高强及高性能混凝土的特征和研究现状

蒋银岚 胡智伟

高强混凝土(High-Strength Concrete,简称HSC)是仅以强度的大小来表征或确定。我国定义强度等级达到或超过C50时为高强混凝土。

高性能混凝土(High Performance Concrete,简称HPC)是一种体积稳定性好,具有高耐久性,高强度与高工作性能的混凝土。

1 力学性能

1.1 高强混凝土的力学性能

1)抗压强度、抗拉强度。有实验表明:高强混凝土的强度增长较快,一般3 d达到28 d强度的 60%以上,7 d达到85%左右。由图1可见,高强混凝土比普通混凝土早期强度增长更快,一方面是由于掺加高效减水剂所具有的分散作用有利于水泥水化反应的进行;另一方面是由于高效减水剂一般均具有早强的性能。抗拉强度随抗压强度的增长而提高,但是提高幅度比抗压强度小。

2)弹性模量。高强混凝土的弹性模量较高,按标准试验方法的试验结论知,高强混凝土的弹性模量随着强度的提高而有所增长,但是增长幅度小于强度增长幅度。现阶段我国对C50～C80的高强混凝土取弹性模量值在3.45×e4MPa～3.9×e4MPa之间,较国外高。

1.2 高性能混凝土的力学性能

1)抗压强度、抗拉强度。试件在最大湿度中养护一段时间后取出晾干比试件在最大湿度中连续养护的抗压强度大。即随着混凝土试件中含水量均匀的增加,试件的抗压强度会降低,反之,试件的抗压强度会增加。而且抗压强度随时间显著增长,见图2。并且,抗拉强度也会随着抗压强度的提高而提高。

2)弹性模量。混凝土的弹性模量与水泥胶体的性能,骨料的刚度,以及确定模量的方法等有着密切的关系。高性能混凝土基于附加粘结性材料的水泥,低水灰比和精选的骨料等,这些特性对弹性模量的影响是相当大的。

2 高强、高性能混凝土的抗渗性能

2.1 高强混凝土的抗渗性能

高强混凝土的渗透系数极低,因此有着很好的抗渗性。采用双掺硅灰和高效减水剂的方法,可以配制出强度较高、抗渗透性能极为优异的混凝土。

2.2 高性能混凝土的抗渗性能

实验中制作了三组试件。试验从水压为0.1 MPa开始,以后每隔8 h增加水压0.1 MPa,直至4.3 MPa,恒压8 h,无一试件透水,停止试验后劈开试件测定平均透水高度。基准混凝土透水高度为40.0 mm,而掺有硅灰或硅灰和磨细矿渣复合掺加的混凝土的透水高度仅为14.0 mm和12.5 mm,仅为基准混凝土的35%和31.0%,这表明掺入硅灰或硅灰和磨细矿渣复合掺加的高性能混凝土具有很好的抗渗性。

3 混凝土的裂缝

3.1 混凝土裂缝产生原因

1)混凝土的自身收缩和干燥收缩。混凝土自身收缩从混凝土的凝结开始,主要是混凝土凝结后的前几天。自身收缩是由于水泥水化造成的,水泥越细、水泥用量越大、环境条件越干燥,混凝土的自身收缩越大。混凝土的干燥收缩是混凝土凝结后在干燥的空气中,因混凝土由表及里持续失水而引起的,由于混凝土表面收缩大,内部收缩小,致使混凝土表面受拉,内部受压,当混凝土表面拉应力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土将产生裂缝。

2)混凝土的塑性收缩。混凝土的塑性收缩是混凝土浇灌后至凝结前产生的收缩。其主要原因也是混凝土表面水分的蒸发。骨料粒径越大,混凝土的塑性收缩将越大。

3)混凝土的温度收缩。由于高强、高性能混凝土水泥用量大,水化热高,混凝土内部温度将升高,由于构件非绝热状态,混凝土的温度将降低,混凝土温度收缩,当收缩产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土将开裂。

3.2 预防高强、高性能混凝土开裂的措施

1)严格选择原材料。2)通过反复试验,优化配合比。3)掺加一定量的粉煤灰、混凝土膨胀剂,以补偿收缩。4)夏季对骨料、水等进行降温措施,降低混凝土入模温度。5)对骨料在搅拌前浇水,使骨料饱水,有利于降低混凝土的自身收缩。6)混凝土浇筑后及时覆盖养护,尽量早拆模板,浇水养护,水温与混凝土表面温差不应大于15℃,混凝土表面始终湿润,降低塑性收缩和干燥收缩。7)加强混凝土的测温,及时采取保护措施,以利于混凝土的均匀降温。8)对混凝土板及时浇水并用薄膜覆盖。9)尽量避免直接使用钢模板。

4 混凝土的施工工艺

4.1 高强混凝土的施工工艺

1)快速施工。由于高强混凝土坍落度损失快,必须在尽可能短的时间内施工完毕,保证1 h内完成。2)密实性对混凝土的强度至关重要。在施工过程中为保证混凝土的密实性,要采用高频振捣器,根据结构截面尺寸分层浇筑,分层振捣。3)不同强度等级混凝土交汇处的施工宜先浇筑高强混凝土,然后再浇筑低等级混凝土,也可以同时浇筑。

4.2 高性能混凝土的施工工艺

1)高性能混凝土中由于掺加了粉煤灰和硅粉,和易性较好,不易产生离析的现象,同时由于混凝土中的各种成分之间粘结能力比普通混凝土增强,以及由于掺加了多种外掺料,在不同温度下混凝土的坍落度损失亦不同。因此混凝土浇筑时要根据现场施工温度选择适宜的混凝土坍落度,提供给拌合站进行调整。2)混凝土浇筑过程中,要按普通混凝土施工要求进行。因为高性能混凝土掺加了粉煤灰、硅粉,泌水率减小,不易出浆,故应加强表面混凝土的振捣工作。3)混凝土浇筑完毕后要立即进行收面。4)强度等级不相同的混凝土交汇处,应先浇筑等级高的混凝土,严禁低等级的混凝土流入高等级的混凝土中。

5 混凝土的应用和研究现状

5.1 混凝土的应用

高强混凝土是高层建筑底部柱子和剪力墙的理想材料,利用高强、高性能混凝土的高强、早强和高变形模量的特点,来减小高层建筑底层剪力墙、柱子的截面尺寸,增加建筑使用面积,扩大建筑物的柱网间距,改善建筑使用功能。

现代高强、高性能混凝土的应用已遍及桥梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各个土建工程领域。

5.2 混凝土的研究现状

5.2.1 高强混凝土的研究现状

高强混凝土最核心的技术是高强混凝土配制,因而也是高强混凝土技术发展的标志技术。国际上配制高强混凝土所采用的方法多种多样。

目前国际上配制高强混凝土所能达到最高技术水平:意大利学者采用“高硅水泥+玄武岩集料+富配比+低水灰比+最佳骨料级配+蒸压养护”的技术路线得到了抗压强度高达300 M Pa的超高强混凝土。挪威的OddE.Gjorv用高质量的陶瓷集料代替矿物集料,将混凝土的抗压强度由230 MPa提高到460 MPa。与国际技术水平相比,我国配制高强混凝土的技术落后于世界先进水平,尤其是高效减水剂技术至今未有重大突破。

5.2.2 高性能混凝土的研究现状

1)高性能混凝土的主要发展动向:超高强混凝土;绿色高性能混凝土;机敏型高性能混凝土;普通混凝土的高性能化。2)高性能混凝土的主要研究对象:高性能混凝土主要是由掺合料、减水剂和耐久性三方面的研究组成。

在混凝土中使用超细矿物掺合料必须加入减水剂。目前国内外常用的萘系、蜜胺系、木质素类减水剂都不同程度地存在较严重的坍落度损失问题。目前我国用于配制高性能混凝土的减水剂多为萘系高效减水剂与缓凝剂、引气剂复合的高性能减水剂,减水率偏低、混凝土流动性损失过快等现象较严重。

6 结语

以上简要介绍了高强混凝土与高性能混凝土在力学性能、抗渗性能、裂缝以及施工工艺等方面的特点,体现出了这两种混凝土之间的异同和各自的优缺点;同时,对这两种混凝土目前的应用和研究现状作了介绍。因此,可以预见:由于这两种混凝土在性能上的无比优异性,满足了现代建筑的需求,必定会得到更大范围的推广和应用,真正成为21世纪的混凝土。

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