后拆除，繼續(xù)露天養(yǎng)護(hù)，在指定齡期進(jìn)行測(cè)試；2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：用塑料薄膜覆蓋試件24h，隨后置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在指定齡期進(jìn)行測(cè)試；3)熱水養(yǎng)護(hù)：用塑料薄膜覆蓋試件24h，隨后拆模，轉(zhuǎn)入90℃的恒溫水浴箱內(nèi)，在指定齡期進(jìn)行測(cè)試；4)蒸汽養(yǎng)護(hù)：用塑料薄膜覆蓋試件24h，隨后拆模，轉(zhuǎn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，在指定齡期進(jìn)行測(cè)試。

4.1 力學(xué)性能分析

在養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，蒸汽養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度最高，具體關(guān)系為：蒸汽養(yǎng)護(hù)>熱水養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)>干燥常溫養(yǎng)護(hù)。相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度，蒸汽養(yǎng)護(hù)、熱水養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)在齡期為3d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別提高99.77%、72.93%、-15.09%,150d時(shí)分別提高12.00%、9.22%、-11.83%,相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度,3d時(shí)分別提高99.74%、74.64%,-15.09%,150d時(shí)分別提高16.31%、14.89%、-10.88%。

對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)方式下的3d齡期抗壓抗折強(qiáng)度發(fā)展速度，具有蒸汽養(yǎng)護(hù)和熱水養(yǎng)護(hù)增速快、干燥常溫養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)增速慢的特點(diǎn)，原因在于活性粉末材料在高溫環(huán)境中快速反應(yīng)，同時(shí)高溫推動(dòng)火山灰效應(yīng)的快速進(jìn)行，高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，空隙被大量的膠凝材料填充，骨料間的粘結(jié)力增強(qiáng)。齡期為8～28d時(shí)，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度雖然有所增長(zhǎng)但速度放緩，齡期為28～150d時(shí)進(jìn)一步放緩，此變化規(guī)律的出現(xiàn)與水泥材料的特性有關(guān)，本次實(shí)驗(yàn)采用的是普通硅酸鹽525水泥，其具有偏早強(qiáng)的活性，因此在養(yǎng)護(hù)前期已經(jīng)完成絕大部分反應(yīng)，后期的反應(yīng)減弱。

4.2 收縮性能分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

試件采用棱柱體試件,尺寸為100×100×515mm,檢測(cè)儀器為混凝土臥式收縮儀。實(shí)驗(yàn)方法為：高性能混凝土試件成型1d后脫模，擦拭表面以清理雜物；反復(fù)進(jìn)行3次試件長(zhǎng)度的測(cè)量，求取平均值；將試件置于干燥養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，于溫度20℃±2℃、相對(duì)濕度60%±5%的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間每日讀取千分表示數(shù)，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行完整的記錄，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高性能混凝土在不同養(yǎng)護(hù)方式下的收縮性能分析。

實(shí)驗(yàn)采取的養(yǎng)護(hù)方式，如下：1)干燥養(yǎng)護(hù)(GZ)：試件1d齡期后拆模，干燥養(yǎng)護(hù)，檢測(cè)收縮值；2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(BZ)：用塑料膜包裹試件，試件1d齡期后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，檢測(cè)收縮值；3)蒸汽養(yǎng)護(hù)(ZQ)：用塑料膜包裹試件，1d齡期后拆模，蒸汽養(yǎng)護(hù)3d并檢測(cè)收縮值；隨后，轉(zhuǎn)至干燥養(yǎng)護(hù)室，在此期間必須謹(jǐn)慎操作，避免試件碰觸千分表；4)熱水養(yǎng)護(hù)(RS)：用塑料膜包裹試件，1d齡期后拆模，熱水養(yǎng)護(hù)3d并檢測(cè)收縮值；隨后，謹(jǐn)慎轉(zhuǎn)移至干燥養(yǎng)護(hù)室內(nèi)。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

四種養(yǎng)護(hù)方式下試件的收縮率，如圖1所示。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)方式的試件收縮率

根據(jù)圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)高性能混凝土試件的收縮速率緩慢下降，在試件養(yǎng)護(hù)齡期為3～28d時(shí)，總收縮率359×10-6；隨試件養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，28～180d總收縮率為122×10-6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和干燥養(yǎng)護(hù)兩種方式中，試件收縮主要集中在養(yǎng)護(hù)的前28d，養(yǎng)護(hù)后期雖然收縮但速率放緩，但需注意的是，后期的總收縮率也達(dá)到122×10-6，后期收縮現(xiàn)象仍不容忽視。究其原因，早期水化速度較快，基體中的水分在此過(guò)程中快速消耗，產(chǎn)生膠凝材料，混凝土表現(xiàn)出化學(xué)收縮現(xiàn)象；而隨著基體中水含量的減少，產(chǎn)生的膠凝材料形成包裹作用，產(chǎn)生類似于真空的負(fù)壓環(huán)境，受此影響，混凝土出現(xiàn)自收縮現(xiàn)象，而水化反應(yīng)在后期較為緩慢，因此雖然收縮但幅度較小。對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)方式的收縮率，具有干燥養(yǎng)護(hù)略高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的關(guān)系，關(guān)鍵原因在于養(yǎng)護(hù)環(huán)境的不同，即干燥養(yǎng)護(hù)試件被置于室外，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)試件處于95%濕度環(huán)境中，從而出現(xiàn)收縮率的差異。在養(yǎng)護(hù)前3d，熱水養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)的試件收縮率分別為599×10-6和648×10-6，對(duì)比分析兩種養(yǎng)護(hù)方式下的高性能混凝土收縮率可知，彼此存在較大的差異，在此基礎(chǔ)上對(duì)試件做干燥養(yǎng)護(hù)后，第180d齡期的收縮率分別達(dá)到705×10-6和732×10-6，各自養(yǎng)護(hù)前3d的收縮率分別占總收縮率的84.96%、88.52%，表明高溫養(yǎng)護(hù)條件下高性能混凝土的水化反應(yīng)較早地出現(xiàn)，同時(shí)此反應(yīng)將帶來(lái)活性粉末材料的二次水化，也正是基于此特性，高溫養(yǎng)護(hù)前3d時(shí)高性能混凝土存在劇烈的自收縮和化學(xué)收縮。以3～180d的養(yǎng)護(hù)齡期為例，熱水養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)在此階段的收縮率分別達(dá)到106×10-6和84×10-6，經(jīng)過(guò)與總收縮率的對(duì)比分析可知此階段的收縮率占比較小，試件后期收縮主要表現(xiàn)為干燥收縮，從這一規(guī)律來(lái)看，高性能混凝土在高溫養(yǎng)護(hù)條件下的收縮集中發(fā)生在高溫養(yǎng)護(hù)期間，較為有效地避免后期收縮現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

高性能混凝土在建筑工程中取得廣泛應(yīng)用，但原材料選擇、材料用量控制、養(yǎng)護(hù)方式等均會(huì)對(duì)高性能混凝土的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。例如，隨著配合比的變化，高性能混凝土的性能表現(xiàn)存在差異；而在改變養(yǎng)護(hù)方式后，混凝土的力學(xué)性能、收縮性能也不盡相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，蒸汽養(yǎng)護(hù)是高性能混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)最為合適的方法，其對(duì)高性能混凝土早期強(qiáng)度的提高有促進(jìn)作用，并控制高性能混凝土的收縮，以便混合料的有效成型，保證施工質(zhì)量。