超高強(qiáng)度混凝土材料的質(zhì)量控制技術(shù)

摘 要：超高強(qiáng)度混凝土是一種具有極高抗壓強(qiáng)度和耐久性的先進(jìn)建筑材料，它的廣泛應(yīng)用可以提高建筑物的結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能。由于其特殊的性質(zhì)和復(fù)雜的制備過程，質(zhì)量控制成為保證超高強(qiáng)度混凝土材料性能和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；诖?，本文對(duì)超高強(qiáng)度混凝土材料的質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行了研究和探討，以供業(yè)內(nèi)相關(guān)人士借鑒及參考。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度；混凝土材料；質(zhì)量控制；技術(shù)

1 引 言

超高強(qiáng)度混凝土作為一種新型的建筑材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、建筑等工程領(lǐng)域。但是因其特殊的配合比和施工工藝要求，其質(zhì)量控制成為實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2超高強(qiáng)度混凝土材料基本特性

超高強(qiáng)混凝土（UHPC）作為一種新型建材，其組成與制備方法獨(dú)特，其主要特點(diǎn)為：①高強(qiáng)度：其抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa，遠(yuǎn)高于普通混凝土。由于其較高的強(qiáng)度，可使UHPC在較高的載荷及應(yīng)力下，具有更好的力學(xué)特性。②優(yōu)良的耐久性：UHPC具備優(yōu)良的耐久性，可抵御氯離子腐蝕、碳化和凍融等惡劣環(huán)境因素的侵蝕，在海洋、橋梁和隧道等苛刻條件下的工程應(yīng)用前景廣闊。③抗裂性能好：UHPC收縮小，韌性高，能有效地防止裂縫的產(chǎn)生，被廣泛應(yīng)用于對(duì)耐久性和防水性有較高要求的建筑中。④微細(xì)化：使用微細(xì)粒子填充材料，并添加特定助劑，可提高材料的組織密度，降低孔洞、缺陷等。

3超高強(qiáng)度混凝土材料的應(yīng)用領(lǐng)域

超高強(qiáng)度混凝土具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括以下幾個(gè)方面，一是橋梁工程。UHPC在橋梁構(gòu)件中的應(yīng)用越來越廣泛，如梁、墩、連續(xù)梁等。其高強(qiáng)度和耐久性能使得橋梁更加堅(jiān)固和耐久，能夠滿足大跨度、高要求的橋梁設(shè)計(jì)需求。二是隧道工程。由于UHPC具有出色的耐久性和抗裂性，因此在隧道襯砌、隧道門洞等部位的使用逐漸增多。UHPC可以有效抵抗地下水壓力、化學(xué)侵蝕和凍融循環(huán)等因素的影響。三是建筑工程。UHPC可用于建筑結(jié)構(gòu)中的柱、梁、板等部位，提供更高的承載能力和抗震性能。同時(shí)，UHPC還可以用于制作精密構(gòu)件和裝飾品，如雕塑、立面板等。四是其他工程領(lǐng)域。UHPC還可以應(yīng)用于海洋工程、核電站、風(fēng)力發(fā)電塔等領(lǐng)域，滿足對(duì)材料強(qiáng)度和耐久性要求較高的特殊工程需求。

4超高強(qiáng)度混凝土材料質(zhì)量控制技術(shù)要點(diǎn)

4.1原材料的選擇

4.1.1水泥

常用的水泥類型包括硅酸鹽水泥（OPC）、粉煤灰水泥（PFA）和礦渣水泥（GGBS）。在選擇水泥時(shí)，需要考慮其化學(xué)成分、顆粒大小和活性等因素。合適的水泥應(yīng)具有高早期強(qiáng)度和較低的熱釋放，以滿足UHPC快速硬化和抗裂性能的要求。

4.1.2骨料

骨料是UHPC中的主要填料，常用的骨料包括細(xì)集料和粗集料。在選擇骨料時(shí)要考慮其顆粒形狀、顆粒分布、強(qiáng)度和吸水性等因素。合適的骨料應(yīng)具有均勻的顆粒分布、高強(qiáng)度和低吸水性，以提高UHPC的抗壓強(qiáng)度和耐久性。

4.1.3礦物摻合料

礦物摻合料是UHPC中常用的替代性材料，如硅灰、石英粉、礦渣粉等。礦物摻合料的選擇應(yīng)考慮其化學(xué)成分、顆粒大小和活性等因素。合適的礦物摻合料可以改善UHPC的流動(dòng)性、增加早期強(qiáng)度和改善耐久性。

4.2配合比設(shè)計(jì)

4.2.1水灰比

在配合比設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體應(yīng)用要求和材料特性確定合適的水灰比?；炷林饕慕M成部分是水泥、摻合料、砂子、碎石、水以及其他外加劑材料等，具體組分比例如表1所示。一般來說，較低的水灰比可以提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，但過低的水灰比可能導(dǎo)致混凝土難以施工和充實(shí)。

4.2.2 砂漿配合比

在UHPC的配合比設(shè)計(jì)中，需要考慮到材料的種類、粒徑分布和含量等因素。一般來說，UHPC需要采用較高的水泥用量和細(xì)顆粒砂子，以提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度。同時(shí)，還需要控制骨料的用量和粒徑分布，以保證混凝土的流動(dòng)性和抗裂性。

4.2.3添加劑的使用

常見的添加劑包括高效減水劑、粉煤灰、硅靈等。高效減水劑可以改善混凝土的流動(dòng)性和可加工性，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。粉煤灰可以部分替代水泥，降低成本并改善混凝土的耐久性。硅靈可以提高混凝土的抗裂性和耐久性。在使用添加劑時(shí)，需要根據(jù)具體材料特性和工程要求進(jìn)行合理選擇和控制。

4.3施工工藝控制

4.3.1攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)工藝的控制

當(dāng)混凝土參與到建設(shè)項(xiàng)目的具體施工中，必須全面而有效地振搗混凝土。在這個(gè)過程中要注意防止漏振和過振，因?yàn)榍罢邥?huì)使混凝土密實(shí)程度不夠，而且很容易在混凝土中產(chǎn)生孔洞，從而對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。在這種情況下，混凝土拌合物將發(fā)生下沉，從而影響混凝土的整體均勻性，進(jìn)而影響到整個(gè)施工過程的質(zhì)量。試件的養(yǎng)護(hù)是混凝土各項(xiàng)性能測(cè)試中的一個(gè)重要組成部分，若測(cè)試結(jié)果不夠準(zhǔn)確，將不能真正地反映出實(shí)際工作環(huán)境下混凝土的使用狀況，從而造成測(cè)試結(jié)果的可借鑒性不足。在養(yǎng)護(hù)方面，將混凝土試樣置于20℃，空氣濕度95%的環(huán)境中，對(duì)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)的溫度和濕度環(huán)境狀況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。如果有需要可以啟動(dòng)空調(diào)、除濕機(jī)等裝置，對(duì)其進(jìn)行環(huán)境調(diào)整，并在養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后及時(shí)將其移走。

4.3.2溫度、濕度和振動(dòng)等施工參數(shù)的控制

在投料前，需要確?；炷恋某跏紲囟确显O(shè)計(jì)要求?？梢酝ㄟ^調(diào)整原材料的溫度、水泥的儲(chǔ)存條件以及混凝土攪拌時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。澆筑過程中應(yīng)盡量避免混凝土溫度過高或過低。可以使用冷卻劑或加熱劑來調(diào)節(jié)混凝土的溫度，確保其在合適的范圍內(nèi)。在混凝土澆筑后，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)，以排除空氣孔隙和提高混凝土的密實(shí)性。需要控制振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間，以避免過度振動(dòng)導(dǎo)致混凝土分層或損壞。振動(dòng)力度的控制也是重要的，過大的振動(dòng)力度可能會(huì)引起混凝土的分離或產(chǎn)生裂縫。因此，需要根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)力度。在混凝土硬化過程中，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施，如噴水養(yǎng)護(hù)、覆蓋保溫等，以控制混凝土的溫度變化，促進(jìn)其正常的水化反應(yīng)。同時(shí)注重監(jiān)測(cè)混凝土的含水率，并進(jìn)行必要的調(diào)整。通過添加適量的水或使用減水劑來控制混凝土的流動(dòng)性和塑性。

4.4質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估

4.4.1抗壓強(qiáng)度測(cè)試

目前，混凝土強(qiáng)度測(cè)試以室內(nèi)試驗(yàn)為主，即先采用試模，然后將多組試件送入試驗(yàn)室，通過CHT4106型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)下壓，通過與之相匹配的傳感器采集其受力和變形等參數(shù)。然后在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中采用持續(xù)均勻的加載模式，將加載速率一直保持在0.3-0.35 MPa/s，同時(shí)對(duì)試樣的外觀進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)試樣的表面發(fā)生了顯著的變形時(shí)，再調(diào)節(jié)液壓油閥門，直到混凝土試樣徹底損壞為止。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010），將試件的破壞荷載、承壓面積等實(shí)測(cè)資料代入到該方程中，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度，并將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

4.4.2抗腐蝕性測(cè)試

通常采用擴(kuò)散系數(shù)法，即預(yù)先制備28天齡期的混凝土試樣，置于類似于施工場(chǎng)地的養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，也可以通過鉆孔取芯的方式，在混凝土構(gòu)件上鉆孔取多個(gè)芯樣。然后按照《混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定方法》（NTBUILD492），采用去離子水、Ca（OH）2和NaCl等原料配制成藥劑，將混凝土試樣置于非穩(wěn)定狀態(tài)下，排空空氣以形成真空，將試劑溶液引入到水池中，將正、負(fù)電極連接起來，啟動(dòng)電遷移實(shí)驗(yàn)。同時(shí)計(jì)算測(cè)試過程中的非穩(wěn)定離子擴(kuò)散系數(shù)，并以此為依據(jù)對(duì)混凝土的耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在混凝土中，不穩(wěn)定的氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)愈低，則其耐腐蝕性愈好。

4.4.3密度和孔隙率測(cè)試

一方面，超高強(qiáng)度混凝土的密度測(cè)試旨在確定其單位體積的質(zhì)量，通常以千克/立方米（kg/m3）為單位。常用的密度測(cè)試方法有水排除法和氣排除法。①排水法：將混凝土浸沒在水里，然后將空氣排出，測(cè)得混凝土的容積。首先，將一定重量的超高性能混凝土試件浸沒于水中，通過測(cè)定其隨水位的變化來確定其體積；在此基礎(chǔ)上，再由試件的重量、體積求出其密度。②空氣排除法：用氣體取代法測(cè)定混凝土體積。將一定重量的超高性能混凝土試件置于充滿壓縮空氣的容器內(nèi)，并將其內(nèi)部的孔隙充分充滿。然后對(duì)壓縮前、后的氣體容積進(jìn)行了測(cè)定，得到了樣品的容積。再由樣品的重量、體積求出其密度。另一方面，超高強(qiáng)度混凝土的孔隙率測(cè)試旨在評(píng)估其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的特征和質(zhì)量。常用的孔隙率測(cè)試方法有水飽和法和氣體置換法。①水飽和法：先將 UHPC試件浸入水中，待其充分吸水后，再將其撈出，除去其表面的水分。然后，把樣品放在一個(gè)真空箱內(nèi)，在一定的真空條件下測(cè)定樣品的質(zhì)量。通過對(duì)試件的重量、密度的分析，得到了試件的空隙率。②氣體取代法：用氣體取代法測(cè)定 UHPC試件在不同條件下的體積變化，從而得到材料的孔隙率。首先，把一定重量的樣品放在一個(gè)充滿了壓縮空氣的容器里，讓氣體充分地充滿樣品的孔。在此基礎(chǔ)上，對(duì)壓縮前、后的氣體容積進(jìn)行了測(cè)定，得到了樣品的容積。

綜合以上各方面，這里以超聲波檢測(cè)技術(shù)為例進(jìn)行UHPC質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的介紹，超聲無損檢測(cè)原理是基于超聲波在材料中傳遞、反射和干擾的物理原理，具體如圖1所示。

在對(duì)待檢測(cè)的混凝土構(gòu)件采用超聲波回彈的方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要提前準(zhǔn)備好超聲波回彈儀、檢測(cè)分析儀等簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)備，只有提前準(zhǔn)備好相關(guān)的儀器，才能更好地進(jìn)行檢測(cè)，得到更準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)框架尺寸，在待測(cè)混凝土部件上設(shè)置測(cè)試區(qū)域。試驗(yàn)區(qū)的數(shù)量至少應(yīng)為3個(gè)，當(dāng)混凝土構(gòu)件數(shù)量大時(shí)，試驗(yàn)區(qū)應(yīng)多于10個(gè)。設(shè)測(cè)范圍應(yīng)沿砼構(gòu)件澆注方向進(jìn)行，測(cè)區(qū)間距不得大于2m。在預(yù)探測(cè)區(qū)域的設(shè)置時(shí)，要注意不能在混凝土中存在大量鋼筋和預(yù)埋件的地方，以防止上述因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，將測(cè)試面積設(shè)定為2dm×2dm。對(duì)設(shè)定的探測(cè)范圍做好記錄。在測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)間距不小于30mm，間距大于50mm，確保每一個(gè)測(cè)點(diǎn)僅跳動(dòng)一次。對(duì)這些測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，并標(biāo)注上了字母“R”。測(cè)量點(diǎn)應(yīng)設(shè)在檢測(cè)區(qū)內(nèi)，超聲流速取平均值。下面的表格為一項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用中的超聲波探傷資料。

5結(jié)語

超高強(qiáng)度混凝土材料的質(zhì)量控制技術(shù)是確保建筑物結(jié)構(gòu)安全和抗震性能的關(guān)鍵，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及建筑業(yè)對(duì)高性能材料的要求越來越高，其質(zhì)量控制技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。展望今后，隨著工程質(zhì)量管理手段與工藝的不斷完善， UHPC必將在更廣泛的領(lǐng)域中推廣使用，推動(dòng)建筑業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉妍. 考慮水化影響的超高性能混凝土強(qiáng)度模型研究[D]. 重慶交通大學(xué)， 2023.

[2]賀文杰. 超高性能混凝土制備方法與材料性能研究[D]. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2019.

[3]仵鵬濤. 三向應(yīng)力狀態(tài)下超高性能混凝土材料靜態(tài)力學(xué)性能研究[D]. 天津大學(xué)， 2019.

[4]董浩， 周靖康， 李聰正， 劉晨曦， 盧小成. 超高層高強(qiáng)度山砂混凝土材料控制和配制全過程施工技術(shù) [J]. 施工技術(shù)， 2018， 47 （S4）： 295-301.