2013年巖土工程師專業(yè)考試精講：高強混凝土

　　高強混凝土的優(yōu)越性

　　在一般情況下，混凝土強度等級從C30提高到C60，對受壓構件可節(jié)省混凝土30-40%;受彎構件可節(jié)省混凝土10-20%.雖然高強混凝土比普通混凝土成本上要高一些，但由于減少了截面，結(jié)構自重減輕，這對自重占荷載主要部分的建筑物具有特別重要意義。再者，由于梁柱截面縮小，不但在建筑上改變了肥梁胖柱的不美觀的問題，而且可增加使用面積。以深圳賢成大廈為例，該建筑原設計用C40級混凝土，改用C60級混凝土后，其底層面積可增大1060平方米，經(jīng)濟效益十分顯著。由于高強混凝土的密實性能好，抗?jié)B、抗凍性能均優(yōu)于普通混凝土。因此，國外高強混凝土除高層和大跨度工程外，還大量用于海洋和港口工程，它們耐海水侵蝕和海浪沖刷的能力大大優(yōu)于普通混凝土，可以提高工程使用壽命。高強混凝土變形小，從而使構件的剛度得以提高，大大改善了建筑物的變形性能。

　　高強混凝土施工技術

　　現(xiàn)代高強混凝土在施工中要解決下列技術問題：1.低水灰比，大坍落度2.坍落度損失問題3.混凝土可泵性問題

　　1)低水灰比，大坍落度

　　高強混凝土一般要求低水灰比，這種低水灰比的混凝土早在60年代末，我國就有過研究與應用，但由于混凝土在低水灰比的情況下，坍落度很小，甚至沒有坍落度，其成型和搗實都很困難，無法在現(xiàn)澆混凝土施工中應用。

　　2.)坍落度損失問題

　　現(xiàn)代城市混凝土施工，一般采用預攪或商品混凝土。施工工地往往與攪拌站相距很遠，要把混凝土從攪拌站運到工地需用較長的時間。混凝土在運輸?shù)倪^程中，其坍落度隨時間的增加而減小，這對高強混凝土來說無疑又增加了難度。

　　3.)混凝土可泵性問題

　　泵送混凝土幾乎是高層建筑施工的唯一方法。所以高強和泵送幾乎是不可分割的。所以對高強混凝土要解決混凝土可泵送的要求。

　　解決方法對策

　　1)對原材料的選擇

　　配置C60級高強混凝土，不需要用特殊的材料，但必須對本地區(qū)所能得到的所有原材料進行優(yōu)選，它們除了要有比較好的性能指標外，還必須質(zhì)量穩(wěn)定，即在施工期內(nèi)主要性能不能有太大的變化。

　　2)工時的質(zhì)量控制和管理

　　一般來說，在試驗室配置符合要求的高強混凝土相對比較容易，但是要在整個施工過程中，混凝土都要穩(wěn)定在要求的質(zhì)量水平功能上就比較困難了。一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比的情況下會變得相當敏感，而對高強混凝土，設計時所留的強度富余度又不可能太大，可供調(diào)節(jié)的余量較小，這就要求在整個施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據(jù)這些變化隨時調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。對于高強混凝土，一般檢測技術如回彈、超聲等在強度大于 50MPa后已不能采用。唯一能進行檢測的鉆心取樣法來檢驗高強混凝土也有一定的困難(主要是研究資料較少和標準不完善)。這說明加強現(xiàn)場施工質(zhì)量控制和管理的必要性。

　　3)超細活性摻合料的應用

　　對于強度等級為C80或更高的混凝土需要采取一些特殊的技術措施-摻入超細活性摻合料。混凝土強度達到一定極限后就不可能再增加了，因為混凝土強度在水化時不可避免地會在其內(nèi)部形成一些細微的毛細孔。如果要使其強度進一步提高，就必須采取措施把這些孔隙填滿，進一步增加混凝土的密實性。最常用的方法是用極細(微米級)的活性顆粒摻入混凝土，使它們在水漿中的細微孔隙中水化，減少和填充混凝土中的毛細孔，達到增密和增強的作用。但是這些極細的顆粒需水量很大，就需要大量高效減水劑加以塑化，否則難以施工。再者，超細活性顆粒在混凝土攪拌時，到處飛揚，很難加入混凝土中，故必須對超細活性顆粒進行增密處理后才能使用。

　　高強混凝土在性能上尚存在的問題及其改善的途徑

　　配制高強混凝土的特點是低水膠比并摻有足夠數(shù)量的礦物細摻合料和高效減水劑，從而使混凝土具有綜合的優(yōu)異的技術特性，但由此也產(chǎn)生了兩個值得重視的性能缺陷：(1)自干燥引起的自收縮;(2)脆性

　　1)自干燥引起的自收縮

　　近年來，國外許多學者發(fā)現(xiàn)高強混凝土存在早期收縮開裂的問題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當活性的礦物細摻合料的混凝土中會產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，使混凝土內(nèi)部結(jié)構受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。有關文獻資料表明：水膠比低于0.3的混凝土，其自收縮值可高達 200～400×10-6.免振自密實混凝土由于含有較多的粉料量，當粉量達500kg/m3，其自收縮值可達100～400×10-6.而摻有大量磨細礦渣的大體積混凝土，其自收縮值也可達100×10-6.混凝土產(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對濕度的影響而引起的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構微細孔內(nèi)自由水量的不足，使混凝土內(nèi)部供水不足，內(nèi)部相對濕度自發(fā)地減小而引起自干燥，并導致了混凝土的收縮變形，故稱之為自收縮。

　　高強混凝土的配制，正因為是低水灰比或水膠比并摻有較大量的活性礦物細摻合料，因此，其早期的收縮開裂十分敏感。在混凝土內(nèi)部水量較少的情況下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛細管中的水也被逐步吸收減少，在沒有剩余自由水的情況下，就形成了空的孔隙，使水泥石的內(nèi)部不再存在未結(jié)合水的平衡。因此，水泥石內(nèi)部的相對濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時也是難以有水分滲濾的封閉狀態(tài)中的粘彈性固態(tài)的膠凝材料系統(tǒng)中，由于水泥石內(nèi)部相對濕度的降低而使孔中存在一定的氣相，孔中水飽和蒸汽壓隨之而降低，毛細管中水呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)。此狀況在長期處于封閉狀態(tài)的情況下，隨著水泥水化反應的進行越演越烈，其結(jié)果導致了毛細管中的液面形成變月面，使毛細管壓升高而產(chǎn)生毛細管應力，使水泥石受負壓作用，成為凝結(jié)硬化混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素。

　　此外，較大量的活性礦物細摻合料的摻入，也會使混凝土產(chǎn)生自收縮，特別是硅灰的摻入。其原因主要是由于硅灰具有較高的火山灰活性，而增加了化學減縮。在水泥水化初期生成較高含量的凝膠孔的孔結(jié)構體系的水泥石也會產(chǎn)生高度的自干燥而引起較嚴重的自收縮。再者，由于硅灰的表面積較大、活性強，會導致灰與攪拌水很快結(jié)合，加速了水泥石中孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對濕度的降低而增大了自干燥。

　　混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。當混凝土由流態(tài)轉(zhuǎn)向粘彈性固態(tài)時，尤以初凝到1d齡期時為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時的自收縮愈大。

　　自收縮對混凝土內(nèi)部結(jié)構中裂縫的產(chǎn)生和擴展造成的損傷是一個值得重視的問題。由于硬化后高強混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時，也阻礙了外部養(yǎng)護水對混凝土的濕養(yǎng)護作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國內(nèi)外學者曾提出一些技術措施如：摻入一定量的膨脹劑;以部分粉煤灰等量取代水泥;配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國外學者提出了采用圍水養(yǎng)護即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時，盡快地立即進行水霧養(yǎng)護，對減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。

　　另一技術措施是在混凝土中加入部分含水飽和的輕集料替代普通集料，含水飽和輕集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土內(nèi)部供水起內(nèi)養(yǎng)護作用。但此方法需根據(jù)混凝土強度要求而采用。

　　2)脆性

　　脆性可以描述為混凝土無法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴展與增長。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應力――應變曲線中，峰值后下降曲線段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗已表明，混凝土的強度愈高，其應力――應變曲線過峰值后的下降段曲線愈陡斜。這意味著該混凝土的脆性愈大。因此，高強混凝土的脆性已引起廣泛的重視，混凝土脆性的增大會給工程結(jié)構特別是有抗震要求的工程結(jié)構帶來很大的危害。在高強混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國外已有學者提出纖維增強高性能混凝土，而且將之與纖維增強傳統(tǒng)混凝土和基材(未摻纖維的傳統(tǒng)混凝土)進行拉伸應力――應變的對比。纖維增強傳統(tǒng)混凝土比無纖維增強的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強高強混凝土與無纖維增強的基材相比，在拉伸應力――應變曲線中有三個特征是值得重視的：

　　(1)彈性極限顯著提高了。強性極限反映宏觀裂縫出現(xiàn)的起點。

　　(2)呈現(xiàn)出有一明顯的應變強化段。應變強化段是反映宏觀裂縫出現(xiàn)后，裂縫分散數(shù)量的增加，但這些裂縫的寬度很小。

　　(3)峰值后出現(xiàn)應變軟化段。應變軟化段反映了裂縫數(shù)量雖保持不變，但裂縫寬度增大了，最后導致纖維被拔出或斷裂而破壞。因此，纖維增強高強混凝土不僅大大提高了拉伸應力而且顯著改善了高強混凝土的脆性。

　　對于纖維品種的選用，試驗表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對改善高強混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

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