自养护高性能混凝土的应用及试验方案探索

摘 要:在土建工程中,混凝土是用途最广、用量最大的建筑材料之一。近百年来,混凝土强度不断的提高成为它主要的发展趋势。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代化混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，是一种高耐久性混凝土。

关键词: 自养护混凝土耐久性高性能

中图分类号：TV331文献标识码： A

1、引 言

自养护高性能混凝土具有丰富的技术内容,尽管同业对高性能混凝土有不同的定义和解释,但彼此均认为高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计的,保证拌和物易于浇筑和密实成型,不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝,硬化后有足够的强度,内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。基于上述特点,高性能混凝土成为我国近期混凝土技术的主要发展方向[1]。

2、国内外及新疆研究现状

随着我国经济的高速发展，建筑业正向着规模化、工业化、复杂化、高层化方向发展。这一发展趋势对工程建设的施工速度、施工质量、材料性能及耐久性能等都提出了更高的要求，普通商品混凝土工作性能较差，施工过程中需要进行人工养护，施工工序较繁琐。并且由于养护费用的增长，施工企业存在着不合理的抢工期现象，这一现象就直接导致了养护质量的下降。由于养护质量的不规范，会直接引起混凝土的干缩增大而导致大量原始裂缝的产生，从而使得混凝土的力学性能和耐久性能都大大降低，严重制约了现代工程的发展。高性能混凝土（High Performance Concrete，简称HPC）具有强度高、耐久性高、流动性好、可泵性好的优点，能够很好的保证施工的密实性[2]。其中自养护混凝土就属于高性能混凝土中的一个新课题。所谓自养护，又称内部水养护，即在混凝土拌和过程中，向混凝土中引入具有储水释水功能的材料，在混凝土硬化、自干燥现象开始出现时，经过预吸收水处理的自养护材料可将其内部的水分逐渐释放到混凝土中，减少因毛细孔失水导致的自收缩。但是，国内多数学者和工程人员都以提高混凝土的外部环境的养护湿度和温度来提高混凝土的早期水化程度及早期强度，而采用不考虑外部环境的内部水养护方法还尚少。通过对自养护高性能混凝土的研究，不仅可以很好的改善施工条件、节省混凝土养护费用，还能够很好的推广高性能混凝土的应用领域和范围。

国外已经于20世纪80年代开始了对HPC的研究[3]。法国政府于1986~1993年期间，组织了包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23家单位展开了“混凝土新方法”的研究项目，进行高强高性能混凝土的研究，并建成示范工程。日本建设省于1996~1998年期间进行了一项综合开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质、超高层化技术开发”。美国政府16个机构于1994年联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议。美国学者Powers T.C在深入分析自收缩产生的机理的基础上，有针对性地提出了自养护的技术路线。瑞典于1991~1997年由政府和企业联合出资5200万法郎，实施高性能混凝土研究的国家计划。

我国从1992年开始引入HPC这一概念[4]，也投入了大量人力、物力进行HPC的研究开发。北京、上海、沈阳、深圳等地起步较早，发展较快，走在全国同行业的前列，保持领先地位。其它一些城市也开始发展，但整体水平很不均衡。吴中伟院士结合可持续发展战略问题，提出了HPC不仅具有高强度、高流动性和高体积稳定性，而且还应当包括节约资源、保护环境、符合可持续发展的原则。清华大学的冯乃谦教授提出的液态混凝土的概念奠定了我国高性能混凝土研究的基础。重庆大学蒲心诚教授等对特超强高性能混凝土进行了一定的研究。武汉大学刘数华教授对高性能混凝土的耐久性进行了是深入的研究，促进了我国高性能混凝土的发展。

在新疆地区，新疆大学的刘清教授在新疆维吾尔自治区高校科研计划科学研究重点项目的自密实混凝土在新疆地区的推广应用研究项目中[5]，针对C20―C30的自密实混凝土进行了深入和详细的研究。

新疆地区水泥生产厂家众多，生产原料来源复杂，水泥碱含量较高，并且自养护高性能混凝土在配制过程中往往还需要掺入含水率较高的预湿轻质骨料（自养护剂），从而使得自养护高性能混凝土配合比设计更为复杂。但是，自养护高性能混凝土性能优越，是一项能够给建筑施工工艺带来重大变革的建筑材料。当前，随着我区经济的不断发展和自治区对基础建设的大量投入，开展我区自养护高性能混凝土配合比的系统研究已成为当务之急。通过研究使得自养护高性能混凝土的自我养护性能更加合理稳定，为我区的建筑技术的提升做出应有贡献。

综上所述，自养护高性能混凝土与普通混凝土相比具有其特殊的优越性。在我国尤其是对于新疆地区自养护高性能混凝土的配合比设计方法、配制技术、力学性能以及耐久性、结构构件性能等方面还需进一步开展系统研究。对今后的广泛推广应用还需进一步解决关键问题：（1）未有统一的自养护高性能混凝土配合比的研究方法；（2）尚未形成具有技术实用的自养护高性能混凝土设计方法及配制技术。

本课题拟通过自养护高性能混凝土的配合比试验及典型工程实践，获得利用新疆地区原材料配制自养护高性能混凝土的技术要点。同时提高新疆地区工业废料――矿渣粉、粉煤灰、锂渣粉等的利用率，减低能耗，为倡导低碳经济做贡献。

3、应用前景

自养护高性能混凝土具有节约劳动力、减少施工工序、大量应用工业废料及提高施工速度、质量的优点。随着社会劳动力资源的萎缩，人工费用的增加，人们对生活、生态环境的进一步认识。自养护高性能混凝土必将被越来越多的工程界人士所重视，被越来越多的工程所采用，有着广泛的应用前景。

4、影响混凝土耐久性的主要因素

高性能混凝土应具有适当的高强性能,但必须有良好的耐久性,能抵抗各种化学侵蚀作用,体积稳定性好。影响混凝土耐久性的主要因素大致可以分为以下几点: 高性能混凝土应具有适当的高强性能,但必须有良好的耐久性,能抵抗各种化学侵蚀作用,体积稳定性好。影响混凝土耐久性的主要因素大致可以分为以下几点:

4.1、混凝土冻融破坏

在混凝土工程中,为了满足混凝土施工工作性要求,即用水量大、水灰比高,导致混凝土的孔隙率很高,约占水泥石总体积的25%-40%,特别是其中毛细孔占相当大部分,毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道,引起混凝土耐久性的不足。

水泥石中的水化物稳定性不足也会对耐久性产生影响。例如,波特兰水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。

此外,在水化物中还有数量很大的游离石灰,它的强度极低、稳定性极差,在侵蚀条件下,是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性,就必须减少或消除这些稳定性低的组分,特别是游离石灰。

图1混凝土冻融破坏图2混凝土的碱集料反应

Fig1 Fig2

4.2、混凝土的碱集料反应

混凝土的碱集料反应,是指混凝土中的碱和环境中可能渗入的碱与混凝土集料(砂石)中的碱活性矿物成分,在混凝土固化后缓慢发生化学反应,产生胶凝物质因吸收水份后发生膨胀,最终导致混凝土从内向外延伸开裂和损毁的现象。其中,来自水泥、化学外加剂和矿粉掺合料(粉煤灰、高炉矿渣粉、电炉硅灰、沸石粉等)中的游离钾、钠离子的含量是导致混凝土碱集料反应产生的主要因素,从而引起混凝土剥落,开裂,强度降低,甚至导致破坏。

4.3、化学侵蚀

当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学、物理与物化变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏。常见的主要化学侵蚀介质分为以下五类:(1)淡水腐蚀。淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使水泥石孔隙增加,密实度降低,从而进一步造成对水泥石的破坏。研究表明,当水泥石中的氧化钙溶出5%时,强度下降7%,当溶出24%时,强度下降29%,因此,淡水冲刷会对水工建筑有一定影响。(2)一般酸性水腐蚀。当水中溶有一些酸类时,水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速,这类侵蚀常发生在化工厂。(3)碳酸腐蚀。在碳酸溶淅水泥石的同时,会破坏混凝土内的碱环境,降低水泥水化产物的稳定性,进而影响水泥石的致密度,造成对混凝土的侵蚀。(4)硫酸盐腐蚀。硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,使生成物体积膨胀、开裂,造成损坏。(5)海水腐蚀。海水中由于存在多种离子,侵蚀形式较为复杂,但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解,同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏,而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙,会使海水侵蚀有所缓和。

4.4、混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土中的成分(主要是CAOH2)与渗透进混凝土中的二氧

化碳CO2和其他酸性气体的二氧化硫SO2、硫化氢H2S等发生化学反应的过程。炭化的实质是混凝土的中性化。其中大气中的二氧化碳深入到混凝土中引起的混凝土炭化是最常见的一种,称为混凝土碳化。由于混凝土的凝胶孔隙和部分毛细管可能被炭化物CACO3等堵塞,混凝土的密度与强度会有所提高,表面硬度增大。但是,由于降低了混凝土的碱度,破坏钢筋表面的钝化膜而使钢筋产生锈蚀。此外,碳化会加剧混凝土的收缩,可导致混凝土开裂。这些均给混凝土的耐久性带来不利的影响。混凝土碳化是混凝土耐久性的重要问题之一。

4.5、其他因素

除了内外部因素,影响混凝土耐久性的因素还有很多,如高温作用、生物腐蚀、混凝土徐变、设计不周、施工质量差或使用中维修不当等。

5 、高强、高性能混凝土的研究方案

5.1、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题：

5.1.1研究目标及研究内容

（1）确定新疆地区适宜的自养护高性能混凝土配合比

通过系统研究自养护高性能混凝土外加剂用量、矿物掺合料掺量、水胶比、自养护剂掺量等主要因素对自养护高性能混凝土工作性能、力学性能和耐久性的影响程度，确定新疆地区工程中常用的自养护高性能混凝土配合比。通过研究自养护高性能混凝土在新疆特殊气候条件下的耐久性，提出提高自养护高性能混凝土耐久性的技术方案。从而使得自养护高性能混凝土这种具有优越性能的高性能混凝土在我区能够得到推广和使用。

（2）自养护高性能混凝土在试点工程中的应用

通过与新疆地区有使用自养护高性能混凝土意向的企业合作，选择合适的工程项目作为试点工程应用；通过考察自养护高性能混凝土的现场施工得出自养护高性能混凝土在新疆地区施工的技术方案，并进一步对我区自养护高性能混凝土在实际工程中的经济效益及社会效益进行系统的分析，确定自养护高性能混凝土在我区工程中的应用范围，并提出建筑企业使用自养护高性能混凝土提高经济效益及社会效益的可行性方案。

1.2拟解决的关键问题

（1）如何确定自养护高性能混凝土配合比中外加剂用量、矿物掺合料掺量、自养护剂掺量、水胶比、砂率等不同因素对自养护高性能混凝土工作性能及力学性能影响的关系曲线。

（2）如何建立实验室模拟自然条件下的耐久性试验研究结果与新疆真实气候条件下的自养护高性能混凝土长期耐久性能之间的关联。

5.2、研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析：

5.2.1研究方法

本课题以新疆地区工程实际推广应用为目标，拟采用以试验研究及数据处理为主与理论分析相结合的方法研究。

5.2.2技术路线及试验方案

（1）材料试验

根据《自密实混凝土应用技术规程》 《高性能混凝土原材料试验指标》的要求对新疆地区的水泥、粉煤灰、砂、石子、自养护剂，进行试验研究，包括：①水泥、粉煤灰的密度、细度、比表面积、体积安定性、强度等；②砂的密度，级配，含水率，含泥量等；③石子的级配、密度、压碎指标，含泥量，针状物质含量等；④自养护剂的密度，吸水率等。各种材料的性能指标应满足《自密实混凝土应用技术规程》和《高性能混凝土原材料试验指标》。

（2）计算、配制自养护高性能混凝土

对比各种高性能混凝土配合比设计方法，选取适合本课题使用的配合比设计方法，设计自养护高性能混凝土，自养护高性能混凝土对养护条件的敏感性应满足要求。通过改变掺合料比例、外加剂掺量、水胶比、自养护剂掺量等因素进行正交试验研究。总结出生产制备自养护高性能混凝土的施工技术参数。给出新疆地区自养护高性能混凝土配合比参考值。

（3）自养护高性能混凝土力学性能及耐久性试验研究

参考《普通混凝土力学性能和耐久性试验方法标准》对自养护高性能混凝土的力学性能进行试验研究：①通过制作自养护高性能混凝土标准试块，对混凝土的3天、7天、28天及90天强度进行抗压强度试验；②对自养护高性能混凝土劈裂强度及抗拉强度试验；③进行钢筋拔出试验。检验利用新疆地区常用原材料配制的自养护高性能混凝土的力学性能要求。④通过试验研究自养护高性能混凝土的抗渗性能、抗冻融性能、抗化学侵蚀性能及碱含量等试验研究，得出自养护高性能混凝土耐久性的相应指标。确定各种强度下自养护高性能混凝土的最佳水胶比、合理的掺合料比例、合理砂率、合理自养护剂掺量等参数。最终确定出新疆地区自养护高性能混凝土配合比参考值。图3 塌落度试验

Fig1

5.2.3、可行性分析

无需人工养护是自养护高性能混凝土最大的优势，本课题通过对自养护高性能混凝土对养护条件的敏感性的判断来验证自养护高性能混凝土的可行性。研究过程中拟选择试点工程为实例，分析自养护高性能混凝土在工程应用中的经济效益与社会效益，更有利于自养护高性能混凝土能为新疆的广大工程界人士所认可。研究过程中所需的仪器、设备以及检测技术，除少量小型设备需购置外均已成熟具备，能够为试验的顺利进行提供保证。

6、结束语

此外本课题组成员已合作完成多项科研任务，具有较好的科研基础、科研素质及团队合作精神，这为本项目的研究提供了可靠的人力资源。上述情况表明本项目的研究完全可行，有实际研究意义。

参考文献:

[1]李继业，姜金名，葛兆生，特殊性能新型混凝土技术，化学工业出版社，2007，北京

[2]缪文昌，高性能混凝土外加剂，化学工业出版社，2009，北京

[3]张德思，薛峰，陈会凡，自养护高性能混凝土的试验研究，混凝土，2010.7：102―104

[4]陈会凡，王浩，自养护高强混凝土的试验研究，粉煤灰综合利用，2006.2：10―12

[5]张广泰，刘清，王万兴，自密实混凝土在乌鲁木齐地区的正交试验研究[J]，混凝土，2009,7:81-84

第一作者：王雪辉，女，1988年出生，新疆人，新疆建设职业技术学院，教师，从事土木工程的研究工作，