高强与超高强混凝土研究、开发、应用

[摘 要]阐叙了研究、开发、应用高强与超高强混凝土的的重大意义，提出了制备技术和途径，说明了主要原料及其性能要求。

[关键词]高强与超高强混凝土研究 开发 应用

中图分类号：TU528.572 文献标识码：TU 文章编号：1009914X（2013）34014501

引言

混凝土是人类最大宗的建筑结构材料，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，人类有能力扩展生存的空间。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；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C60～C90属高强混凝土范畴，C100强度等级以上属超高强混凝土。与普通混凝土相比，应用高强与超高强混凝土具有下列优越性。

（1）有效减轻结构自重。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。

（2）大幅度提高混凝土的使用性能及耐久性。通过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。

（4）可以有效解决特殊环境、特殊地理位置的大跨度混凝土构件及构筑物的建造。

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

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。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，具有的大量的应力骨中现象所致。因此，研制高强与超高强混凝土，是建立在降低其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骨中基础之上的。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。主要在制品厂、轨枕生产厂、桥梁厂使用，可获C80～C150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，在水泥石和水泥石骨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举措。

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。采用这一路线，可以制成超快硬（1d抗压强度达70Mpa）、超高强（28d抗压强度达120.4Mpa）、高抗渗（抗渗标号>s40）、高抗冻（达1000次冻融循环以上）、高抗蚀的碱矿渣混凝土，而且其他性能优异，水化热低，成本也不高。

2.4、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无机有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，不渗水，抗冻循环在1000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

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、骨料、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

水泥浆将骨料粘结成整体，高强混凝土必须以高标号的水泥与高活性材料作为混凝土的胶结材料。水泥的选择对于高强混凝土的制造是十分重要的。

（1）需水性。使水泥净浆、水泥砂浆或混凝土达到一定的可塑性和流动性所需要的拌和水量成为水泥的需水性。混凝土的需水性与混凝土的混凝土配合比、粗细骨料的性质、粒径以及形状有关。在混凝土配合比及粗细骨料等条件固定的情况下，混凝土需水性与水泥净奖需水性密切相关。显然水泥浆标准稠度用水量较小的水泥，在配置相同稠度的混凝土时可以采用较小的水灰比，因而可以获得更高的强度。

（2）细度：水泥的细度特别是水泥中熟料颗粒的细度对于水泥的强度发展更为重要，水泥强度随颗粒直径的减小而提高，其中早期强度的提高更为显著，根据一些计算结果认为，只有水泥颗粒直径小于50wm，在普通条件下才有可能全部水化，但在水泥颗粒级配中，颗粒直径大于50wm的约占20%。因此，有相当一部分的水泥并没有完全水化。较细的水泥熟料颗粒有利于起胶凝作用的水化产物的形成和充分发挥熟料的胶凝性能。

（3）强度：水泥强度主要由组成水泥的四大矿物成分决定，其中C3S水化速度最快，早期强度和后期强度都很高。因此是决定水泥标号的重要矿物，C3S、C2S占水泥总重量的75%-82%。

（4）总的来说配置高强混凝土通常使用R52.5及更高标号的硅酸盐水泥与早强硅酸盐水泥。

3.2、骨料

粗骨料是混凝土的骨架，水泥浆通过粘结填充作用将各种材料粘结成为一个整体，混凝土所受压力主要由骨料承担，此骨料的抗压强度均高于混凝土抗压强度，且应大于1.5.在一般的混凝土中，不同类型骨料对抗压强度的影响不大。但在高强与超高强混凝土中，骨料的差异对混凝土的强度影响很大。

建议所采用骨料的母岩强度>1.7倍混凝土强度（如用玄武岩、辉绿岩作超高强混凝土骨料）。

（1）粗骨料粒径不能过大，一般建议在10～19mm，且形状好、级配佳。

（2）细骨料也应尽量要求强度高、级配好、含泥量少。

（3）骨料的弹性模量宜高些。

（4）细骨料以采用中砂为好，但特细砂经过试验确定配比后也可用。

3.3、掺合料

高强与超高强混凝土常用的掺合料有硅灰、超细矿渣以及粉煤灰等。

（1）硅灰是最好的活性矿物掺合料，但资源有限，成本高，包装运输不便。

（2）超细矿渣的比表面积达800～1000m2＼kg。将其掺入砂浆中，可使抗压强度及其他性能有很大的改善。

（3）一般情况下，将粉煤掺入混凝土中，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）研制新活性矿物掺合料，如将高岭土烧成偏高岭土磨细；合成的水化硅酸钙或无水硫铝酸钙等；

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。

3.5、水

必须满足规范中对水的品质要求。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、高活性矿物磨细掺合料、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骨料间的粘结力等因素来考虑。高强与超高强混凝土的应用能够极大地提高社会生产力水平，更大程度上满足社会人们生产和生活需要，更好的服务于国家经济建设。