高密实混凝土(HDC)机理探讨

1.1 HDC的高耐久性

混凝土结构耐久性，是指混凝土结构在自然环境，使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全，使用功能和外观要求的能力。

本文所讨论的HDC是高性能混凝土的一个分支，是一种新型的高技术混凝土，它是应用现代混凝土科学技术，来增加混凝土结构的安全使用寿命，减少因修补或拆除陈旧混凝土结构物质所造成的浪费和建筑垃圾。 降低水泥用量和单位用水量，用水胶比代替水灰比作为控制强度的指标是混凝土配合比设计的主要方向，也是高密实混凝土主要解决的问题。这里主要论述依据骨料致密堆积的技术路线，减少水泥与用水量，节约成本，提高混凝土的耐久性。

1.2高密实混凝土的设计理念

混凝土的耐久性对整个结构安全性是相当重要的，部分学者专家甚至认为耐久性是混凝土最重要的性能。虽然有相当多的研究信息可考，但混凝土在实际配合比及施工上，仍然无法达到理论上耐久性的“境界”，以至混凝土问题丛生，主要原因是没有将既有的耐久性知识融入混凝土配合比设计中，施工时也没有考虑到施工可行性及品质稳定的技术，因此在配比设计中，不能只单独考虑到“安全性”或“经济性”，必须同时考虑到“耐久性”及“工作性”。为能达到耐久性的要求，有必要减少拌和水量及水泥量，但要如何减少拌和水量及水泥量，而不影响工作性及安全性，通过试验，我们认为可通过以下三种策略。

（1）调整级配达到最小孔隙率

调整骨料的级配使得不同大小粒径的骨料可以互相填充，必能将空隙缩小，这种观念如同材料科学中原子的堆积，堆积密度愈大，其性质愈佳。减少水泥浆量的唯一办法就是将“骨料级配最佳化”，使空隙率Vv降低。另外，就是降低浆量厚度（T），或放大骨料粒径以降低表面积（S）。

骨料的级配最佳化可透过大小粒径相互混合的方式达到，这种技术有很多理论，而水泥浆厚度的减少，可以透过添加减水剂或强塑剂等界面活性剂而使剪力降低，使骨料间的互动性较佳。达到同一坍落度及坍流度下，剪力仍然会随水泥浆量增加而相对降低。另外就是降低水泥浆的浓度，换言之，就是提高水胶比（W/B），降低剪力，然而这又有可能降低强度。添加圆形颗粒的粉煤灰，也可以因“球层滑动”的作用而增加骨材间的滑移性。表面积（S）的降低，针对粗骨料常受限于模板、钢筋间距的约束，只有针对放大颗粒最多的砂来处理，似乎最有效，所以，调高砂的细度模数至2.8~3.2的范围，所得效益最明显。

（2）添加高效泵送剂

在相同坍落度下，添加高效泵送剂，等于增加“虚拟拌和水量”，而实际上水量（W）并不增加，因此在同一强度下，W/B是固定的，所以，水泥量相对会降低，添加高效泵送剂可以大量减少拌和水量。

（3）添加活性掺和料（例如粉煤灰等掺和料）

添加活性掺和料，在过去被严重误解，以为添加活性掺和料，对品质会有不利影响。事实上，就混凝土的品质而言，添加活性掺和料策略的改变可以达到预期的特性。添加活性掺和料，在达到预期强度情况下，都可以减少水泥的用量，其主要机能为添加活性掺和料反应交换作用，转换易溶性的氢氧化钙或其它碱性物质，成为稳固的C-S-H胶体，增进材料的稳定性。然而，依据致密混凝土配比设计的理念，活性掺和料加入的方法，是以填塞骨料的空隙，达到混凝土致密效果的原则下，才可以不限制其用量，而达到更佳的效果。

3、高密实混凝土的技术路线

致密配比法是以大量稳定的集料为骨架，并提升骨架的紧密度，降低空隙量，利用掺合料的技术，把混凝土最主要的劣化成分―水泥浆量尽可能降至最低，使得可透水的毛细孔隙降至最少或迫使路径拉长，透过活性外加剂反应，改变水泥浆体的空间网络，并给予致密化，同时改善了骨材界面的密实性。

依据致密混凝土配比设计方案，混凝土中骨料与水泥界面是最弱的一环。对于泌水、离析及骨料与水泥浆变形不一致等问题，要如何改善才能增加键接性是相当重要的。

1.3.1降低水胶比

降低水胶比可以提高长期强度，并且使界面强化。

1.3.2降低水泥浆量及添加活性掺和料用量

降低水泥浆量对混凝土耐久性是有利的。以非破坏检测方法检验混凝土，音速越高，表示品质越佳；音速降低，表示有劣化现象。水泥浆量高，在早期可获得较高的超音波速，然而晚期则非常不利，由超音波速的降低可预期内部产生的裂缝，此与水泥浆集料变形不一致有关。龄期愈长，则愈明显。减少水泥浆量，可以同时加强活性掺和料界面固化作用，这对混凝土而言是有利的。

1.3.3降低电阻系数及降低毛细孔渗透性

有害物质在混凝土中渗透或扩散，都是通过电动势的趋动。传统混凝土降低渗透性的方法，纯粹是由降低水灰比（W/C）而达成的。然而纯粹降低水灰比（W/C），只对“水泥浆”而言是有意义的。对于水泥浆只占20%~40%的混凝土而言，只采用降低水灰比是不足的。在ACI318―95《结构混凝土规范》的新观点，采用W/B的耐久性设计是非常有益的。然而更重要的是“拌和水量”的影响更不容忽视。否则，在同一拌和水量下，电阻系数大体上相类似，而添加活性掺和料，则电阻系数会有很大提升，此点对混凝土结构相当有利。降低拌和水量有益于混凝土很多性质。所以，针对耐久性而言，降低拌和水量是很值得进行的工作。

降低水固比（W/S）

对整体而言，降低拌和水量而增加固态材料的总重量是有益的，其意义如同水泥浆的水灰比（W/C）。因为对水泥浆而言，如果没有添加活性掺和料，则W/C=W/B,而添加了活性掺和料，则各不相同。在此更加强调了使用强塑剂及减水剂降低拌和水量的重要性。

(2)使孔隙细致化

如果混凝土由W/C控制，而不添加任何活性掺和料，即P=0，则渗透性会随W/C降低而降低，然而长期渗透性会随内部裂缝增加而增加。所以有必要添加活性掺和料，利用活性掺和料反应，其膨胀物填塞微孔隙的策略，使得孔隙变细且减少，因此而增加电阻系数，尤其粉煤灰的添加更是使电阻系数大幅度提升。

4、机理与探讨

（1）高密实混凝土中水泥对于强度贡献率高的原因。高密实混凝土具有较高的抗压强度。首先，骨料之间空隙小，孔隙率低，密实度比普通混凝土有大幅度提高，从而抗压强度提高。其次，虽然水胶比低，但是水灰比并不低，水泥用量少，可以充分水化。大掺量的粉煤灰起到了一定的胶凝作用，水胶比越低，强度越高，因此强度有较大提高。最后，大掺量粉煤灰的加入强化了骨料界面，提高了骨料之间的键结性，使得骨料与胶凝材料之间形成一个有机的整体，也提高了强度。

（2）高密实混凝土具有优异和易性的机理。高密实混凝土多用于泵送混凝土，因此一般要求具有较高的工作性，坍落度大于200mm很常见。与相同坍落度普通混凝土相比，高密实混凝土更易于泵送，有着更为优异的和易性。首先，高密实混凝土的骨料之间颗粒堆积紧密，细骨料在粗骨料之间紧密排列，减小了空隙，增大了骨料的表面积，其在粗骨料间的作用得到最大提升，流动性得到加强，在泵送的时候，骨料之间能够形成一种“互推”的作用，这样整体性和均匀性更好。其次，由于减少水泥用量和粉煤灰的大量加入，使得新拌混凝土的内阻力较小，坍落度损失小，和易性因此较好。

（3）粉煤灰对高密实混凝土耐久性的影响。在高密实混凝土中掺粉煤灰可以大幅度降低混凝土的Cl-1离子渗透系数，从而可以改善混凝土的强度和耐久性能。掺粉煤灰可以使混凝土Cl-1离子渗透系数降低一个数量级，从而使其抗冻性能提高3倍，抗硫酸盐侵蚀 能力提高4倍、而强度却仅提高了14％。大幅度提高纤维混凝土耐久性能可以通过改善混凝土渗透性能来加以实现，而提高混凝土的抗冲击性能及降低其脆度 则由掺加网状聚丙烯纤维来实现。

（4）高密实混凝土水化热低，混凝土缺陷少。高密实混凝土的水泥用量较低，水化热主要由水泥产生，因此水化热会较少。使得混凝土的早期温升比较低，和外界的温度差减小，很大程度避免了由于内外温差导致的热应力裂缝和缺陷的产生。

（5）高密实混凝土抵抗碱骨料反应的理论分析。碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的碱活性成分反应，在混凝土浇筑成型后若干午(数年至二、三十年)逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力， 膨胀开裂、导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦 发生碱骨料反应、混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。

分析高密实混凝土有较强的抵抗碱骨料反应能力的原因：首先高密实混凝土中水泥用量低，所以混凝土含碱量低；其次是由于骨料之间非常密实，空隙很小，孔隙率很低，使得碱-硅酸凝胶很难在空隙中存在，因此更加难以吸水膨胀，形成裂缝；同时高密实混凝土中粉煤灰用量非常大，粉煤灰中的活性颗粒能够有效抑制骨料中活性二氧化硅与碱形成碱-硅酸凝胶的几率，因此对于碱骨料反应有抵抗作用。

4、结论

⑴高密实混凝土对比传统混凝土配合比方法，传统混凝土在低水灰比情况下，混凝土中的水泥用量大，容易引起混凝土的富贵病，使耐久性降低。而高密实混凝土降低水泥用量和单位用水量，用水胶比代替水灰比作为控制强度的指标，提高了混凝土的耐久性。

⑵高密实混凝土在低水泥用量的情况下同样可配制出满足强度要求的混凝土。例如从水灰比的角度看，28天强度为55MPa水胶比为0.4的高密实混凝土水泥用量仅为249Kg/m3，而同水灰比的普通混凝土水泥用量为380Kg/m3。再从强度的角度看，28天强度达到54.6mpa的普通混凝土水泥用量为422 Kg/m3；而28天强度达到59.1mpa的高密实混凝土水泥用量仅为295 Kg/m3。

⑶高密实混凝土较传统混凝土每立方米材料成本可降低10~15元，经济性得到很大提高。

⑷高密实混凝土颗粒结构堆积致密，空隙小，孔隙率低，接触点多，密度大，在抗渗性，抵抗硫酸盐侵蚀，干缩方面都优于传统混凝土。

⑸高密实混凝土具有优异的和易性，坍落度损失小，适合在商品混凝土搅拌站应用。

⑹此次试验研究进一步证明了低用量水泥和低用量水，骨料和粉煤灰等物质密实堆积，制备的高密实混凝土是一种新型健康的混凝土。无论在强度、耐久性还是经济方面都绝对优于传统混凝土，它将是今后常规混凝土发展的一个方向。