高性能混凝土制备与性能研究

高性能混凝土制备与性能研究（中铁二局股份有限公司公司张利平）第一章高性能混凝土一、高性能混凝土的定义自“高性能混凝土”(High Performance Concrete)一词提出以来的十几年来，至今对它没有统一的解释或定义。

HPC是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在有效的质量控制下（计量精度、搅拌时间）制成的。

除采用优质水泥、水和集料以外，必须采用低水胶比和掺加足够数量的矿物外掺料与高性能外加剂。

高性能混凝土并不能简单地认为是高强混凝土。

HPC应同时保证下列性能：工作性、各种力学性能、耐久性、适用性、体积稳定性和经济合理性。

只要满足工程使用所要求的工作性(流动性、粘结性、保水性等混凝土拌合物性能)、承受各种荷载所需要的强度性能、耐久性(抗介质渗透性、抗冻融性、抗磨蚀性、体积稳定性)、经济合理(包括材料、设计、施工、维护保养等)、对环境损害较小(满足生态、环保、可持续发展要求等)的混凝土就应该看成是高性能混凝土。

高性能混凝土与普通混凝土相比具有如下优点：1.具有良好的工作性能，混凝土拌合物应具有较高的流动性，不分层、不离析、易浇筑，泵送混凝土、自密实混凝土还应具有良好的可泵性、自密实性能。

2.强度更高因而结构尺寸更小，这就使得结构自重减轻、使用面积增加、材料用量减少。

3.弹性模量更高，因而结构变形更小、刚度更大、稳定性更好。

4. 抗渗性、耐久性好，因而结构的工作寿命大幅度延长。

5.具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后具有较小的收缩变形。

二、高性能混凝土与普通混凝土的区别1.普通混凝土是以抗压强度作为最基本的特征，高性能混凝土则是以耐久性为主要指标，同时还有工作性、强度、体积稳定性等。

2.普通混凝土是以水泥、粗骨料、细骨料、水四大组分为原材料，高性能混凝土则在前者的基础上增加了大量（不是越多越好）的外加剂和掺合料，使其性能得到质的变化。

3.普通混凝土一般采用0.40～0.80的水胶比，高性能混凝土因掺入高效减水剂使水胶比减少即不大于0.40，甚至不大于0.20。

4.相比普通混凝土，采用低水胶比高性能混凝土，硬化后毛细孔数量显著减少，而超细掺合料又改善粉体集料级配，大幅减少毛细孔数量，毛细孔越少，混凝土越密实，耐久性越好。

5.相比普通混凝土，高性混凝土具有高强度、高耐久性及高工作性等性能。

6.高性能混凝土设计使用年限为100年，而普通钢筋混凝土使用寿命只有40～50年。

高性能混凝土在本质上和普通混凝土没有很大的差别，所使用的原材料、其生产及施工工艺过程在宏观上也基本一致；所以在高性能混凝土的配制中，根据结构所要求的施工中所要求的工作性能、强度和耐久性，通过试验来确定的，在不采用特殊的原材料、不改变常规施工工艺以及尽可能节约成本的原则下，通过采用低水灰比、掺用高效减水剂和矿物质细掺料的配制特点，经过反复对比试验，配制出高强度、高耐久性、低徐变、体积稳定性好的高性能混凝土。

与普通混凝土相比高性能混凝土的生产和施工并无需要特殊的工艺，但是在各工艺环节上普通混凝土不敏感的因素，高性能混凝土却很敏感，因而需要更为严格控制和管理。

三、高性能混凝土技术途径高性能混凝土技术路线：通过使用高性能减水剂，降低水胶比，并使混凝土具有较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇筑混凝土密实性，这是获得高性能混凝土途径的一方面。

另外，通过掺加合格的矿物掺合料，改善骨料和水泥浆的界面结构，改善砂浆的空隙结构，提高混凝土的抗渗性、耐久性和强度，这也是获得高性能混凝土途径的另一方面。

第二章高性能混凝土原材料选择和控制高性能混凝土由于要满足多元组分（高性能混凝土：水泥、矿物掺合料、外加剂、水、砂、石；普通混凝土：水泥、水、砂、石）优化配制、工作性、可泵性、高强度、良好的耐久性等多方面的技术要求，故在原材料选择上要比普通混凝土严格、复杂得多。

一、水泥1.水泥定义：凡细磨成粉末状，加适量水拌和成塑性浆体，能胶结砂、石等适当材料，并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。

硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成的水泥，即国外通称的波特兰水泥(P·Ⅰ型，硅酸盐水泥;P·Ⅱ型，硅酸盐水泥，含0～5%的混合材)。

普通硅酸盐水泥:由硅酸盐水泥熟料、少量混合材料、适量石膏磨细制成的水泥(P·O型, 普通硅酸盐水泥，含6～20%的混合材)。

2.铁路混凝土宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,混合材料宜为矿渣或粉煤灰,不宜使用早强水泥.C30以下混凝土，可采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合水泥。

水泥特性中影响聚羧酸高性能减水剂与水泥的适应性的主要因素包括：（1）水泥熟料的化学组成；（2）石膏的形态和掺量；（3）水泥的细度；（4）混合材的种类与掺量；（5）水泥的碱含量；（6）水泥的放置时间及温度。

2.1水泥化学组成对聚羧酸减水剂的影响2.2.1 C3A含量对聚羧酸减水剂的影响水泥中随着C3A含量的增加，外加剂分散性变差，分散保持性也逐渐下降，这主要与C3A的水化速度和晶体缺陷有关，水泥的主要化学成分为C3S、C2S、C3A、C4AF，C3A 的水化速度最快，水化放热量最大，晶相缺陷较多，水化初期的动电电位呈正值，因而C3A在水泥水化初期能较强吸附聚羧酸减水剂分子（聚羧酸减水剂为阴离子表面活性剂）。

使对其他粒子产生分散作用的减水剂分子减少；而对减水剂及分散保持性起关键作用的是吸附在水泥水化物表面的减水剂分子及游离在水泥浆体中的减水剂分子。

随着C3A含量的增加，水泥浆体形成骨架结构的速度加快，更多的减水剂分子被C3A消耗，需水量也增大，而吸附在水泥颗粒水化物表面的减水剂分子及游离在水泥浆体中的减水剂分子逐渐减少，致使外加剂分散性和分散保持性变差。

另外，占水泥成分较大较多的C3S、C2S在水泥水化初期的动电电位呈负值，对减水剂的吸附明显低于C3A。

研究表明, C3A含量在8%以下时,水泥和外加剂适应性较好,当C3A 含量超过8.5%时,调整减水剂用量,调整减水剂用量也不能解决混凝土坍落度损失较快的问题。

2.2.2 石膏对聚羧酸减水剂的影响石膏作为水泥生产的调凝剂，通过释放SO42-与C3A生成钙矾石和单硫铝酸钙来控制硅酸盐水泥的凝结时间和硬化速度，石膏的形态对水泥和聚羧酸外加剂的适应性有重要影响，目前水泥生产中主要有脱硫石膏、天然二水石膏、硬石膏，释放SO42-的速度依次为：脱硫石膏、天然二水石膏、硬石膏；试验证明，以脱硫石膏作为调凝剂的水泥和聚羧酸减水剂适应最好，天然二水石膏作为调凝剂的水泥适应性其次，以硬石膏作为调凝剂的水泥适应性最差。

这主要和SO42-的释放速度及含量有关，水泥水化之初，由于C3A 水化速度快，须引入SO42-与C3A反应生成钙矾石和单硫铝酸钙来控制C3A的反应速度，否则会出现闪凝现象。

当水泥中石膏释放SO42-较慢，即浆体中SO42-较少，而相对较多C3A水化，则减水剂则被吸附于C3A 及初期水化物，降低了减水剂分子浓度，分散作用小，坍落度损失加剧；当SO42-浓度较高时，大量的成核作用和石膏晶体的生成会产生假凝现象。

只有SO42-的供给速度和含量合适时，即与C3A的量相对应时，水泥和减水剂的适应性就好；但脱硫石膏的掺量必须严格控制，掺量过多时，释放SO42-的速度比较快，将导致假凝现象。

2.2.3水泥细度对聚羧酸减水剂的影响随着水泥比表面积加大(越细),混凝土坍落度损失加剧.主要原因包括:水泥越细, C3A水化速度加快,就会在早期吸附更多的减水剂,从而减少吸附在水化产物表面即游离在浆体溶液中减水剂分子,降低了减水剂的分散性和分散保持性。

另外，水泥本身具有凝絮作用，水泥越细，凝絮作用越明显，破坏这种凝絮结构所需要的减水剂越多。

所以在减水剂掺量相同的条件下，水泥越细，其分散性、分散保持性越差。

现在很多厂家为追求早强，一味提高水泥磨细程度，对于这一类水泥，为了达到较好的分散、塑化效果，必须提高减水剂掺量。

2.2.4混合材对聚羧酸减水剂的影响普通硅酸盐水泥都掺加一定量的混合材，如粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矸石、石灰石、沸石等，由于混合材的种类、性质、掺量，引起聚羧酸减水剂对水泥的分散、塑化效果也不同。

按照规范，普通硅酸盐42.5水泥粉煤灰最大掺量为15%，但目前助磨剂的广泛使用，普通硅酸盐42.5水泥中混合材实际掺量为25%～30%，混合材以粉煤灰和粒化高炉矿渣为主，石灰石、煤矸石等辅料掺量不会超过混合材总量的10%。

粉煤灰内部多孔，其颗粒多为球形，颗粒表面包裹着一层致密的玻璃体，玻璃微珠效应增加混凝土的流动性，有利于降低单方混凝土的用水量，改善混凝土界面结构，从而提高混凝土密实性、强度、耐久性。

但Ⅱ级粉煤灰含碳量较大，对外加剂的吸附作用比水泥颗粒大，所以当外加剂存在时，大掺量普通粉煤灰的水泥浆体尽管初始流动度尚可，但随着时间的推移，粉煤灰颗粒吸附较多的减水剂分子，致使1小时内混凝土坍落度出现较大的损失。

粒化高炉矿渣硬度比水泥熟料高，外形为多棱角、无规则的颗粒，当磨到一定细度后多棱角、无规则的外形会得到显著改善，它与水泥颗粒或矿渣颗粒之间的接触点面积变小并具有斥水作用，对减水剂的吸附作用也小，所以用适量高炉粒化矿渣代替部分水泥可以改善水泥浆体的流动性，石灰石对减水剂的吸附作用也比较小，所以一般以粒化高炉矿渣和搭配适量石灰石可以改善水泥与减水剂的适应性。

另外，沸石与煤矸石对减水剂分子吸附性强，与聚羧酸减水剂的适应性差。

2.2.5碱含量对聚羧酸减水剂的影响碱含量对聚羧酸减水剂与水泥的适应性也有重要影响，过量的碱会和集料中的SiO2发生反应，生成膨胀的碱硅酸盐胶凝，一方面导致混凝土开裂，另一方面降低了聚羧酸减水剂对水泥浆体的塑化作用，使水泥浆体的流动性损失加快，凝结时间急剧缩短，当可溶性碱含量过低时，减水剂掺量不足便会引起混凝土坍落度损失过快（在减水剂自身很敏感的情况下，我们多数同行就少掺减水剂，而放大水胶比，这是不会调整外加剂敏感性的表现，导致混凝水胶比过大，混凝土粘性较低，泵送施工泌水，强度无法保证，再加之坍落度损失加剧又加水，强度更低，这个误区必须纠正；至于如何调整减水剂敏感性，下一步结合图片给大家讲解）。

当碱含量在0.4%～0.8%，碱含量对减水剂与水泥的适应性影响小。

2.2.6水泥新鲜程度和温度对聚羧酸减水剂的影响有拌混凝土配合比经验的技术人员都知道，水泥越新鲜，减水剂对其适应性越差，这是因为新鲜水泥较干燥，早期水化快，水化放热量较大，所以需水量就较大，而且对减水剂的吸附量也大，因为表现出减水剂减水率低，混凝土坍落度损失快等现象。

另外，当水泥温度不超过70℃时对减水剂的塑化影响不大，当水泥温度超过80℃时（规范也有规定不能超过该温度值）对减水剂的塑化效果降低明显，当水泥温度更高时，导致二水石膏脱水变成无水石膏，需水量及外加剂吸附作用明显增大，坍落度损失明显加快，外加剂与水泥适应性更差。