关键词：高性能混凝土；矿物掺和料；砂率；配合比；设计
　　
　　1 前言
　　
　　现代社会对建筑物的使用功能和耐久性要求越来越高，高层建筑，大跨径桥梁，深海钻井平台，水下隧道等，这些工程对砼强度和耐久性提出了更高的要求，因此，高性能砼获得了广泛的应用。
　　
　　2 高性能混凝土（HPC）
　　
　　高性能混凝土（HPC）是指用常规的硅酸盐水泥、砂石等原材料，使用常规制作工艺，主要依靠高效水剂和活性掺合料配制的水泥混凝土；在抗压强度等级达到或超过C50 的混凝土的基础上，加上适量化学的、矿物的外加剂参与水泥的水化反应，从而改变其内部的结构，使混凝土具有低水灰比、低水泥含量、高流动度、高均匀性、易捣实、不离折、高强度、高韧性、长期耐久性和良好的力学性能，能保持体积稳定和严酷环境中使用寿命长的特性的混凝土。其主要有以下方面的性能：
　　
　　2.1 高工作度
　　
　　高性能混凝土拌和物具有大流动性，可泵性，不离折而且保塑时间可根据工程需要来调整，便于浇注密实。高性能混凝土能达到20cm±2cm 的坍落度。
　　
　　2.2 高强度
　　
　　高性能混凝土具有良好的物理性能，即有较高的强度和体积稳定性，混凝土的28 天抗压强度达到35MPa 以上，弹性模量达到30GPa 以上。混凝土凝结硬化过程中水化热低，内部缺陷少，硬化后体积稳定收缩变形小。
　　
　　2.3 高耐久性
　　
　　高性能混凝土具有上百年的使用寿命，结构密实，抗渗，抗冻，抗碳化耐久性高。基于良好性能，高性能混凝土越来越多地应用于建造大跨度桥梁、高层建筑海底隧道海上采油平台、污水管道等，为建造大型建筑物提供了可靠的技术保证。
　　
　　3 高性能混凝土配制的主要特点
　　
　　（1）选用需水性小、C₃A 含量要小于8%、优质的52.5 级水泥；
　　
　　（2）选用强度高、压碎值小、干净、等径方园5mm~20mm 连续级配的碎石；
　　
　　（3）选用细度模数M_X≥2.6，含泥量少的中砂；
　　
　　（4）掺入合适的矿物和化学外加剂，降低水灰比，提高骨灰比。通过以上选材和试验确定最佳配合比来达到配制高性能混凝土的要求。
　　
　　4 高性能混凝土配制的原材料
　　
　　4.1 水泥
　　
　　（1）根据砼配比公式：f_cu=Af_ce(c/w-B)[f_cu为砼设计强度，f_ce指水泥28 天抗压强度]，砼强度同水泥强度成正比。现有的生产技术条件，水泥标号均在52.5 级要提高到62.5 级、72.5 级是比较难，而且成本大，因此砼的高强化不能依赖于水泥的高强化，而只能采用需水性小、富余系数大的优质52.5 级水泥。
　　
　　（2）铝酸三钙3CaO·Al₂O₃，简称C₃A，一般硅酸盐水泥含量是在7%-15%，配制高性能砼C₃A 含量要小于8%，因为C₃A 易吸收超塑化剂，阻碍砼的塑化；而且水化过程中，水化最快见表1（水化过程可比拟为细菌一样繁殖，进入砼的空间），只有早期强度来得较快。C₃A 含量偏高，水化生成的晶体进入一部分空间，阻止了后期更加紧密的结晶，使后期强度增长缓慢。从表1 中可以看出，C₃A 含量多，对强度不利，发热量多，对砼容易产生早期裂纹。
　　
　　（3）碱含量要低。含量高、塑化程度就低，需水性就大。按当量计算Na₂O+0.658K₂O＜0.6%为佳，而且碱含量大，会生成碱硅酸盐凝胶，其与水接触，吸收水份膨胀而使砼产生破坏，影响砼的耐久性。
　　
　　（4）水泥中的石膏应以二水石膏为好（CaSO₄·2H₂O），因它溶解适中，而半水石膏（CaSO₄·1/2H₂O），溶化太快，不利于水化反应；CaSO₄ 基本不溶，也不适应。
　　
　　（5）从表1 可以看出普通砼C₃S 高易于凝固，早其强度高，而高性能砼C₃S 含量要求低些，C₂S 含量相对要求提高，使水化过程长，砼变得更加致密，后期强度增长较多。
　　

　　（6）水泥的细度：水泥的最佳颗粒组成为0μm ~10μm30% 左右，10μm~30μm40%左右，30μm~60μm25%左右，60μm＜5%。最好是球磨成圆状，易于流动，和易性好。

　　4.2 粗骨料
　　
　　混凝土试件抗压破坏的一般规律是低标号砼，沿骨料表面破开，而高性能砼试件是压碎骨料破坏，有爆裂现象。
　　
　　（1）选用高强度岩石破碎的碎石，压碎指标小（5~7 为佳），可选用火山岩类象玄武岩、辉石、大理石、花岗岩等，沉积岩类的白云质石灰岩。相同的配比，岩石抗压强度高，配出来的砼抗压强高可提高15%~25%。特别是低水灰比下，骨料强度对砼强度的影响特别明显。C35~C40 砼骨料岩石强度/砼设计强度＞1.8，C50~C60 砼骨料岩石强度/砼设计强度＞1.5 ，C60以上砼骨料岩石强度/砼设计强度＞1.2。
　　
　　（2）骨料的形状和粒径，5mm~20mm 连续级配的碎石配出的砼强度高（如配制C80 的高强度管桩砼，选用的粒径为5mm~20mm 的级配碎石），较大粒径的骨料难以配制出较高强度的混凝土，因较大粒径的骨料周围集聚水膜的倾向较大，靠近骨料附近的水泥浆的水灰比也比混凝土的平均水灰比略大，在这些部位，硬化水泥浆体的含气量较高，因而混凝土的强度偏低；另外骨料与水泥浆由于弹性模量的不同，其硬化收缩率不同，骨料越大，与水泥浆收缩率的差值越大，因而骨料周围必然形成较多的裂缝。骨料小，砼的脆性也降低，这对高性能砼是非常重要的。骨料粒径选用等径方圆较好，使砼具有高流动度、高均匀性、易捣实、不离折。
　　
　　（3）针片颗粒要少，针片颗粒含量（按质量计）≤0.5%；针片状颗粒是影响砼的流动度和易于破裂的重要指标，针片状颗粒易形成格架，阻碍了砼的流动，砼的流动性和粘聚性较差，这在检测坍落度过程中就可以明显的看出，含针片多的骨料砼检测坍落度用捣棒轻打维体，维体一般突然倒坍或崩裂，并发生离析现象，另外，针片状颗粒集中，砼强度就偏低，试压时，针状或片状颗料集中处破裂现象是比较明显的。
　　
　　（4）含泥、含粉量要少：含泥量（按质量计）≤0.5% ，泥块含量（按质量计）≤0.10%。碎石最好经过滚动的清洗设备，骨料干净，有粗糙的表面，增大了与水泥浆的粘结面积，使砼强度得以提高。含泥、含粉多骨料表面形成隔离层，使水泥浆与骨料的粘结性大大降低，水泥浆的包裹力、粘结力大打折扣，而且泥粉收缩性大，使骨料周围形成较多的裂缝，而使砼强度难以提高。
　　
　　（5）风化石指标0，有风化石就存在软弱点面，软弱面的存在导致了强度的降低和砼的碎裂加大。
　　
　　（6）吸水率（按质量计）≤2.0%；空隙率≤40%；坚固性≤5%。
　　
　　4.3 细骨料（砂）
　　
　　（1）用中砂、细度模数M_X≥2.6；
　　
　　（2）砂的含泥量要小，控制在0.5%~1.5%，泥质成分需水量大，加大水灰比，而且会呈致密的膜状包裹在骨料表面，导致水泥与骨料粘结力明显下降，下面两组配比有说明力（如表2 砂率、减水剂量均相同）

　　（3）选用较小的砂率，较大的砂率，砼硬化收缩时，增加了空隙和裂纹，使强度明显降低（砂率宜为28-34%）。其细骨料的品质指标见表3。

　　4.4 外加剂
　　
　　外加剂有矿物外加剂和化学外加剂，另外有纤维类掺合料。
　　
　　4.4.1 矿物外加剂
　　
　　矿物外加剂一般作为活性掺合料，并替代部分水泥含量，从而降低成本，保持低水灰比，防止水化热过高。
　　
　　（1）粉煤灰应用比较广泛。粉煤灰活性成分能够与水泥的水化产物氢氧化钙Ca(OH)₂ 进行二次水化反应，生成水化硅（铝）酸钙，使砼更致密、强度更高，选用优质粉煤灰烧失量小Si0₂，Al₂O₃ 含量高。其化学反应式：
　　
　　nSiO₂+nCa(OH)₂+mH₂O→x3CaO·2SiO₂·3H₂O
　　
　　Al₂O₃+3Ca(OH)₂+6H₂O→3CaO·Al₂0₂·6H₂O
　　
　　（2）沸石粉，主要矿物组成是SiO₂，另外有Al₂0₃，砼中引入沸石粉类胶凝物质是提高砼强度和耐久性的又一重要手段。沸石粉平均粒径小，有巨大的内外比表面积，使二次水化反应更强烈。
　　
　　（3）硅灰： 硅灰是冶炼硅铁的副产品，SiO₂ 含量高达95%，颗粒极细小，火山灰活性极高，硅灰如上述同氢氧化钙Ca(OH)₂ 反应外，还同水化产生的游离钙发生凝硬反应，反应式为：
　　
　　mSiO₂+nCa₂+xH₂O→nCaO·mSiO₂·xH₂O
　　
　　生成了非晶态水化硅酸钙，颗粒非常小，只有水分子的十分之一左右，这些颗粒容易渗透到水泥浆的毛细孔中，使砼更致密，强度高、防水性好。适宜掺量为8-15%。掺量高时，产生较大的内干燥收缩对砼不利。
　　
　　以上三种活性掺合料，由于颗粒极细小，需水量相对会增大，必须同高效减水剂配合使用，它们对砼的增强作用，在于活性成份参与二次水化反应，增加了水泥的水化程度，因此矿物外加剂对砼的增强作用不是增加水泥用量所能替代的。
　　
　　4.4.2 化学外加剂
　　
　　（1）萘系高效减水剂及其复合型
　　
　　高效减水剂主要作用是减水、降低水灰比，减水率在25-35%以上，如广东湛江外加剂的FDN，天津港湾工程研究所的TH 型等。
　　
　　（2）保塑剂和超塑化剂，改善砼的施工性能，使砼在低水灰比下有高流动度、高坍落度。
　　
　　（3）引气剂：有松香热聚物、烷基萘磺酸盐、脂肪醇类等，在应用外加剂拌制高强砼时必然要引入一定量的空气，引入空气周围的水膜由于表面张力的作用成球形，它在砼中似滚珠，适量的引气剂能够增加砼拌和物的流动性，减少用水量，提高砼抗渗性，减少离析泌水，提高抗冻性能，特别注意掺量。
　　
　　总之，在高性能混凝土配制时，化学外加剂应注意如下几个方面：
　　
　　（1）注意其掺量，按产品说明并做试验；
　　
　　（2）防止不均匀加剂，注意先后掺法；
　　
　　（3）防止离析，以免造成聚集，对钢筋、钢铰线造成腐蚀损坏；
　　
　　（4）考虑与水泥的相容性；
　　
　　（5）多种外加剂复合使用（先作必要的试验）
　　
　　4.4.3 纤维类
　　
　　加入钢纤维、聚丙烯纤维（PP）、玻璃纤维GlassFi-ber)、聚丙烯脯纤维等纤维类能明显提高砼强度，抗弯抗拉强度和抗弯韧性，使砼有较好的增韧效应和增强效应，也能使砼早期裂纹出现明显减少，使建筑物具有良好的抗震、防爆、耐久的功能。掺纤维类要注意砼的拌和时间适当延长，防止纤维的集聚造成不利影响。
　　
　　(1)钢纤维：增强效果明显，抗弯拉强度，抗劈裂强度明显增强，掺量为水泥量10%~15%，按体积掺率为0.6%~1.0%，采用强制性搅拌机，搅拌时间延长30 秒。
　　
　　(2)聚丙烯脯纤维：本身弹性模量高，抗拉强度高，耐光性极好，抗腐蚀性良好，具有良好增韧性应和一定的掺量效应，使砼具有较好的延展性，防止砼的脆性破坏，掺量按体积掺率为0.08%~0.17%。
　　
　　(3)聚丙烯纤维、玻璃纤维均有较好的增韧效应。
　　
　　5 原材料的品质要求
　　
　　在组成原材料方面，高性能混凝土与普通混凝土不同，主要表现在以下几个方面：
　　
　　(1)加入了一定的矿物质粉体。如硅灰、超细矿渣与超细粉煤灰等；
　　
　　(2)对外加剂提出更高的要求，要求外加剂有较高的减水率，还必须有一定的引气作用等；
　　
　　(3)对砂石、水泥等原材料品质要求更严格；
　　
　　因此，在配制高性能混凝土时，首要的工作是选择合理的原材料，要对各种原材料进行优选，选择满足要求的原材料。
　　
　　6 配比设计
　　
　　在高性能混凝土配合比的设计中，试配强度的确定试配标准保证率一般为95%。标准偏差用以下公式计算：
　　
　　S=3.2+0.025fcuk(fcuk 为设计强度)
　　
　　试配强度fcu=fcuk+1.95s
　　
　　在原材料的确定中，笔者根据多年的实践经验与书上的一些理论相结合，认为高性能混凝土配制三种材料如下：
　　
　　水泥：52.5 级，用量一般在300kg~500kg。
　　
　　碎石：5mm~20mm 连续级配花岗岩、白云质石灰岩等高强岩石料。
　　
　　砂：河砂，石英硅砂
　　
　　在配制的同时，应根据水胶化0.28~0.4 和设计坍落度确定用水量。硅灰一般为3%~4%，粉煤灰15%~25%，采用超量代替水泥的原则，替代系数0.735；超塑化剂为0.5%~2.5%；高效减少剂则为0.7%~1.2%。（以上材料的称量精度，集料土1%，水、水泥、掺合料和外加剂为土0.5%。）
　　
　　例如配制C80 预应力高强度桩砼，试配标准保证率95%，根据标准偏差用公式：
　　
　　S=3.2+0.025×80=5.2
　　
　　试配强度fu=80+1.95×5.2=90.1（MPa）
　　
　　在试配中，水泥为52.5 级，用量485kg/m³，碎石选用了5mm~20mm 连续级配花岗岩和石英硅砂，砂率32%。根据水胶化w/c=0.29 和设计坍落度为30mm³~50mm³ 确定用水量为168kg/m³，广东湛江FDN-2H 掺量为1.0%，一级粉煤灰130kg，水：水泥：粉煤灰：硅砂：碎石：外加剂配比为168：485：130：530：1144：4.85。经过7d 的试验以后，强度为81.5MPa、28d的强度后则为93MPa。按此配生产，砼和易性好、外观美观，强度大于设计强度。
　　
　　7 结语
　　
　　配制高性能砼，关键是选用优质的52.5 级水泥，加高效减水剂，掺入活性矿物成分，降低水灰比，低砂率、高骨灰比的原则，同时避免高温养护用低温湿养护，以促进水泥的水化。实践证明：混凝土中适量掺加硅灰粉煤灰等，能配制高强高性能混凝土，可大幅度提高混凝土的致密性和耐久性。具有良好的经济效益和社会效应，值得推广应用。
　　
　　参考文献
　　
　　1、欧阳东，混凝土六组份高性能混凝土设计应用强度公式的研究[A]，混凝土矿物减水剂的概念理论及应用[M]。
　　
　　2、GB175-2007，通用硅酸盐水泥标准[S]。

编辑：金哲