建筑施工手册系列之混凝土工程10-8 高性能混凝土

10-8 高性能混凝土高性能混凝土是用现代混凝土技术制备的混凝土。

它是相对于普通混凝土而言，因而它不是混凝土的一个品种，而是以广义的动态的可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土的组合。

高性能混凝土的基本条件是有与使用环境相适应的耐久性、工作性、体积稳定性和经济性。

高性能混凝土水化硬化特点：高性能混凝土配制的特点是低水胶比、掺用高效减水剂和矿物细掺料，因而改变了水泥石的亚微观结构，改变了水泥石与骨料间界面结构性质，提高了混凝土的致密性。

高性能混凝土的制备不应该仅是水泥石本身，还应包括骨料的性能，配比的设计，混凝土的搅拌、运输、浇筑、养护以及质量控制，这也是高性能混凝土有别于以强度为主要特征的普通混凝土技术的重要内容。

10-8-1 高性能混凝土原材料1．水泥并不是所有水泥都适合配制高性能混凝土，配制高性能混凝土的水泥应该有更高的要求，除水泥的活性外，应考虑其化学成分、细度、粒径分布等的影响。

在选择时应考虑下述原则：（1）宜选用优质硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

无论是在水泥出厂前还是在混凝土制备中掺入的矿物掺合料，都需要比水泥熟料更大的细度和更好的颗粒级配。

（2）宜选用42.5级或更高等级的水泥。

如果所配制的高性能混凝土强度等级不太高，也可以选用32.5级水泥。

（3）应选用C3S含量高、而C3A含量低（少于8%）的水泥。

C3A含量过高，不仅水泥水化速度加快，往往会引起水泥与高效外加剂相互适应的问题，不仅会影响超塑化剂的减水率，更重要的是会造成混凝土拌合物流动度的经时损失增大。

在配制高性能混凝土时，一般不宜选用C3A含量高、细度细的R型水泥。

（4）水泥中的碱含量应与所配制的混凝土的性能要求相匹配。

在含碱活性骨料应用较集中的环境下，应限制水泥的总碱含量（Na2O+0.658K2O）不超过0.6%。

（5）在充分试验的基础上，考虑其他高性能水泥。

2．外加剂用于高性能混凝土的外加剂主要是高效减水剂，其次还有缓凝剂、引气剂、泵送剂等。

（1）高效减水剂高性能混凝土离不开高效减水剂。

任何一种外加剂都有一个与水泥等胶凝材料适应性问题，应通过试验来确定。

高效减水剂的减水率应该在20%以上，有时甚至高达25%以上；普通减水剂不仅减水率低（一般10%以下），而且掺量较低（如木钙不能超过0.3%），超过了反而有害，而高效减水剂则可高比例掺入水泥，除经济因素外，对混凝土并无不利影响。

常用的高效减水剂主要是三聚氰胺系、萘系和胺基磺酸盐系。

目前国内高效减水剂以萘系为主，产品型号有NF、UNF、FDN、NSZ、DH、SN及NNO等。

三聚氰胺系为树脂类高效减水剂，产品型号有SM、JZB-1、SP401等。

胺基磺酸盐系有AN3000、DFS-II等。

为了改善高效减水剂的性能，降低成本，常常将高效减水剂与缓凝剂一起使用。

通过优化各外加剂的比例和掺量，可以获得改善混凝土强度增长性质，改善拌合物工作性和减少流动性经时损失。

目前我国生产的高效减水剂产品多是这样复合配制而成的，有时在复合配制时掺入“载体”以降低成本，如此对配合比设计带来麻烦。

建议选购合适的高效减水剂母体，再根据性能要求和所用原材料进行试配。

即使同为萘系高效减水剂，不同生产厂家使用的原料和工艺也不尽相同，这更提出了注重复合配制和试配的重要性。

（2）其他外加剂在高性能混凝土中，为了改善拌合物及硬化后混凝土的性能，常常也引入一些其他的外加剂，如缓凝剂、引气剂、防冻剂、泵送剂等。

预拌混凝土的大量使用，常常需要调剂混凝土拌合物的凝结时间，在夏季施工以及大体积混凝土施工中更为突出，往往需要复合使用缓凝剂。

缓凝剂的缓凝效果和水泥组成、水胶比、缓凝剂掺入顺序、外界环境等有关。

如C3A和碱含量低的水泥，缓凝效果较好；在混凝土搅拌2~4min后掺入，比将缓凝剂加入拌合水中，凝结时间可延长2~3h。

掺有粉煤灰的高性能混凝土，凝结时间随掺量增大而不断延缓，掺矿渣粉或硅粉等对凝结时间影响相对较小。

不同缓凝剂亦存在与高效减水剂和水泥的相容性问题，应通过试验确定。

引气剂配制高性能混凝土，虽然混凝土的强度等级不是很高，但提高了混凝土的工作性和均质性，改善了混凝土的抗渗性和抗冻性。

用于混凝土的引气剂主要是聚乙二醇型的非离子表面活性剂。

引气剂在混凝土中形成大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，可以进一步提高混凝土的流动性和改善混凝土的耐久性。

但是由于气泡的引入提高了混凝土的孔隙率，因而使混凝土的强度及耐磨性有所降低。

加入引气剂的混凝土，必须采用机械搅拌，搅拌时间不小于3min，也不宜大于5min，采用插入式振动器时，振动时间不应超过20s。

3．矿物细掺合料矿物细掺合料是高性能混凝土的主要组成材料，它起着根本改变传统混凝土性能的作用。

在高性能混凝土中加入较大量的磨细矿物掺合料，可以起到降低温升，改善工作性，增进后期强度，改善混凝土内部结构，提高耐久性，节约资源等作用。

其中某些矿物细掺合料还能起到抑制碱-骨料反应的作用。

可以将这种磨细矿物掺合料作为胶凝材料的一部分。

高性能混凝土中的水胶比是指水与水泥加矿物细掺合料之比。

矿物细掺合料不同于传统的水泥混合材，虽然两者同为粉煤灰、矿渣等工业废渣及沸石粉、石灰粉等天然矿粉，但两者的细度有所不同，由于组成高性能混凝土的矿物细掺合料细度更细，颗粒级配更合理，具有更高的表面活性能，能充分发挥细掺合料的粉体效应，其掺量也远远高过水泥混合材。

如磨细矿渣的掺量可以占胶凝材料总量的70％，甚至到80％。

高性能混凝土应首选用需水量小的矿物细掺合料。

不同的矿物细掺合料对改善混凝土的物理、力学性能与耐久性具有不同的效果，应根据混凝土的设计要求与结构的工作环境加以选择。

使用矿物细掺合料与使用高效减水剂同样重要，必须认真试验选择。

（1）粉煤灰高性能混凝土所用粉煤灰从原材料上有所要求，要选用含碳量低、需水量小以及细度大的I级或II级粉煤灰（烧失量低于5%，需水量比小于105%，细度45μm筛余量小于25%）。

随着我国电厂煤燃料和工艺的改进，粉煤灰的品质大幅度改善，使得大量利用粉煤灰配制高性能混凝土成为可能。

由于粉煤灰粒子大部分为实心和中空的表面光滑的球状，因此在满足相同工作度的要求下，可以降低用水量，改善和易性，尤其适合泵送混凝土的应用。

粉煤灰的活性主要是火山灰活性，所以混凝土中掺入粉煤灰后，胶凝材料的水化反应放缓，水化热降低，新拌混凝土的初凝和终凝时间延长，绝热温升可以降低，特别有利于大体积混凝土的应用。

低水胶比的大掺量粉煤灰混凝土可以有很多的性能（粉煤灰占胶凝材料总量可达50%以上），虽然早期强度在常温下尚不够理想，但后期强度得到较大增长，养护温度越高，强度增长越显著。

粉煤灰除了改善和易性、降低水化热等外，还有许多其他方面的优点。

粉煤灰的品质及其均匀性是保证混凝土质量的前提。

控制水胶比在0.36以下，即使掺入占胶凝材料总量50%的II级粉煤灰，混凝土的60d强度也有可能达到60MPa以上。

粉煤灰还会提高硬化混凝土的弹性模量，减小收缩和徐变，同时起到改善混凝土抗蚀性能和抑制碱骨料反应的作用。

粉煤灰的负面影响主要有：由于粉煤灰的火山灰反应，消耗了一部分Ca（OH）2，混凝土碱性降低，从而在一定程度上影响到混凝土的碳化。

但是高性能混凝土由于抗渗性提高，碳化又受到削弱。

另一个是粉煤灰中的碳，能吸附引气剂，使含气量发生变化，因此对高性能混凝土的粉煤灰更应严格控制含碳量。

（2）磨细矿渣磨细矿渣是粒化高炉矿渣磨细到比表面积4000~8000cm2/g而成的。

粒化高炉矿渣，是由炼铁时排出的高温状态下熔融炉渣经急速水淬而成。

其中的钙、硅、铝和锰多处于非结晶的玻璃体。

通常认为，粒径小于10μm的矿渣颗粒参与28d前龄期的混凝土强度，10~45μm的参与后期强度，而大于45μm的颗粒则很难水化。

现代混凝土技术发现把水淬矿渣单独磨细后，作为混凝土的掺合料使用，活性可以得到很好激发，混凝土多项性能得到改善和提高，成为配制高性能混凝土的重要技术途径之一。

在配制高性能混凝土时，磨细矿渣的适宜掺量随矿渣细度的增加而增大，最高可占胶凝材料总量的70%。

矿渣磨得越细，其活性越高，但粉磨费用也越高，与粉煤灰相比，其早期活性明显较高，7d强度可赶超对比普通混凝土，而后期强度继续增加。

（3）超细沸石粉用于高性能混凝土的细沸石粉，与其他火山灰质掺合料类似，平均粒径＜10μm，具有微填充效应与火山灰活性效应。

因而能降低新拌混凝土的泌水与离析，提高混凝土的密实性，使强度提高，耐久性改善。

细沸石粉的细度与掺量对混凝土性能具有明显影响。

在一定的细度范围内增强效果提高，但过细时强度反而有所降低。

掺量以5%~10%为宜。

超细沸石粉配制的高性能混凝土，还具有优良的抗渗性和抗冻性。

对混凝土中的碱骨料反应有很强的抑制作用。

但是这种混凝土的收缩与徐变系数均略大于相应的普通混凝土。

（4）硅粉硅粉最主要的品质指标是SiO2含量和细度。

SiO2含量越高、细度越细其活性率越高。

以10%的硅灰等量取代水泥，混凝土强度可提高25％以上。

硅灰掺量越高，需水量越大，自收缩增大。

研究发现，在混凝土中掺入1kg硅粉后，为保持其流动度不变，一般需增加1kg 用水量。

因此一般将硅粉的掺量控制在5%~10%之间，并用高效减水剂来调节需水量。

在我国因硅粉产量低，价格高，出于经济考虑，一般混凝土强度高于80MPa时才考虑掺用硅粉。

硅粉常常与粉煤灰、矿渣细粉或其他掺合料共掺，以发挥它们的叠加效应，是目前配制高性能混凝土常用的方法。

（5）其他掺合料除了上述常用的掺合料以外，还可根据高性能混凝土的设计要求与资源条件，选用其他掺合料。

如：磨细石灰石粉、石英砂粉、稻壳灰、凝灰岩粉、偏高岭土细粉、磷渣粉、锂渣粉，以及其他一些具有一定化学反应性的细掺料。

开发应用这些细掺料还需要进行大量的试验研究工作。

4．骨料高性能混凝土对骨料的外形、粒径、级配以及物理、化学性能都有一定要求，但砂石又是地方性材料，在满足基本性能的条件下应因地制宜地选择。

随着配制混凝土强度等级的提高，骨料性能的影响将更为显著。

（1）粗骨料天然岩石一般强度都在80~150MPa，因此对了C40~C80高性能混凝土，最重要的不是强度，而是粒形特征、品种、级配、粒径以及碱活性等。

品种：应选择质地坚硬未风化的岩石，如石灰岩、辉绿岩、玄武岩等。

岩石的密度越大，吸水率越低，压碎值越小，其力学性能往往越好。

粒形与级配：配制高性能混凝土应选用针片状含量少的石子，针、片颗粒骨料不但降低混凝土的流动性，而且因其内部缺陷降低强度。

石子具有良好的级配，才能使骨料堆积密度增大，用于填充空隙的砂浆量减少，有利于混凝土体积稳定的提高，配制高性能混凝土应采用石子的连续级配，不宜在砂石场将其中粒径小于10mm的石子分离出去。