2019年巖土工程師專業(yè)知識講義：高強混凝土

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1、高強混凝土的優(yōu)越性

在一般情況下，混凝土強度等級從C30提高到C60，對受壓構(gòu)件可節(jié)省混凝土30-40%;受彎構(gòu)件可節(jié)省混凝土10-20%.雖然高強混凝土比普通混凝土成本上要高一些，但由于減少了截面，結(jié)構(gòu)自重減輕，這對自重占荷載主要部分的建筑物具有特別重要意義。再者，由于梁柱截面縮小，不但在建筑上改變了肥梁胖柱的不美觀的問題，而且可增加使用面積。以深圳賢成大廈為例，該建筑原設(shè)計用C40級混凝土，改用C60級混凝土后，其底層面積可增大1060平方米，經(jīng)濟效益十分顯著。由于高強混凝土的密實性能好，抗?jié)B、抗凍性能均優(yōu)于普通混凝土。因此，國外高強混凝土除高層和大跨度工程外，還大量用于海洋和港口工程，它們耐海水侵蝕和海浪沖刷的能力大大優(yōu)于普通混凝土，可以提高工程使用壽命。高強混凝土變形小，從而使構(gòu)件的剛度得以提高，大大改善了建筑物的變形性能。

2、高強混凝土施工技術(shù)

現(xiàn)代高強混凝土在施工中要解決下列技術(shù)問題：1.低水灰比，大坍落度2.坍落度損失問題3.混凝土可泵性問題

1)低水灰比，大坍落度

高強混凝土一般要求低水灰比，這種低水灰比的混凝土早在60年代末，我國就有過研究與應(yīng)用，但由于混凝土在低水灰比的情況下，坍落度很小，甚至沒有坍落度，其成型和搗實都很困難，無法在現(xiàn)澆混凝土施工中應(yīng)用。

2.)坍落度損失問題

現(xiàn)代城市混凝土施工，一般采用預(yù)攪或商品混凝土。施工工地往往與攪拌站相距很遠，要把混凝土從攪拌站運到工地需用較長的時間?；炷猎谶\輸?shù)倪^程中，其坍落度隨時間的增加而減小，這對高強混凝土來說無疑又增加了難度。

3.)混凝土可泵性問題

泵送混凝土幾乎是高層建筑施工的唯一方法。所以高強和泵送幾乎是不可分割的。所以對高強混凝土要解決混凝土可泵送的要求。

3、解決方法對策

1)對原材料的選擇

配置C60級高強混凝土，不需要用特殊的材料，但必須對本地區(qū)所能得到的所有原材料進行優(yōu)選，它們除了要有比較好的性能指標外，還必須質(zhì)量穩(wěn)定，即在施工期內(nèi)主要性能不能有太大的變化。

2)工時的質(zhì)量控制和管理

一般來說，在試驗室配置符合要求的高強混凝土相對比較容易，但是要在整個施工過程中，混凝土都要穩(wěn)定在要求的質(zhì)量水平功能上就比較困難了。一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比的情況下會變得相當(dāng)敏感，而對高強混凝土，設(shè)計時所留的強度富余度又不可能太大，可供調(diào)節(jié)的余量較小，這就要求在整個施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據(jù)這些變化隨時調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。對于高強混凝土，一般檢測技術(shù)如回彈、超聲等在強度大于 50MPa后已不能采用。唯一能進行檢測的鉆心取樣法來檢驗高強混凝土也有一定的困難(主要是研究資料較少和標準不完善)。這說明加強現(xiàn)場施工質(zhì)量控制和管理的必要性。

3)超細活性摻合料的應(yīng)用

對于強度等級為C80或更高的混凝土需要采取一些特殊的技術(shù)措施-摻入超細活性摻合料?；炷翉姸冗_到一定極限后就不可能再增加了，因為混凝土強度在水化時不可避免地會在其內(nèi)部形成一些細微的毛細孔。如果要使其強度進一步提高，就必須采取措施把這些孔隙填滿，進一步增加混凝土的密實性。最常用的方法是用極細(微米級)的活性顆粒摻入混凝土，使它們在水漿中的細微孔隙中水化，減少和填充混凝土中的毛細孔，達到增密和增強的作用。但是這些極細的顆粒需水量很大，就需要大量高效減水劑加以塑化，否則難以施工。再者，超細活性顆粒在混凝土攪拌時，到處飛揚，很難加入混凝土中，故必須對超細活性顆粒進行增密處理后才能使用。

4、高強混凝土在性能上尚存在的問題及其改善的途徑

配制高強混凝土的特點是低水膠比并摻有足夠數(shù)量的礦物細摻合料和高效減水劑，從而使混凝土具有綜合的優(yōu)異的技術(shù)特性，但由此也產(chǎn)生了兩個值得重視的性能缺陷：(1)自干燥引起的自收縮;(2)脆性

1)自干燥引起的自收縮

近年來，國外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強混凝土存在早期收縮開裂的問題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當(dāng)活性的礦物細摻合料的混凝土中會產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。有關(guān)文獻資料表明：水膠比低于0.3的混凝土，其自收縮值可高達 200～400×10-6.免振自密實混凝土由于含有較多的粉料量，當(dāng)粉量達500kg/m3，其自收縮值可達100～400×10-6.而摻有大量磨細礦渣的大體積混凝土，其自收縮值也可達100×10-6.混凝土產(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對濕度的影響而引起的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微細孔內(nèi)自由水量的不足，使混凝土內(nèi)部供水不足，內(nèi)部相對濕度自發(fā)地減小而引起自干燥，并導(dǎo)致了混凝土的收縮變形，故稱之為自收縮。

高強混凝土的配制，正因為是低水灰比或水膠比并摻有較大量的活性礦物細摻合料，因此，其早期的收縮開裂十分敏感。在混凝土內(nèi)部水量較少的情況下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛細管中的水也被逐步吸收減少，在沒有剩余自由水的情況下，就形成了空的孔隙，使水泥石的內(nèi)部不再存在未結(jié)合水的平衡。因此，水泥石內(nèi)部的相對濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時也是難以有水分滲濾的封閉狀態(tài)中的粘彈性固態(tài)的膠凝材料系統(tǒng)中，由于水泥石內(nèi)部相對濕度的降低而使孔中存在一定的氣相，孔中水飽和蒸汽壓隨之而降低，毛細管中水呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)。此狀況在長期處于封閉狀態(tài)的情況下，隨著水泥水化反應(yīng)的進行越演越烈，其結(jié)果導(dǎo)致了毛細管中的液面形成變月面，使毛細管壓升高而產(chǎn)生毛細管應(yīng)力，使水泥石受負壓作用，成為凝結(jié)硬化混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素。

此外，較大量的活性礦物細摻合料的摻入，也會使混凝土產(chǎn)生自收縮，特別是硅灰的摻入。其原因主要是由于硅灰具有較高的火山灰活性，而增加了化學(xué)減縮。在水泥水化初期生成較高含量的凝膠孔的孔結(jié)構(gòu)體系的水泥石也會產(chǎn)生高度的自干燥而引起較嚴重的自收縮。再者，由于硅灰的表面積較大、活性強，會導(dǎo)致灰與攪拌水很快結(jié)合，加速了水泥石中孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對濕度的降低而增大了自干燥。

混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。當(dāng)混凝土由流態(tài)轉(zhuǎn)向粘彈性固態(tài)時，尤以初凝到1d齡期時為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時的自收縮愈大。

自收縮對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴展造成的損傷是一個值得重視的問題。由于硬化后高強混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時，也阻礙了外部養(yǎng)護水對混凝土的濕養(yǎng)護作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑;以部分粉煤灰等量取代水泥;配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時，盡快地立即進行水霧養(yǎng)護，對減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。

另一技術(shù)措施是在混凝土中加入部分含水飽和的輕集料替代普通集料，含水飽和輕集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土內(nèi)部供水起內(nèi)養(yǎng)護作用。但此方法需根據(jù)混凝土強度要求而采用。

2)脆性

脆性可以描述為混凝土無法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴展與增長。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應(yīng)力——應(yīng)變曲線中，峰值后下降曲線段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗已表明，混凝土的強度愈高，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線過峰值后的下降段曲線愈陡斜。這意味著該混凝土的脆性愈大。因此，高強混凝土的脆性已引起廣泛的重視，混凝土脆性的增大會給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來很大的危害。在高強混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國外已有學(xué)者提出纖維增強高性能混凝土，而且將之與纖維增強傳統(tǒng)混凝土和基材(未摻纖維的傳統(tǒng)混凝土)進行拉伸應(yīng)力——應(yīng)變的對比。纖維增強傳統(tǒng)混凝土比無纖維增強的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強高強混凝土與無纖維增強的基材相比，在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線中有三個特征是值得重視的：

(1)彈性極限顯著提高了。強性極限反映宏觀裂縫出現(xiàn)的起點。

(2)呈現(xiàn)出有一明顯的應(yīng)變強化段。應(yīng)變強化段是反映宏觀裂縫出現(xiàn)后，裂縫分散數(shù)量的增加，但這些裂縫的寬度很小。

(3)峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段。應(yīng)變軟化段反映了裂縫數(shù)量雖保持不變，但裂縫寬度增大了，最后導(dǎo)致纖維被拔出或斷裂而破壞。因此，纖維增強高強混凝土不僅大大提高了拉伸應(yīng)力而且顯著改善了高強混凝土的脆性。

對于纖維品種的選用，試驗表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對改善高強混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

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