混凝土是人類最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料，其發(fā)展可以劃分為低強(qiáng)低耐久混凝土、高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土三個階段。從我國目前的生產(chǎn)力發(fā)展水平、混凝土配制技術(shù)、施工性能、設(shè)計(jì)和使用要求、施工機(jī)械及操作水平來看，目前正處于高強(qiáng)混凝土的配制和使用階段，這一時期還將經(jīng)歷很長一段時間。因此，充分利用地方資源，研究優(yōu)質(zhì)實(shí)用的高強(qiáng)或超高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)，全面提高混凝土的生產(chǎn)和使用水平，是建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。

    1、研究、開發(fā)、應(yīng)用高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的重大意義

    隨著人類社會的發(fā)展和進(jìn)步，人類有能力拓展生存的空間。目前，人們正在向高空、地底及海洋進(jìn)軍，現(xiàn)代建筑物越來越高層化、大跨化、輕量化；在海洋深處建造大型結(jié)構(gòu)物，在海面上建造巨大的工作平臺；越來越多的跨大江、深谷、海峽的大跨度橋梁和海底隧道在建造。所有這些，都要求混凝土的質(zhì)量越來越高。因此，高強(qiáng)度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料發(fā)展的方向。

    目前，一般認(rèn)為C50～C90屬高強(qiáng)混凝土范疇，C100及以上強(qiáng)度等級是超高強(qiáng)混凝土。與普通混凝土相比，研究應(yīng)用高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土具有下列優(yōu)越性：

    （1）有效地減輕結(jié)構(gòu)自重。鋼筋混凝土的最大缺點(diǎn)是自重大，在一般的建筑中，結(jié)構(gòu)自重為有效荷載的8～10倍。當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時，結(jié)構(gòu)自重降低。一些世界著名的專家預(yù)言，80%～90%的鋼結(jié)構(gòu)工程可用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)代替，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到100 MPa時，可以設(shè)計(jì)成的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)與鋼結(jié)構(gòu)一樣輕，因?yàn)檫@時二者的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與質(zhì)量的比值）大致相等。

    （2）大幅度提高混凝土的耐久性。高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土由于強(qiáng)度的提高、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的改善以及膠凝物質(zhì)相組成的優(yōu)化，其耐久性得到很大的改善。

    （3）節(jié)約材料和能源，降低建筑成本。

    可見，使用高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土可以獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。因此，研究開發(fā)高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土具有重大的意義。

    2、制備高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的技術(shù)途徑

    眾所周知，混凝土是一種典型的堆聚結(jié)構(gòu)工程材料，具有大量的不同尺寸和開始的內(nèi)部缺陷。由于混凝土的組分（水化新生物、未徹底水化的熟料顆粒、堅(jiān)固的大小巖石集料）和結(jié)構(gòu)元件（水泥石、砂漿組分、接觸區(qū)）彼此在強(qiáng)度特性、變形特性和物理性能方面有明顯的差異，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度材料彈性模量E低10-3個數(shù)量級，這是由于混凝土在受外部作用時應(yīng)力狀態(tài)很不一致，具有大量的應(yīng)力集中現(xiàn)象所致。因此，研制高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土，是建立在降低材料結(jié)構(gòu)缺陷并提高其密度、增強(qiáng)組分的強(qiáng)度和形變性以及減少其內(nèi)部應(yīng)力集中基礎(chǔ)之上的。曾經(jīng)或正在研究的制備高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的技術(shù)路線有以下幾條。

    2.1  干硬性高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土

    這一路線是在發(fā)明高效減水劑之前，采用強(qiáng)制攪拌和沖壓及振動軋壓等成型手段獲得。由于工作環(huán)境惡劣，主要在制品廠、軌枕生產(chǎn)廠、橋梁廠使用，可獲得C80～C150范圍的高強(qiáng)及超高強(qiáng)混凝土。

    2.2  高標(biāo)號水泥+超細(xì)礦物摻合料+高效減水劑

    這一路線是目前國際上較通用的技術(shù)路線。在普通混凝土中，為了保證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發(fā)，在水泥石和水泥石集料界面區(qū)域形成大量的各種孔徑的孔隙，以及因泌水、干縮等所引起的微管和微裂縫，這些缺陷是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降和其它性能指標(biāo)低的根本原因。因此，摻加高效減水劑、降低水灰比是一項(xiàng)行之有效的重要措施。

    改善水泥石中水化物的相組成，提高其質(zhì)量，是制備高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的另一重要課題。眾所周知，水泥水化后形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣及氫氧化鈣。其中水化硅酸鈣數(shù)量眾多，也最為重要。但由于水泥水化形成的大多是高堿性水化硅酸鈣，與低堿性水化硅酸鈣相比，前者強(qiáng)度低，后者強(qiáng)度高；同時存在的f CaO強(qiáng)度極低，穩(wěn)定性很差。因此，在制備高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土?xí)r，要設(shè)法降低高堿性水化硅酸鈣的含量，提高低堿性水化硅酸鈣含量，同時盡量消除fCaO.其方法是在混凝土中摻入活性礦物摻料，使其含有的活性SiO2、Al2O3與fCaO及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應(yīng)，生成低堿性水化硅酸鈣，以增加膠凝物質(zhì)的數(shù)量，改善其質(zhì)量。

    2.3  高強(qiáng)與超高強(qiáng)堿礦渣混凝土

    這一路線是采用磨細(xì)的高爐礦渣并加入堿組分獲得。當(dāng)用第一主族元素（Li、Na、K）的化合物進(jìn)行激發(fā)時，礦渣的水硬活性極佳。由于堿金屬化合物能在水中迅速離解成大量具有強(qiáng)大離子力的OH-離子，在離子力的作用下，礦渣玻璃體的結(jié)構(gòu)很快解體并發(fā)生水化，產(chǎn)生大量的低堿性水化硅酸鈣和堿金屬水化鋁酸鹽膠凝物質(zhì)，進(jìn)而形成水泥石硬化體。根據(jù)重慶建筑大學(xué)蒲心誠教授等人的研究，采用這一路線，可以制成超快硬（1d抗壓強(qiáng)度達(dá)70MPa）、超高強(qiáng)（28d抗壓強(qiáng)度達(dá)120.4MPa）、高抗?jié)B（抗?jié)B標(biāo)號＞S40）、高抗凍（達(dá)1000次凍融循環(huán)以上）、高抗蝕的堿礦渣混凝土，而且其它性能優(yōu)異，水化熱低，成本也不高。雖然目前不少人對其先進(jìn)性、適宜性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性尚不了解，但可以預(yù)見，高強(qiáng)與超高強(qiáng)堿礦渣混凝土將成為21世紀(jì)的一種新型混凝土。

    2.4  灰砂硅酸鹽混凝土

    采用鈣質(zhì)原料和硅質(zhì)原料等混合磨細(xì)，用高溫蒸壓方法制備，可獲得100～150MPa的高強(qiáng)混凝土。該混凝土水泥石主要由水化硅酸鹽組成。這一路線主要用于制管和制樁生產(chǎn)中。

    2.5  有機(jī)無機(jī)復(fù)合混凝土

    制備聚合物浸漬混凝土、聚合物水泥混凝土以及聚合物膠結(jié)混凝土，使混凝土進(jìn)入了使用有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠結(jié)材和高分子有機(jī)膠結(jié)材的新階段。聚合物進(jìn)入混凝土膠結(jié)料中，可大大提高混凝土的物理力學(xué)性能。如聚合浸漬混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較其基材可提高2～4倍，有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，幾乎不吸水、不滲水，抗凍融循環(huán)在1000次以上。但這種路線制得的高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土因成本高，且工藝與常規(guī)不同，只在特殊場合使用。

    3、制備高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的原材料及其性能要求

    采用目前國際上通用的技術(shù)路線制備高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土所用的材料是：水泥、集料、水、摻合料以及化學(xué)外加劑。這些原料的質(zhì)量和性能，對高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量和性能具有很大的影響。

    3.1  水泥

    通常使用硅酸鹽水泥與早強(qiáng)硅酸鹽水泥。其中對水泥的品質(zhì)和強(qiáng)度有如下的建議：

    （1）使用525及更高標(biāo)號的硅酸鹽水泥；    

    （2）由于高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土中水泥用量一般在500～700kg/m3，水化熱高，因而需開發(fā)低水化熱的水泥。即水泥中C2S比例增大些，而C3S及C3A量減少些；

    （3）水泥的質(zhì)量穩(wěn)定，C3S的含量波動4%，燒失量0.5％，硫酸鹽的波動范圍0.20%.

    3.2  集料

    在一般的混凝土中，不同類型集料對抗壓強(qiáng)度的影響不大。但在高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土中，集料的差異對混凝土的強(qiáng)度影響很大。一般來說，采用碎石比卵石有利，其原因不僅由于集料的密度及吸水率不同，而且也由于集料的強(qiáng)度以及粘結(jié)強(qiáng)度不同。

    （1）建議所采用集料的母巖強(qiáng)度＞1.7倍混凝土強(qiáng)度（如用玄武巖、輝綠巖作超高強(qiáng)混凝土集料）；

    （2）粗集料粒徑不能過大，一般建議為10～19mm，且形狀好、級配佳；

    （3）細(xì)集料也應(yīng)盡量要求強(qiáng)度高、級配好、含泥量少；

    （4）粗集料常用壓碎指標(biāo)值來要求，不少專家建議細(xì)集料也應(yīng)用類似于壓碎指標(biāo)的破碎度來要求。通過試驗(yàn)，確定壓碎指標(biāo)（或破碎度）與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性；

    （5）集料的彈性模量宜高些；

    （6）細(xì)集料以采用中砂為好，但特細(xì)砂經(jīng)過試驗(yàn)確定配比后也可用。

    3.3  摻和料

    高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土常用的摻和料有硅灰、超細(xì)礦渣以及粉煤灰等。

    （1）硅灰是最好的活性礦物摻和料，但資源有限，成本高，包裝運(yùn)輸不便。一般認(rèn)為，硅灰的最佳摻量為10 ％左右。由于硅灰的加入使混合料的流動性明顯降低，為了保證其施工性，必須使用高效減水劑，且用量比不摻硅灰時要略大些；

    （2）超細(xì)礦渣的比表面積達(dá)800～1000m2/kg.將其摻入砂漿中，可使抗壓強(qiáng)度及其它性能有很大改善。超細(xì)礦渣的置換率一般為20%～40%.含超細(xì)礦渣的混凝土無論是早期還是后期強(qiáng)度都很高，但其成本也高；

    （3）一般情況下，將粉煤灰摻入混凝土中，早期強(qiáng)度降低，但后期強(qiáng)度增長。粉煤灰混凝土的強(qiáng)度受粉煤灰的質(zhì)量、置換率與配合比等的影響。粉煤灰的火山灰活性越強(qiáng)，養(yǎng)護(hù)溫度越高，強(qiáng)度增長越顯著，其摻量為10%～30%；

    （4）研制新活性礦物摻和料，如將高嶺土燒成偏高嶺土磨細(xì)；合成的水化硅酸鈣或無水硫鋁酸鈣等；

    （5）采用“雙摻”或“多摻”礦物摻和料的方法。如同時以20 ％的超細(xì)礦渣和10 ％的硅灰置換等量的水泥，混凝土56d抗壓強(qiáng)度達(dá)140MPa.

    3.4  外加劑

    在高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土中常采用的化學(xué)外加劑有：高效減水劑、減少坍落度損失的復(fù)合AE減水劑、緩凝劑以及泵送劑等，其中以高效減水劑最為重要。高效減水劑的使用，可以大幅度降低水灰比，制成高強(qiáng)乃至超高強(qiáng)混凝土。目前，使用的高效減水劑主要有改性木質(zhì)素磺酸鹽、萘磺酸鹽聚合物、三聚氰胺磺酸鹽聚合物等。

    3.5  水

    必須滿足規(guī)范中對水的品質(zhì)要求。為保證高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土的高質(zhì)量和安定的品質(zhì)，一般宜采用合格的自來水拌制混凝土。

    4、結(jié)語

    綜上所述，研制高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土具有十分重大的意義。其配制必須從原材料的選擇、采用低用水量、低水灰比、高活性礦物磨細(xì)摻和料、高效減水劑、改善界面結(jié)構(gòu)、提高水泥漿體的內(nèi)聚力及水泥漿體與集料間的粘結(jié)力等因素來考慮。

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