普通混凝土高性能化探究和应用

1、普通混凝土高性能化探究和应用【摘要】介绍了普通混凝土高性能化的措施及设计方 法，通过实验的方式分析了影响混凝土强度的因素。【关键词】混凝土；高性能化；强度1混凝土高性能化在泵送混凝土得到广泛应用、对混凝土的强度等级要求 日益提高的背景下，人们对混凝土施工性能、早期的非荷载 裂缝、耐久性方面给予广泛的关注。工程中大量应用的是c50 以下强度等级的混凝土（以下称为“普通混凝土”），在材 料使用、施工性能和耐久性方面存在明显的缺陷。混凝土的性能主要取决于水泥浆的数量和质量以及混 凝土内部结构状态。普通混凝土通过对原材料的优选、配合 比优化、生产过程的有效控制，可使生产出的混凝土拌合物 具有良好的施工

2、性能，硬化混凝土的结构改善，其力学性能、 抗渗等级、耐久性等指标相对提髙。这种改善普通混凝土的 内部结构，提高混凝土性能、延长混凝土使用寿命的方法， 称为'普通混凝土高性能化”。混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用新型高效 减水剂和矿物质超细務。前者能降低混凝土的水灰比、增大 坍落度和控制坍落度损失，即赋予混凝土高的密实度和优异 的施工性能；后者填充水泥硬化体的空隙，参与二次水化反 应，提高混凝土的密实度，改善混凝土的界面结构，提高混 凝土的耐久性与强度。高性能化的普通混凝土具有较大的坍落度和较小的坍 落度经时损失(一般情况下坍落度控制在180200mm, 90min 坍落度基本无损

3、失)、适宜的粘度、较大的流动性、优良的 稳定性和均匀性、适宜的凝结时间等施工性能；在水泥用量 减少的情况下，可以配制出强度相对较高的混凝土，特别是 耐久性较普通混凝土大大提髙。因此，要实现混凝土的高性能化、高耐久性，必须从实 际需要出发，根据工程所处环境设计使用合适的原材料，按 耐久性指标设计出合理的高性能混凝土。1. 1混凝土的耐久性混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环 境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全 性、正常使用和可接受的外观能力。现行国家标准混凝土结构设计规范(gb50010-2002) 中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现 行设计规范只划

4、分成两个极限状态，即承载能力极限状态和 正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列入正常使用极限 状态之中。且以构造要求为主。混凝土的耐久性与工程的使 用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一 正常功能不仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性 上。1.2提高混凝土耐久性的措施1.2. 1预防钢筋的锈蚀。因混凝土钢筋锈蚀而产生的破 坏，是钢筋混凝土耐久性不良最多的表现形式。钢筋锈蚀主 要有两个原因：一是混凝土碳化，当二氧化碳和水汽从混凝 土表面通过孔隙进入混凝土内部时，使钢筋混凝土结构保护 层的碱度降低，当碳化达到钢筋表面时，使钢筋表面与混凝 土粘结生成的氧化铁薄膜（钢筋钝化膜）破坏

5、，生成锈蚀； 二是混凝土中氯离子的侵蚀作用，当氯离子渗入到钢筋表面 吸附于局部钝化膜处时，钢筋表面的钝化膜被破坏，造成钢 筋锈蚀。常用的方法有采用环氧涂层钢筋，这种钢筋保护层 能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。此外，在混凝土表面涂层也 是简便有效的方法，但涂料应是耐碱、耐老化和与混凝土表 面有良好附着性的材料。还可掺加高效减水剂，在保证混凝 土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰 比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。 还可研究新技术，开发新产品，如耐锈钢筋、阻锈钢筋等。1.2.2避免或减轻碱一集料反应。碱一集料反应是混凝 土在配制时由原材料或外界环境中带入的碱性离子与活

6、性 矿物集料（活性二氧化硅等）在有水的条件下与二氧化硅反 应生成碱硅胶，碱硅胶有强烈的吸水膨胀能力，其形成和成 长常常造成混凝土内部的膨胀，这种膨胀所产生的内部应 力，使混凝土内部形成微裂缝，甚至造成混凝土的严重开裂。 所以为了避免碱一集料反应，混凝土配制时应采用非活性集 料，低碱水泥或控制混凝土中其他组分碱的引入，掺用粉煤 灰、矿渣、硅粉等掺和料以降低混凝土的碱性。1.2.3加强施工管理。严格控制施工配合比，搅拌必须 均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养 护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。1.2.4防止混凝土的冻融破坏。混凝土的抗冻性是指混 凝土在使用条件下经受多

7、次冻融循环之后不破坏，强度也不 明显降低的性能。厦门地区气温温暖，年温差、昼夜温差小, 混凝土结构设计一般不考虑混凝土的冻融破坏。1.2.5注意拌合及养护用水。混凝土拌合及养护用水， 应考虑其对混凝土强度的影响。拌合水应检查其杂质情况， 防止杂质影响混凝土耐久性。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯 化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响, 因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。1.2.6针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。 如一类环境（室内正常环境），设计使用年限为100年的结 构混凝土应符合下列规定（混凝土结构设计规范 gb50010-2002）：混凝土保护层厚度应按规

8、范的规定增加 40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可 适当减少。混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。 当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久 性。1.2.7对建造在海上建筑物，应考虑海水中氯离子对混 凝土扩散渗透的影响，如跨海大桥。因此，设计配合比要从 砂率，单掺和双掺矿物掺合料比例、水胶比、胶凝材料总量 考虑对氯离子渗透深度的影响。1.3混凝土耐久性设计的方法混凝土耐久性对原材料、混凝土配比的主要参数及引气 等有很高的要求，根据需要提出混凝土的氯离子扩散系数、 抗冻耐久性指数或抗冻等级等具体指标，尽可能降低混凝土 的拌和水量与水胶比并在混凝土组成中掺入适量的

9、矿物掺 和料、高效减水剂和引气剂。1.3. 1配制耐久高性能混凝土的一般途径：(1)选用低水化热和含碱量偏低的水泥、 尽可能避免使用早强水泥和高c3a含量的水泥；(2)选用坚 固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料；(3)使用优质粉 煤灰、矿渣等矿物掺和料或复合矿物和料；除特殊情况外， 矿物掺和料应用为耐久混凝土的必需组分；(4)使用优质的 引气剂，将适量引气作为配制耐久混凝土的常规手段；(5) 尽量降低拌和水量，为此，应外加高效减水剂或有高效减水 功能的复合外加剂；(6)限制单方混凝土胶凝材料的最高用 量，为此应特别重视混凝土骨料的级配以及粗骨料的粒形要 求；(7)尽可能减少混凝土胶凝材料中的

10、硅酸盐水泥用量;(8)配筋混凝土的最低强度等级、最大水胶比和单方混凝 土胶凝材料的最低用量应满足有关规定；(9)单方混凝土的 胶凝材料总量不宜高于400 (c30以下)、450 (c40-c50)和 500 (c60以上)kg/m3； (10)满足最大胶比限制和结构强度 设计所要求的混凝土最低强度的前提下，不宜追求混凝土的 高强；(11)大掺量矿物掺和料的混凝土水胶比不宜大于 0. 42； (12)环境作用等级为e或f的重要工程，混凝土的 拌和水用量应予限制，一般不宜高于150kg/m3； (13)硫酸 盐等化学腐蚀介质作用下的混凝土不宜单独使用硅酸盐水 泥或普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，当环境

11、作用等级为c或 c级以上时，应在硅酸盐水泥中加入大掺量的矿物掺和料。 对于硫酸盐环境需使用硅酸盐类的抗硫酸盐水或高抗硫酸 水泥，但也需掺有矿物掺和料。在极其严重的硫酸盐腐蚀环 境下则不能使用硅酸盐类水泥而应代以其他类型的水泥并 需通过试验验证；(14)硅酸盐或普通硅酸盐水泥也不能作 为单独的胶凝材料用来配制暴露于ph值小于5. 5的酸性环 境中的混凝土。此时，必须加入较大掺量的矿物掺和料。耐久高性能混凝土的最低强度等级、最大水胶比和胶凝 材料最小用量的设计规定，如表1中所示。耐久高性能混凝土在不同环境条件下的含气量指标应 如表2中规定。1. 3. 2耐久性混凝土的抗氯离子渗透指标氯盐环境下的钢

12、筋混凝土重要工程，宜在设计中提出混 凝土抗氯离子侵入性的指标，作为混凝土耐久性质量的一种 控制标准。具体指标如表3o氯盐环境下的配筋混凝土应采用较大掺量矿物掺和料 的低水胶比混凝土。单掺粉煤灰的掺量不宜小于25% （如有 抗冻要求时，粉煤灰掺量宜以30%为限），单掺磨细矿渣的掺 量不宜小于50%,且宜复合使用粉煤灰加硅灰、粉煤灰加矿 渣或两种以上的矿物掺合料。同时，应严格限制混凝土各种 材料（水泥、矿物掺合料、骨料、外加剂和拌和水等）中的 氯离子含量，尽量降低从原材料引入混凝土中的氯离子。新 拌混凝土不得超过胶凝材料重的0. 06%o本次试验主要研究矿物掺合料比例变化、大掺量矿物掺 合料对电通

13、量的影响，以及对后期强度的影响，本次试验前 期，统计了大量的关于电通量的试验数据，统计结论结合本 次试验结果，得出了很多规律性的结论。2. 试验统计2. 1统计讨论在大量的氯离子扩散系数试验中，不难发现影响扩散系 数的因素：水胶比、阻锈剂、单掺粉煤灰和大掺量矿物掺合 料。2. 1. 1水胶比（见表5）,它所对应的配合比如表6 （kg m-3)o从表5中可以看出，随着水胶比的减小，扩散系数也基 本成减小趋势，更多规律性的总结有待于以后大量的试验数 据。2. 1.2单掺粉煤灰（表7）o从表7可以只能简单的看出，本次试验粉煤灰掺量在小 于25%时，随着掺量增大，扩散系数减小，结论是否准确还 有进一步

14、验证。2. 1.3大掺量矿物掺合料（表8）,它所对应的配合比如 表9。从表8可以看出，随着矿物掺合料的增加，扩散系数逐 渐减小，因此建造跨海大桥都需要大掺量矿物掺合料。2.1.4在做过的氯离子电通量中，大掺量矿物掺合料影 响也比较大，随着矿物掺合料的增加，电通量逐渐减小，电 通量与扩散系数对比如表10,它所对应的配合比如表llo从表10可以看出，扩散系数与电通量基本呈正比关系。 在上表中做过的氯离子电通量试验中，龄期在56-80天中， 6h通过的电量都低于1000c,基本都在800c-900c之间，扩 散系数在（1.752. 12） x 10-12 m2/s之间，根据国外相关 资料判断，这一范

15、围混凝土的使用寿命预测在100年以上。2. 2本次试验配合比2. 2. 1矿物掺合料（k+f）比例在33%63%时，粉煤灰 与矿粉比例为2： 3时的配合比如表12。从表12可以看出矿物掺合料（k+f）比例在33%63% 时，随着比例增大，混凝土强度减小（如图1）。2.2.2矿物掺合料比例在33%43%时的配合比如表13。 从表13可以看出，矿物掺合料比例在33%,粉煤灰与矿 粉比例在2： 3 （f掺量占（k+f）比例为40%）左右时，混凝 土 28天强度最大。（如图2）从表13可以看出，矿物掺合料比例在43%,混凝土 28 天强度变化如图3。2. 2. 3矿物掺合料比例在53%63%时的配合比

16、如表14。从图4可以看出，矿物掺合料比例在53%时，28天强度 与f掺量占（k+f）比例关系。3. 结论（1）矿物掺合料（k+f） （f： k=2： 3）比例在33%63% 时，随着比例增大，混凝土强度减小。（2）矿物掺合料比例在33%,粉煤灰与矿粉比例在2：3左右时，混凝土 28天强度最大，矿物掺合料比例在43%-53% 时，随着f所占比例增加，强度有减小趋势。（3）降低水胶比、大掺量矿物掺合料是提高混凝土的 抗氯离子渗透性能的重要手段，随着矿物掺合料的增加，扩 散系数逐渐减小，随着水胶比的减小，扩散系数也基本成 减小趋势。（4）混凝土的高性能化需要对混凝土原材料及设计、 生产过程进行优化。参