高性能混凝土的應(yīng)用研究

孫曉博、陳奕林、譚家鼎、許智超、吳琳婕、馮嘉煒、劉心瑩

（1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福建 福州 350108；2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108）

0 引言

隨著橋梁工程的發(fā)展，橋梁的承載能力不斷提高，對(duì)于建造橋梁的材料要求也變得越來越高，特別是原有的普通混凝土性能已不能滿足橋梁工程的要求[1]。而高性能混凝土的特點(diǎn)能夠滿足目前橋梁發(fā)展所需的要求，已被廣泛應(yīng)用于橋梁建筑中。

1 高性能混凝土的特點(diǎn)

1.1 高耐久性

影響混凝土使用性能的因素包括碳化、化學(xué)侵蝕、自然腐蝕、溫差破壞等[2]。碳化是指在自然環(huán)境中二氧化碳的影響導(dǎo)致鋼筋腐蝕的過程；化學(xué)侵蝕是指氯離子的侵入促使鋼筋的腐蝕；自然腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，當(dāng)水和氧氣反應(yīng)破壞鋼筋的涂層進(jìn)而和內(nèi)部的鋼筋產(chǎn)生氧化反應(yīng)時(shí)，會(huì)使鋼筋的受力面積減小，影響整體結(jié)構(gòu)的安全性；溫差破壞實(shí)際上是一種凍脹破壞，它是混凝土遭受熱脹冷縮而引起的開裂，繼而損害結(jié)構(gòu)。為了避免這些因素影響混凝土的性能，就得保證混凝土具有良好的耐久性能。

目前高性能混凝土的耐久性，是通過使用普通混凝土的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)評(píng)的。國內(nèi)學(xué)者通過添加活性添加劑制備了不同配合比的高性能混凝土，并進(jìn)行了長期耐久性、收縮率、抗?jié)B透性、碳化、鋼腐蝕等測(cè)試。結(jié)果表明，高性能混凝土的耐久性與活性添加劑的含量有關(guān)。對(duì)于使用了高性能混凝土的建筑可提升其使用年限，在某些極端條件下建筑物最長使用年限可達(dá)500 年。

由于高效減水劑使整體的水灰比降低，因此高性能混凝土每單位體積的耗水量小，混凝土內(nèi)部空隙大大減少。另外，還可以添加超細(xì)礦物粉增強(qiáng)性能，改善水泥的空隙結(jié)構(gòu)既可以顯著降低孔隙率，也可以大大提高混凝土的早期抗裂性。以上方法提升了它的抗凍融、硫酸鹽腐蝕以及其他酸和鹽腐蝕的性能。高性能混凝土的高耐久性可以使橋梁的使用年限大幅提升，降低成本，存在一定的意義。

1.2 高強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度即混凝土抗壓強(qiáng)度，是檢測(cè)混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[3]。影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素包括：水泥質(zhì)量、水灰比、粗骨料、細(xì)骨料和配合比等。其中，水泥的質(zhì)量和水灰比是重點(diǎn)。水泥的質(zhì)量影響混凝土的收縮和形變，水泥在出廠時(shí)應(yīng)附帶檢驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)進(jìn)場(chǎng)時(shí)要抽檢并善加保管。粗骨料對(duì)混凝土的質(zhì)量影響次之。技術(shù)負(fù)責(zé)人要確定現(xiàn)場(chǎng)的粗骨料質(zhì)量和數(shù)量是否滿足工程的需要，以便進(jìn)行材料的調(diào)運(yùn)和預(yù)算的控制。細(xì)骨料對(duì)混凝土的影響略低，混凝土中其他材料也應(yīng)符合技術(shù)要求。

養(yǎng)護(hù)和外加劑也影響著混凝土強(qiáng)度。溫差變化是混凝土質(zhì)量的“奪命殺手”。在夏季可采取以下三種方法降低影響：第一，在一天溫度最低時(shí)澆筑混凝土，通常是凌晨和半夜時(shí)。第二，減少在太陽下暴曬的時(shí)間，使混凝土的和易性達(dá)到合理的程度。第三，養(yǎng)護(hù)時(shí)整體的水分布比例要均衡合理以防水分蒸發(fā)，通常使用澆水。冬季要保溫防凍害，冬季施工一般采用兩種方法：第一種是綜合蓄熱法，第二種是蒸養(yǎng)法[4]。

高性能混凝土的強(qiáng)度在正常條件下至少為200MPa。定型后28 天平均強(qiáng)度在100～120MPa 之間，能滿足工程高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 高體積穩(wěn)定性

混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土在物理和化學(xué)作用下抵抗變形的能力。高性能混凝土具有高體積穩(wěn)定性。低溫差變形、低收縮和蠕變以及高彈性模量是它應(yīng)有的表現(xiàn)形式。普通混凝土的彈性模量一般為20～25GPa，而它的彈性模量可以達(dá)到40～50GPa的理論上限[5]。

2 高性能混凝土在工程中的應(yīng)用

2.1 材料選擇

2.1.1 水泥。水泥應(yīng)使用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。它的細(xì)度應(yīng)在1/10 以下，堿含量應(yīng)小于8‰，氯離子比例應(yīng)小于1‰。水泥的最優(yōu)儲(chǔ)存時(shí)間為3 天，這樣能夠保證施工的質(zhì)量。

2.1.2 粗骨料。二級(jí)和三級(jí)碎石是粗骨料的最佳選擇。如果大骨料過多，會(huì)影響美觀和混凝土的質(zhì)量，應(yīng)慎用和少用。

2.1.3 細(xì)骨料。細(xì)骨料的雜質(zhì)也是影響高性能混凝土性能的重要原因之一。如果雜質(zhì)比例過高不僅會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，還會(huì)降低配合比，從而產(chǎn)生病害。

2.1.4 摻和料。礦物摻和料具有減少水分、活化、致密、潤滑、免疫和填充混凝土的作用，可以延遲水泥水合過程中水合顆粒的聚集并減少坍落度損失。

2.1.5 外加劑。特殊功能外加劑將影響混凝土的可加工性，具體體現(xiàn)在：一是改變水泥的相容性；二是改變減水率；三是改變流動(dòng)性；四是改變氣體含量。

2.1.6 含水量?？刂粕笆兴值暮渴怯绊懜咝阅芑炷僚渲瀑|(zhì)量的重要因素。即使混合設(shè)備已測(cè)量并控制了其含水量，也應(yīng)密切注意其一致性并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 施工流程

2.2.1 攪拌。攪拌過程影響高性能混凝土的性能，應(yīng)嚴(yán)格要求攪拌設(shè)備的好壞。普通混合設(shè)備產(chǎn)生的混合物均質(zhì)性需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。臥式和逆流混合器的使用無須驗(yàn)證，它具有混合時(shí)間短和混合均勻的優(yōu)點(diǎn)?；旌细咝阅芑炷?xí)r應(yīng)該注意：不同的混合方法和進(jìn)料順序?qū)π阅苡幸欢ㄓ绊??；旌戏椒ㄍǔＪ窍燃尤胨唷⑸匙雍凸璺?，進(jìn)行物理層面上的結(jié)構(gòu)重組，然后使減水劑和水漿液混合后再均勻撒上鋼纖維。使用真空攪拌機(jī)減少氣體含量，可以提高高性能混凝土的性能，這對(duì)有較高要求的施工項(xiàng)目有一定幫助。

2.2.2 澆筑。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在模板施工和隱蔽工程完成標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)之后，才能澆筑高性能混凝土，避免后續(xù)施工影響它的性能。木模的防水能力關(guān)系著高性能混凝土的好壞，施工前要好好檢查避免影響后續(xù)施工。混凝土澆筑過程的不可中斷性是施工的一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)于泵送混凝土這一工序，要根據(jù)規(guī)定將其運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，以便混凝土的澆筑。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)是高性能混凝土準(zhǔn)備工作的重要組成部分[6]，不僅增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度，而且使混凝土中發(fā)生的水化作用完美進(jìn)行。高溫養(yǎng)護(hù)可用于高性能混凝土。比起標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，高性能混凝土水化反應(yīng)在高溫養(yǎng)護(hù)中效果更好。這一工序減少了雜質(zhì)的體積，擴(kuò)大孔隙的數(shù)量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)并提高每個(gè)孔洞的附著力，因此提升了整體機(jī)械性能。

2.3 工程應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

2.3.1 施工過程中的注意事項(xiàng)

（1）生產(chǎn)應(yīng)控質(zhì)控量。水膠比應(yīng)嚴(yán)加把控，注意骨料總體含水量的變化。其他成分要充分融合在混凝土中，攪拌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長。

（2）骨料質(zhì)量要嚴(yán)格把控，這關(guān)系到它的強(qiáng)度和后期應(yīng)用。高性能混凝土攪拌完成的第一時(shí)間，為了避免初凝時(shí)間影響施工，應(yīng)立即運(yùn)輸。進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)檢驗(yàn)高性能混凝土是否偏析，合格后才能澆筑混凝土。

（3）為了防止水分蒸發(fā)并增加表面出現(xiàn)塑料裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，必須連續(xù)進(jìn)行高性能混凝土的振動(dòng)、抹面和養(yǎng)護(hù)。

（4）混凝土流動(dòng)性檢查應(yīng)為全面檢查，而不是樣品檢查，并應(yīng)注意初期加濕養(yǎng)護(hù)。

（5）當(dāng)使用高效減水劑時(shí)，應(yīng)預(yù)先測(cè)試兩者之間的性能是否相互影響。

2.3.2 養(yǎng)護(hù)過程中的注意事項(xiàng)

（1）高性能混凝土用水量少和水灰比低，導(dǎo)致收縮和開裂時(shí)常發(fā)生。這是一個(gè)難點(diǎn)，為了避免它的發(fā)生，早期養(yǎng)護(hù)尤為重要。

（2）使用蒸汽來養(yǎng)護(hù)時(shí)，在靜態(tài)停止時(shí)環(huán)境溫度應(yīng)保持在5℃以上，澆筑后放置4～6h 再加熱，冷卻速度不應(yīng)超過10℃/h。恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)組件的脫模強(qiáng)度要求、混凝土的配合比和環(huán)境條件通過試驗(yàn)確定。

（3）在未去模的混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)使用包模、澆水、噴涂或蒸汽等方法進(jìn)行保濕和濕氣養(yǎng)護(hù)。

（4）脫模后，應(yīng)通過儲(chǔ)水、澆水或?yàn)⑺M(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并確保養(yǎng)護(hù)時(shí)間滿足規(guī)定要求。當(dāng)混凝土表面潮濕時(shí)，可以使用亞麻布、草簾等快速覆蓋或包住裸露的表面混凝土，然后用塑料布或帆布覆蓋。在涂層過程中，涂層應(yīng)完整無缺，彼此完全重疊，并且內(nèi)表面應(yīng)有凝結(jié)的珠子。

（5）噴射養(yǎng)護(hù)液養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，應(yīng)確保不漏水，施工縫的混凝土不得用養(yǎng)護(hù)劑噴涂。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某公路橋梁上部結(jié)構(gòu)為：2×40m 簡支T 梁（右岸引橋）+（50+120+150+120+50）m 連續(xù)剛構(gòu)（主橋）+1×40m 簡支T 梁（左岸引橋），橋梁總長約618m。橋梁主橋的上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，下部結(jié)構(gòu)4#、5#主墩采用雙薄壁墩，墩梁固結(jié)；3#、6#主墩采用矩形墩，墩梁分離；2#、7#過渡墩采用矩形墩；引橋1#墩采用矩形墩；橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)；基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁結(jié)構(gòu)布置圖如圖1 所示。橋梁采用高性能混凝土施工，本文對(duì)該工程高性能混凝土的應(yīng)用進(jìn)行分析。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁早期質(zhì)量、美觀和性能對(duì)橋梁整體構(gòu)造有著舉足輕重的作用。高性能混凝土箱梁的配合比和施工質(zhì)量控制需要保證。對(duì)于工程出現(xiàn)的主要問題是：混凝土箱梁橫向距離大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)裂縫概率大、施工時(shí)困難多。

3.3 性能和材料控制

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁具有密集的鋼筋以及集中的縱向和豎向預(yù)應(yīng)力管道。為確保混凝土的穩(wěn)定澆筑和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，混凝土性能要求如下。第一，可加工性：混合物的坍落度為180～200mm。第二，機(jī)械性能：28 天后，未固化的硬化混凝土的強(qiáng)度小于60MPa，混凝土的抗壓強(qiáng)度大于90%。第三，設(shè)計(jì)強(qiáng)度：28 天內(nèi)的彈性模量不小于34.5GPa，7 天內(nèi)達(dá)到90%以上；抗?jié)B等級(jí)不低于P12。

混凝土拌和采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。在攪拌過程中，必須嚴(yán)格控制加水量，準(zhǔn)確計(jì)算外加劑和骨料等的用量，并不斷調(diào)整混合比例。進(jìn)料前，應(yīng)根據(jù)混合比例準(zhǔn)確稱量原料，然后按規(guī)格添加。為了提高高效減水劑的效率并降低坍落度損失，應(yīng)使用二次水混合法將高性能混凝土與礦物摻和料混合。

對(duì)于原材料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本因素，按規(guī)范要求選用。

對(duì)于拌和物測(cè)試，為了滿足構(gòu)造要求，對(duì)工作性能有更高的要求。坍落度不僅應(yīng)每10 塊板進(jìn)行一次測(cè)試，而且在更換原材料或顯著改變混凝土性能時(shí)也應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)混合物有明顯的偏析時(shí)，應(yīng)及時(shí)找出原因并采用有效的處理辦法。

控制最大用水量：為了保證高性能混凝土的耐久性，對(duì)最大用水量限定效果更好?？刂谱畲笥盟坎粌H可以防止?jié)B色、偏析、過多的氣泡和稠密的漂浮物，而且能確保強(qiáng)度、抗?jié)B性、長期體積穩(wěn)定性和耐久性的穩(wěn)定增長。根據(jù)實(shí)際情況，使用超分散的聚羧酸系高性能減水劑。

水灰比：水灰比過大會(huì)減少性能和使用壽命；過小會(huì)影響流動(dòng)性，使結(jié)構(gòu)收縮并產(chǎn)生裂縫。

骨料：骨料要進(jìn)行篩選，得到骨料級(jí)配和顆粒形狀。篩選后的最大骨料堆積密度與最小空隙率，可減少材料漿體用量。漿骨比和混凝土徐變成正比。

3.4 解決方法

在該項(xiàng)目中保證高性能混凝土質(zhì)量的措施主要是施工時(shí)配合比以及養(yǎng)護(hù)控制施工質(zhì)量。

配合比最優(yōu)選擇是超高分散性的高性能減水劑。它有以下優(yōu)點(diǎn)：一是低水泥用量；二是高礦物摻和料；三是低耗水量；四是最大骨料堆積密度。采用“疊加”原理混合緩凝高性能減水劑，粉煤灰和礦渣粉的三者混合物對(duì)削減水化熱和提升泵送性能有決定性作用，而礦渣粉對(duì)早期強(qiáng)度和碳化性能的影響可忽略。礦物粉末的二次水化反應(yīng)改善了膠凝材料水化產(chǎn)物的組成，提高了抵抗環(huán)境中化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力，調(diào)節(jié)了混凝土的實(shí)際強(qiáng)度，并利用了水泥的骨料改善結(jié)構(gòu)。細(xì)粉煤灰和礦物粉填充效果使?jié){料的結(jié)構(gòu)及其與骨料的接觸面密實(shí)相接。使用超高分散性的高性能減水劑，可以大大降低水結(jié)合劑的比例，增加強(qiáng)度和延遲時(shí)間，并降低水化溫度的峰值熱量。因此，使用“三種添加劑”技術(shù)可減少水泥用量，延遲水化放熱溫度峰值的到達(dá)時(shí)間，達(dá)到混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)更加致密的多重目的。

關(guān)于振搗和養(yǎng)護(hù)，在混凝土攤鋪中必須保留一定程度的虛鋪，目的是使夯實(shí)的表面高程符合設(shè)計(jì)標(biāo)高，因?yàn)樵谑┕み^程中使用平板振搗器進(jìn)行振搗。隨著夯擊的進(jìn)行，將發(fā)生一定量的沉降。為了不使連續(xù)施工部產(chǎn)生裂縫，需要在指定位置連續(xù)澆筑而不會(huì)中斷。為了防止混凝土的早期收縮和開裂，澆筑后的維護(hù)工作必須根據(jù)施工作業(yè)的要求進(jìn)行。澆筑后的工作通常是立即用薄膜覆蓋混凝土結(jié)構(gòu)，然后在初凝之后用濕麻袋或濕草墊覆蓋混凝土表面。

4 結(jié)語

綜上所述，高性能混凝土的使用能夠有效地提高橋梁工程的質(zhì)量，提高橋梁工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。工程材料領(lǐng)域的研究應(yīng)用中應(yīng)加強(qiáng)高性能混凝土的研究，提高其應(yīng)用水平，為國內(nèi)工程建設(shè)提供技術(shù)的保障。