怎樣選擇高性能混凝土用料

楊 帆   門創(chuàng)國(guó)

(陜西省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院710082西安)

    高性能砼不僅是對(duì)傳統(tǒng)砼技術(shù)的重大突破，而且在節(jié)能、節(jié)料、工程經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)保護(hù)及環(huán)境等方面都具有重要意義。它是21世紀(jì)的砼，是近期砼技術(shù)的主要發(fā)展方向。

    在國(guó)外，從三個(gè)階段來定義高性能砼(簡(jiǎn)稱 HPC)，一是HPC不需要任何振搗就能充滿模板各個(gè)角落；二是HPC在早期階段，很少有原始缺陷，如由于水化熱、硬化和干縮形成的裂縫等；三是HPC在硬化階段，它應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和充分阻止像氧、氯離子和水之類的潛在變質(zhì)因素的移動(dòng)，尤其是在砼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。具備所有這些特性的HPC甚至在不良的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和施工條件下，也能增強(qiáng)砼結(jié)構(gòu)的可靠性。而在國(guó)內(nèi)，有關(guān)高性能砼的定義是：高性能砼是一種新型高技術(shù)砼，是在大幅度提高普通砼性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代化砼技術(shù)制作的砼，以耐久性作為設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。根據(jù)不同用途要求，在耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等重點(diǎn)性能方面給予積極有效的保證。各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的砼都可做到高性能。為此，高性能砼在配制上的特點(diǎn)是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水和骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效減水劑，減少水泥用量。為此，下面就其怎樣選擇高性能砼用料問題，談些看法，供參考。

    HPC的組成材料包括水泥、粗細(xì)骨料、多種礦物摻和料、水和超塑化劑，其組成和配比要比普通砼復(fù)雜，要求也高得多。

1、水泥和水泥用量

    配制HPC可以使用普通硅酸鹽水泥、早強(qiáng)硅酸鹽水泥、中熱水泥等，其水泥等級(jí)為42.5級(jí)或更高。水泥礦物組成中，C3A含量不應(yīng)超過8％，比表面積不宜太高，通常比表面積3200cm2/R。試驗(yàn)結(jié)果證明，C3A含量超過8％，水泥流動(dòng)度損失明顯，而堿含量及硫酸鹽含量高的水泥更嚴(yán)重。

    為了控制水泥水化放熱量以及提高體積穩(wěn)定性，配制HPC時(shí)膠凝材料(包括水泥和活性摻合物)總用量通常在300-550kg／m3范圍。這樣，在合適的配合比條件下，可以得到抗壓強(qiáng)度40-120MPa的砼。

2、礦物摻合料

    礦物摻合料主要是粉煤灰、礦渣、硅粉等。它們是輔助膠凝材料。

    HPC的高強(qiáng)度部分來源于其基材的密實(shí)，即使有一部分水泥被一種或多種輔助材料代替，這對(duì)砼的早期強(qiáng)度不會(huì)有副作用，另外，化學(xué)活性較低的輔助膠凝材料代替部分水泥，從控制水化放熱和流變性能的角度也是有益的。

    在HPC中，礦物摻合料的作用，首先是細(xì)顆粒礦物摻合料，尤其是火山灰礦物摻合料加入砼中可以明顯改善其流變性能，如粘聚性和穩(wěn)定性。由于截?cái)嗔怂�分迂移的通道，礦物摻合料通常能減小沁水和離析現(xiàn)象。而沁水和離析是引起砼微結(jié)構(gòu)不均勻性的主要原因，尤其是砼一基料的界面區(qū)。其二，通過延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間和降低砼塌落度損失速率，礦物摻合料能在一定程度上控制塌落度損失，有利于澆筑和振實(shí)。其三，活性較低(相對(duì)水泥而言)的細(xì)顆粒均勻分散到水泥漿里時(shí)，將成為大量水化物沉積的核心。這樣，摻礦物摻合料的水泥漿常由均勻分布的微孔的無定型(結(jié)晶程度差)的水化物組成。所以在強(qiáng)度和抗?jié)B性方面都優(yōu)于不摻礦物摻合料的水泥漿。

3、用水量

    HPC的關(guān)鍵技術(shù)之一是在拌合水大大減少的情況下，獲得大的流動(dòng)性，使硬化砼具有高強(qiáng)度和高密實(shí)性。因此，必須采用超塑化劑破壞水泥離子的絮凝結(jié)構(gòu)，使水泥離子分散。

    拌和水大大減少使水泥離子間距縮小，因此得到比普通砼密實(shí)得多的水泥石結(jié)構(gòu)。憑這種高密實(shí)度的結(jié)構(gòu)，水化物形成較多的化學(xué)鍵合就能獲得非常高的抗壓強(qiáng)度。由于游離水含量少，自干燥失水后使HPC水泥石具有非常低的孔隙率。

    在配制HPC時(shí)用水量可以以兩種形式表示，即水灰比和水膠比。后者在摻有摻合料時(shí)使用。HPC抗壓強(qiáng)度不僅取決于水灰比，而且取決于水泥石的密實(shí)度。換句話說，有兩個(gè)影響砼強(qiáng)度的因素：即水灰比和減小水化開始時(shí)粒子的間距。

4、骨料及其用量

    在配制HPC時(shí)，水泥漿與骨料的體積比為0.35：0.65。除此之外，骨料種類對(duì)砼的體積穩(wěn)定性也有顯著影響。例如，水泥漿與骨料的彈性模量或熱膨脹系數(shù)不相匹配，當(dāng)結(jié)構(gòu)暴露在溫度變化頻繁的環(huán)境中將會(huì)產(chǎn)生開裂。同樣，在一定的水泥漿／骨料比時(shí)，使用彈性模量低的骨料將會(huì)使砼的徐變?cè)龃蟆＞烷L(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性而言，通常認(rèn)為砼中骨料用石灰?guī)r的玄武巖比砂巖或河卵石好。在配合比相似時(shí)，用花崗巖和卵石骨料的砼比用輝綠巖或石灰?guī)r骨料的砼強(qiáng)度低的多。這是由于水泥石與骨料之間界面區(qū)的結(jié)構(gòu)和粘結(jié)強(qiáng)度的差異造成的。

    除骨料材質(zhì)外，使用級(jí)配良好、潔凈骨料(沒有泥土及軟弱顆粒)是必要的。作為細(xì)骨料(小于5mm)通常采用中高細(xì)度模數(shù)(2.5—3.0)的天然砂為好。在顆粒尺寸相同時(shí)，作為粗骨料以破碎的致密石灰石或深層的巖漿巖(如花崗巖、正長(zhǎng)石、閃長(zhǎng)石和輝綠巖)通常可以得到滿意的結(jié)果。

    粗骨料的最大粒徑，對(duì)HPC來說以10—15mm為最佳。超過25mm時(shí)，對(duì)砼的強(qiáng)度和抗?jié)B不利，由于 HPC的骨料一水泥石界面較強(qiáng)，骨料確實(shí)是砼強(qiáng)度的制約因素，而在普通砼中幾乎不考慮這個(gè)問題。若采用水泥熟料球作為人造骨料配制HPC，可以得到高強(qiáng)度和高彈性模量，其原因是產(chǎn)生致密和牢固的骨料一水泥界面區(qū)。

    根據(jù)骨料總體積(0.65m3)，如假定A等級(jí)的細(xì)粗骨料體積比為2：3，則得到細(xì)粗骨料體積分別為0.26m3和0.39m3。對(duì)于其他等級(jí)的砼(從B至E)，隨著強(qiáng)度的提高水泥用量增大，故可以假定細(xì)粗骨料的體積比相應(yīng)小一些。

5、外加劑

    配制HPC不可缺少的是超塑化劑，而普通減水劑達(dá)不到HPC減水率和提高工作度的要求。超塑化劑或高效減水劑是陰離子型高分子表面活性劑。通常是萘磺酸甲醛縮合物和三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物。這兩個(gè)系列的超塑化劑很難說哪個(gè)好一些。三聚氰胺系超塑化劑減水率略差一些，但塌落度損失快，緩凝比萘系小的多，更適合與引氣劑復(fù)合使用。

    超塑化劑的摻量為水泥重量的1％-2％，對(duì)于不同等級(jí)的砼，隨著強(qiáng)度的增高其摻量增大。因?yàn)榇嬖诔�塑化劑與水泥和摻合料之間的相容性問題，故外加劑的選擇應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

    超塑化劑對(duì)水泥漿有強(qiáng)烈的分散作用，但是這種作用持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)。因此用超塑化劑配制大流動(dòng)性砼存在塌落度隨時(shí)間損失問題。

    解決塌落度損失的方法之一是將超塑化劑與緩凝劑(或緩凝減水劑)組成復(fù)合外加劑。這樣配制的新拌砼流動(dòng)性能保持90-120min，完全能滿足砼攪拌運(yùn)輸、泵送、澆筑工藝過程的要求。

    緩凝劑的作用在于抑制水泥初期水化，延緩水化過程，使結(jié)合水減少，而滿足工藝要求的游離水增多，因此能達(dá)到控制砼塌落度損失的目的。通常緩凝劑的摻量為水泥重量的0.02％-0.1％。在HPC中緩凝劑的摻量應(yīng)控制在既能抑制初期水化，又不影響早期強(qiáng)度的范圍。從解決塌落度損失考慮，將超塑化劑與緩凝劑復(fù)合是能滿足施工要求的。但是，HPC要求新拌砼具有好的工作性，即包括：大流動(dòng)性、可泵性、均勻性、穩(wěn)定性，甚至包括不振搗自流平。由此可見，HPC對(duì)新拌砼的工作性要求是多方面的，幾乎完善無缺，因此，上述二元復(fù)合外加劑并不能滿足HPC的要求。

    增稠劑是一種能顯著增加水的粘度的物質(zhì)，它們是天然和合成的水溶性高分子化合物，如纖維素衍生物、聚丙烯酸納、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、藻朊酸納等。  例如，只要有3％的甲基纖維素就可以將水的粘度增加l萬倍。使用增粘劑的目的在于提高分散介質(zhì)的粘度，增加分散體系的穩(wěn)定性，減少分層和離析。

    無增稠劑的漿體，相對(duì)含較多的自由水，在正應(yīng)力的作用下，由于粒子間距減小，自由水被擠出，從而增加摩擦阻力。然而太多的增稠劑會(huì)制約漿體的變形性能，導(dǎo)致總抗剪力提高。適量的增稠劑雖使固體顆粒之間的摩擦阻力有些提高，但能有效的減小總抗剪力。可以認(rèn)為，增稠劑的最佳摻量是由作為固體的摩擦機(jī)理和作為粘性液體的抗剪機(jī)理的相互關(guān)系決定的。減小抗剪力不僅能得到好的變形能力，而且能提高抗離析性，這是由于隨正應(yīng)力的增加，抗剪力不變。

    膨脹劑。在HPC中摻膨脹劑的目的是提高體積穩(wěn)定性、密實(shí)性、抗?jié)B性、耐久性以及補(bǔ)償收縮，從而得到防滲抗裂砼、補(bǔ)償收縮砼。

    綜上所述，要配HPC砼考慮問題是多方面的，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，則應(yīng)結(jié)合工程要求，突出一二種性能即可。（本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)