高强混凝土的性能及应用

摘 要:本文阐述了高强混凝土在国内外的应用现状,分析了高强混凝土的优缺点, 介绍了几种改善高强混凝土延性的方法,从混凝土的水泥、集料等原材料方面分析对强度的影响。指出在满足强度要求并有一定经济效益的前提下,不应盲目追求混凝土的高强度。

关键词:高强混凝土;原材料;延性;经济效益

Performance and application prospect of High Strength Concrete

YANG Chen WANG Ji-qi

(School of Civil Engineering and Architecture, Central South University)

Abstract:Present application situations of High Strength Concrete(HSC)at home and abroad are elaborated.Based upon analysis of the advantages and disadvantages of high strength concrete several methods to improve the ductility of high strength concrete are introduced. From the concrete cement, aggregates and other raw materials analyzed the impact on the strength of High Strength Concrete.Author point out that at the premise to meet the requirements of strength higher strengthen should be not pursued blindly.

Keywords:High Strength Concrete Raw Materials Ductility Economic Benefit

1 引言

自从钢筋混凝土结构问世以来,世界各国在工程中所使用混凝土的强度等级,随着水泥制造和混凝土配置技术水平而逐步提高。20世纪30年代以前,普遍采用结构混凝土的强度以现行的强度等级表示仅为C10～C15,而目前,我国实际工程中普遍使用的混凝土强度等级为C20～C40。随着混凝土结构应用领域的扩展、规模的增大,结构工程向总高更高、跨度更大、荷载更大的方向发展,因此对其性能要求也更高。现代混凝土技术的发展趋势,是混凝土的高强化与流态化,随着建筑业的飞速发展,提高工程结构混凝土的强度,已成为当今世界各国土木建筑工程界普遍重视的课题,它既是混凝土技术发展的主攻方向之一,也是节约能源、资源的重要技术措施之一。以混凝土框架柱为例,若使用一般强度混凝土,为解决高度高、跨度大、荷载大的问题,并满足自身轴压比的要求,则需要增大柱截面面积,而截面面积的增大,往往又容易形成短柱且减小了建筑内使用面积。为解决这一矛盾,途径之一就是使用高强度混凝土(High Strength Concrete,简称HSC)。

2 国内外应用现状

如何划分高强混凝土的范围,国内外没有一个确定的标准。但随着施工技术水平和实际工程要求的不断提高,人们对高强混凝土的要求也不断的增加。现在世界上普遍使用的混凝土强度为C30～C50,高强混凝土强度达到C80～C100。实验室配置的混凝土强度已高达300 MPa,很接近混凝土的绝对最大抗压强度极限。我国一般认为将强度不小于C50的混凝土称为高强混凝土。这一划分与模式规范CEB2FIP MC90、美国ACI、日本等国家的标准一致。国内各地在一些工程中已使用了C50～C60级混凝土,个别工程中达到C60～C80,有关的设计和施工指南已经面世。

3 高强混凝土的性能

3.1 高强混凝土的优点[1][2]

3.1.1 强度高,刚度大。由于高强混凝土的抗压强度超出普通混凝土很多,为发挥其这一特性,可在以受压力为主的如钢筋混凝土柱和拱壳等构件中使用高强混凝土,使其承载力大幅度提高。在相同的荷载下,使用高强混凝土可使构件的截面减小。在受弯构件中可降低截面的受压区混凝土高度。因此,利用其材料强度高的特性,可以显著地减小构件截面尺寸,降低结构体重,增加建筑有效空间和跨度。另外在制作预应力钢筋混凝土构件时,由于高强混凝土刚度大、变形小,故可以施加更大的预应力和更早地施加预应力,以减小因徐变而导致的预应力损失。

3.1.2 流动性大,早期强度高。高强混凝土在配制过程中使用高效减水剂等,能同时增加混凝土的坍落度和早强的性能,可采用商品混凝土和泵送等机械化施工工艺。由于高强混凝土具有早期强度高的特点,施工中可以早期拆模,缩短拆模时间,加速模板的周转,缩短施工周期,提高施工速度。

3.1.3 耐久性好[3]。混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、耐磨性以及抗侵蚀性等。由于高强混凝土具有很好的密实性,因此高强混凝土在这些方面的性能均明显优于普通混凝土,尤其是外加矿物掺合料的高强混凝土,其耐久性有进一步的加强。

3.1.4 质量轻,节材效果显著。高强混凝土抗压强度较高,可以减小结构的截面尺寸,这就意味着它可降低结构自重,增加有效使用面积,减轻地基负荷。据有关资料分析,在一般情况下,混凝土强度等级由C30提高到C60,结构体积可减少1/3,相应的体重也可减少1/3,且往往还可使混凝土快硬、耐久性得到改善,建筑物的使用期限将超过一个世纪。此外,可以大量减少材料用量及运输、建筑成本,并大幅降低施工能耗。可见,发展高强混凝土的经济效益是十分显著的。

3.2 高强混凝土的缺点

3.2.1 延性差,呈现脆性破坏。在普通强度的混凝土中,骨料的强度和弹性模量比水泥石大得多。因此,普通混凝土在受压时其内部微裂缝的扩展大多不会通过骨料,破坏多是在骨料与水泥石的界面上或水泥石本身。而高强混凝土中,水泥石的密实度较高,强度和弹性模量较大,混凝土内部裂缝少,界面粘结强度高水泥石与骨料共同工作的作用较强。受压时破坏面上的骨料大都被破坏,所以高强混凝土的破坏比普通混凝土表现出更大的脆性。

3.2.2 耐火性差[4],高温下强度下降快。高强混凝土在火灾高温作用下强度下降很快,并会产生爆裂问题。高强混凝土强度在100℃～300℃时强度损失较大,在温度较高时会出现爆裂现象,发生脆性破坏。如图1所示,普通混凝土在温度300℃以下时强度变化不大;而高强混凝土在100℃时强度已经损失20%,随着温度的继续升高,强度有所恢复,当强度值到达顶峰时比室温下的强度高出10%～20%,但在400℃～600℃时,强度剧烈下降。当温度升至700℃时,混凝土强度只及常温下的30%。

3.2.3 对原材料、生产、施工条件要求较高。由于高强混凝土强度等性能较一般混凝土高,故高强混凝土对原材料质量要求严格,对施工各环节(如:生产、运输、浇筑和养护)的质量及其管理水平要求也较高。伴随着现代科学技术的发展,高强混凝土应用领域的增多,各国已能较好的解决在高强混凝土生产、施工过程中遇到的问题,但对工程总体造价的提高有所影响。

4 高强度混凝土的原材料[5]

4.1 水泥的因素

配制高强度混凝土在选择水泥时应注意它与可能选用的高效减水剂之间的相容性,一般所选用的水泥应该是42.5级以上的且质量稳定的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,最好采用纯硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的强度因矿物组分而异,而且其矿物成分的水化反应也受各种因素的影响,即使水泥品种相同,早期养护温度不同,强度的发展也不同。如在反应初期提高温度,可以加速水化反应,但由于水泥粒子表面被析出的硅酸钙水化物C-S-H包裹着,妨碍水泥粒子内部的进一步水化,后期强度受到影响。高细度水泥能获得早期强度,但后期强度很少增加,且水化热严重。所以单纯增加细度并不合适。混凝土的强度主要取决于集料和水泥浆强度,以及集料与水泥浆体之间的界面过渡区的强度。为了获得高强度,应尽量降低其孔隙率。在配制高强度混凝土时,降低孔隙率通常采用的办法有:降低水灰比,提高水泥浆的稠度,或使水泥水化完全,降低内部孔隙率,这就需要选择适当的外加剂,使水泥粒子分散,充分水化,此外还需要在适当的温度与湿度下养护。配制高强度混凝土的水泥用量较多,但过大的水泥用量不但增加成本,而且会产生多种不利后果。如过量的水化热、收缩增大、增加混凝土的脆性等。因此最合理的方法是外加活性矿料替代部分水泥。许多资料表明在配制高强度混凝土时,水泥用量最好控制在550 kg/m3以内,这时可通过掺加硅灰、粉媒粉等矿物料来提高混凝土强度。

4.2 集料的因素

对于粗集料,在水灰比相同时,表观密度大的粗集料混凝土强度高,吸水率低的粗集料混凝土强度高。强度高的石料一定有其优越性,但它并不是最关键的因素。粗集料是和包裹它的水泥砂浆共同受力的,如何减小混凝土孔隙率使它达到更加密实的状态才是决定混凝土强度的最关键因素。这里的孔隙包括集料之间的,集料与水泥浆之间的和水泥浆内部的。对于中低强度混凝土,适当加大粗集料粒径可在同一坍落度情况下减少水的用量,因而对混凝土的强度有利。但对于高强度混凝土来说,加大集料粒径并不能增加混凝土的强度,反而可能影响混凝土的强度。大粒径的集料内部存在着更多的薄弱环节,其薄弱环节是按层理分布的,这样就形成一个较大较长的薄弱面,如果混凝土的某一部分有多个有相近方向的薄弱面的话就形成了一个影响混凝土强度的薄弱区。然而集料粒径较小,在破碎的过程中这样的薄弱环处往往分开,这就使小粒径集料的薄弱环节减少,由于集料粒径小,形成的薄弱面较小,在混凝土中的分布较为均匀,很难在混凝土中形成影响强度的薄弱区。另外,粒径较小的集料有较大的表面积,故能增加其与水泥浆的粘结面积,从而界面受力比较均匀。由于高强度混凝土水灰比较小,采用连续级配能使混凝土获得更好的工作性能。当其他条件相同时,卵石配制的高强度混凝土强度明显小于碎石,因此不宜采用卵石配制很高强度的混凝土,但采用卵石时,混凝土拌和料的和易性比较好。在高强度混凝土中,细集料应选用洁净的砂子,最好是圆形颗粒的天然河砂,细度模数为2.7~3.1。根据资料和经验,在高强度混凝土中粗细集料的比值可取2.0,即砂率为0.33。因为粗集料的表面积相对砂来讲比较小,需要包裹在它周围的水泥浆量要少,这样在相同水灰比相同水泥用量的情况下,可以增大新拌混凝土的坍落度。更小的砂率还有可能提高混凝土强度,但那将损害混凝土的工作度。

5 改善高强混凝土延性的几种方法[6]

5.1 改善高强混凝土构件的延性

改善高强混凝土构件延性的方法有许多:如箍筋约束混凝土、钢管混凝土、复合材料约束混凝土和型钢混凝土组合结构等。约束混凝土的方法则是将混凝土处于三轴受压应力约束状态下,核心区混凝土的强度和变形能力都有所提高,进而改善了高强混凝土构件的延性,成为工程中改善高强混凝土构件力学性能的重要措施。

5.2 向高强混凝土中加纤维

通过向高强混凝土中加入纤维,也可增加高强混凝土的延性。在高强混凝土中加入纤维的方法,是通过增强开裂时混凝土块之间的纤维联系,增加高强混凝土之间的连接力,进而达到增加高强混凝土延性的目的。

5.3 采取合理结构形式

通过采用延性框架等合理的结构形式,也可以提高高强混凝土的延性。

6 结语

高强混凝土在近几年发展迅速,被运用在国内外许多工程中,国内外众多学者都进行了相关研究,是当前土木工程界的一个主要的研究方向。高强混凝土有普通混凝土不具有的优点:强度高、流动性大、早期强度高、耐久性好、相对构件体重小,节材效果显著。但应用中也应当注意高强混凝土有延性差,呈现脆性破坏,耐火性差,高温下强度下降快,生产、施工条件较严格等缺点。通过约束混凝土和加入纤维等方法可以提高高强混凝土构件的延性。综合比较来看,在满足强度要求并有一定的经济效益的前提下,不应盲目追求混凝土的高强度。即便采用了高强混凝土,在选用合适的强度等级上也需进行比较。如对相同的结构,对采用C60与C80混凝土做比较,用C60比C80混凝土要节省10%的造价。故从目前来看,宜大力推广C60级高强混凝土,以期获得较高的技术、经济效益。

参考文献

[1]陈敏.高强混凝土(HSC)的性能与展望[J].山西建筑,第16期.

[2]谢浩,陈杨生.高强混凝土的性能及应用研究[J].砖瓦,2006-2009.

[3]徐辉东,张慧,李雷.高强高性能混凝土耐久性试验研究[J].中国建筑防水,2008.

[4]徐晓勇,马彦飞,石国柱. 钢纤维对高强混凝土高温作用后力学性能影响的研究[J]. 江苏建材,2008.

[5]胡小飞.浅析影响高强混凝土的因素及其检验方法[J].可再生能源,2008.

[6]肖建庄.高强混凝土结构性能及发展[J].建筑技术开发,2002.