高强与超高强混凝土配制技术

引言

　混凝土是人类最大宗的建筑结构材料，其发展可以划分为低强低耐久混凝土、高强混凝土和高性能混凝土三个阶段。从我国目前的生产力发展水平、混凝土配制技术、施工性能、设计和使用要求、施工机械及操作水平来看，目前正处于高强混凝土的配制和使用阶段，这一时期还将经历很长一段时间。因此，充分利用地方资源，研究优质实用的高强或超高强混凝土配制技术，全面提高混凝土的生产和使用水平，是建材行业可持续发展的必然举措。

　　1  研究、开发、应用高强与超高强混凝土的重大意义
    随着人类社会的发展和进步，人类有能力拓展生存的空间。目前，人们正在向高空、地底及海洋进军，现代建筑物越来越高层化、大跨化、轻量化；在海洋深处建造大型结构物，在海面上建造巨大的工作平台；越来越多的跨大江、深谷、海峡的大跨度桥梁和海底隧道在建造。所有这些，都要求混凝土的质量越来越高。因此，高强度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料发展的方向。
  　目前，一般认为C 50～C 90属高强混凝土范畴，C 100及以上强度等级是超高强混凝土。与普通混凝土相比，研究应用高强与超高强混凝土具有下列优越性：
   （1）有效地减轻结构自重。钢筋混凝土的最大缺点是自重大，在一般的建筑中，结构自重为有效荷载的8～10倍。当混凝土强度提高时，结构自重降低。一些世界著名的专家预言，80 %～90 %的钢结构工程可用预应力钢筋混凝土结构代替，当混凝土强度达到100 MPa时，可以设计成的预应力钢筋混凝土结构，应当与钢结构一样轻，因为这时二者的比强度（强度与质量的比值）大致相等。
   （2）大幅度提高混凝土的耐久性。高强与超高强混凝土由于强度的提高、内部孔结构的改善以及胶凝物质相组成的优化，其耐久性得到很大的改善。
   （3）节约材料和能源，降低建筑成本。
    可见，使用高强与超高强混凝土可以获得很好的技术经济效果。因此，研究开发高强与超高强混凝土具有重大的意义。

　　2  制备高强与超高强混凝土的技术途径
    众所周知，混凝土是一种典型的堆聚结构工程材料，具有大量的不同尺寸和开始的内部缺陷。由于混凝土的组分（水化新生物、未彻底水化的熟料颗粒、坚固的大小岩石集料）和结构元件（水泥石、砂浆组分、接触区）彼此在强度特性、变形特性和物理性能方面有明显的差异，混凝土的实际强度比理论强度材料弹性模量E低10-3个数量级，这是由于混凝土在受外部作用时应力状态很不一致，具有大量的应力集中现象所致。因此，研制高强与超高强混凝土，是建立在降低材料结构缺陷并提高其密度、增强组分的强度和形变性以及减少其内部应力集中基础之上的。曾经或正在研究的制备高强与超高强混凝土的技术路线有以下几条。
    2.1  干硬性高强与超高强混凝土
    这一路线是在发明高效减水剂之前，采用强制搅拌和冲压及振动轧压等成型手段获得。由于工作环境恶劣，主要在制品厂、轨枕生产厂、桥梁厂使用，可获得C 80～C 150范围的高强及超高强混凝土。
    2.2  高标号水泥+超细矿物掺合料+高效减水剂
    这一路线是目前国际上较通用的技术路线。在普通混凝土中，为了保证混合料的施工和易性，其用水量（占水泥重量的50 %～70 ％）比水泥水化所需的水量（水泥重量的15 %～20 %）大得多。多余的水在水泥硬化后蒸发，在水泥石和水泥石集料界面区域形成大量的各种孔径的孔隙，以及因泌水、干缩等所引起的微管和微裂缝，这些缺陷是导致混凝土强度下降和其它性能指标低的根本原因。因此，掺加高效减水剂、降低水灰比是一项行之有效的重要措施。
    改善水泥石中水化物的相组成，提高其质量，是制备高强与超高强混凝土的另一重要课题。众所周知，水泥水化后形成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁铝酸钙及氢氧化钙。其中水化硅酸钙数量众多，也最为重要。但由于水泥水化形成的大多是高碱性水化硅酸钙，与低碱性水化硅酸钙相比，前者强度低，后者强度高；同时存在的f CaO强度极低，稳定性很差。因此，在制备高强与超高强混凝土时，要设法降低高碱性水化硅酸钙的含量，提高低碱性水化硅酸钙含量，同时尽量消除f CaO.其方法是在混凝土中掺入活性矿物掺料，使其含有的活性SiO2、Al2O3与f CaO及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成低碱性水化硅酸钙，以增加胶凝物质的数量，改善其质量。
  　2.3  高强与超高强碱矿渣混凝土
  　这一路线是采用磨细的高炉矿渣并加入碱组分获得。当用第一主族元素（Li、Na、K）的化合物进行激发时，矿渣的水硬活性极佳。由于碱金属化合物能在水中迅速离解成大量具有强大离子力的OH-离子，在离子力的作用下，矿渣玻璃体的结构很快解体并发生水化，产生大量的低碱性水化硅酸钙和碱金属水化铝酸盐胶凝物质，进而形成水泥石硬化体。根据重庆建筑大学蒲心诚教授等人的研究，采用这一路线，可以制成超快硬（1 d抗压强度达70 MPa）、超高强（28 d抗压强度达120.4 MPa）、高抗渗（抗渗标号＞S 40）、高抗冻（达1 000次冻融循环以上）、高抗蚀的碱矿渣混凝土，而且其它性能优异，水化热低，成本也不高。虽然目前不少人对其先进性、适宜性、可靠性和经济性尚不了解，但可以预见，高强与超高强碱矿渣混凝土将成为21世纪的一种新型混凝土。
    2.4  灰砂硅酸盐混凝土
    采用钙质原料和硅质原料等混合磨细，用高温蒸压方法制备，可获得100～150 MPa的高强混凝土。该混凝土水泥石主要由水化硅酸盐组成。这一路线主要用于制管和制桩生产中。
    2.5  有机无机复合混凝土
    制备聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土以及聚合物胶结混凝土，使混凝土进入了使用有机无机复合胶结材和高分子有机胶结材的新阶段。聚合物进入混凝土胶结料中，可大大提高混凝土的物理力学性能。如聚合浸渍混凝土的抗压强度和抗拉强度较其基材可提高2～4倍，有很强的耐腐蚀性能，几乎不吸水、不渗水，抗冻融循环在1 000次以上。但这种路线制得的高强与超高强混凝土因成本高，且工艺与常规不同，只在特殊场合使用。

　　3  制备高强与超高强混凝土的原材料及其性能要求
    采用目前国际上通用的技术路线制备高强与超高强混凝土所用的材料是：水泥、集料、水、掺合料以及化学外加剂。这些原料的质量和性能，对高强与超高强混凝土的质量和性能具有很大的影响。
　　3.1  水泥
    通常使用硅酸盐水泥与早强硅酸盐水泥。其中对水泥的品质和强度有如下的建议：
   （1）使用525及更高标号的硅酸盐水泥；  

  （2）由于高强与超高强混凝土中水泥用量一般在500～700 kg/m3，水化热高，因而需开发低水化热的水泥。即水泥中C2S比例增大些，而C3S及C3A量减少些；
   （3）水泥的质量稳定，C3S的含量波动4 %，烧失量0.5 ％，硫酸盐的波动范围0.20 %.    3.2  集料
    在一般的混凝土中，不同类型集料对抗压强度的影响不大。但在高强与超高强混凝土中，集料的差异对混凝土的强度影响很大。一般来说，采用碎石比卵石有利，其原因不仅由于集料的密度及吸水率不同，而且也由于集料的强度以及粘结强度不同。
   （1）建议所采用集料的母岩强度＞1.7倍混凝土强度（如用玄武岩、辉绿岩作超高强混凝土集料）；
   （2）粗集料粒径不能过大，一般建议为10～19 mm，且形状好、级配佳；
   （3）细集料也应尽量要求强度高、级配好、含泥量少；

　　（4）粗集料常用压碎指标值来要求，不少专家建议细集料也应用类似于压碎指标的破碎度来要求。通过试验，确定压碎指标（或破碎度）与混凝土抗压强度之间的相关性；
　  （5）集料的弹性模量宜高些；
    （6）细集料以采用中砂为好，但特细砂经过试验确定配比后也可用。
   　3.3  掺和料
     高强与超高强混凝土常用的掺和料有硅灰、超细矿渣以及粉煤灰等。
    （1）硅灰是最好的活性矿物掺和料，但资源有限，成本高，包装运输不便。一般认为，硅灰的最佳掺量为10 ％左右。由于硅灰的加入使混合料的流动性明显降低，为了保证其施工性，必须使用高效减水剂，且用量比不掺硅灰时要略大些；
    （2）超细矿渣的比表面积达800～1 000 m2/kg.将其掺入砂浆中，可使抗压强度及其它性能有很大改善。超细矿渣的置换率一般为20 %～40 %.含超细矿渣的混凝土无论是早期还是后期强度都很高，但其成本也高；
    （3）一般情况下，将粉煤灰掺入混凝土中，早期强度降低，但后期强度增长。粉煤灰混凝土的强度受粉煤灰的质量、置换率与配合比等的影响。粉煤灰的火山灰活性越强，养护温度越高，强度增长越显著，其掺量为10 %～30 %；
   （4）研制新活性矿物掺和料，如将高岭土烧成偏高岭土磨细［3］；合成的水化硅酸钙或无水硫铝酸钙等；
   （5）采用“双掺”或“多掺”矿物掺和料的方法。如同时以20 ％的超细矿渣和10 ％的硅灰置换等量的水泥，混凝土56 d抗压强度达140 MPa.
    3.4  外加剂
    在高强与超高强混凝土中常采用的化学外加剂有：高效减水剂、减少坍落度损失的复合AE减水剂、缓凝剂以及泵送剂等，其中以高效减水剂最为重要。高效减水剂的使用，可以大幅度降低水灰比，制成高强乃至超高强混凝土。目前，使用的高效减水剂主要有改性木质素磺酸盐、萘磺酸盐聚合物、三聚氰胺磺酸盐聚合物等。
  　3.5  水
    必须满足规范中对水的品质要求。为保证高强与超高强混凝土的高质量和安定的品质，一般宜采用合格的自来水拌制混凝土。

　　4  结语
     综上所述，研制高强与超高强混凝土具有十分重大的意义。其配制必须从原材料的选择、采用低用水量、低水灰比、高活性矿物磨细掺和料、高效减水剂、改善界面结构、提高水泥浆体的内聚力及水泥浆体与集料间的粘结力等因素来考虑。