高强混凝土的应用研究

郭跃锋（福建厦门固德建材有限公司，福建 厦门361100）

提高工程结构混凝土的强度是当前国内外普遍重视的一个课题，既是混凝土技术发展的主要方向，也是节省能源和降低施工成本的重要经济措施之一。随着建筑结构向大跨径、高层、地下、重型化的发展，为缩小结构断面，减轻结构自重，对混凝土提出了高强化的要求。而且采用高强混凝土具有明显的经济效益。

1 高性能混凝土的现状

近20年来，高强混凝土在高层建筑、桥梁工程、海洋平台等各个土木工程领域，得到了日益广泛的应用。继1979年在美国芝加哥召开了国际“高强混凝土专题讨论会”后，又在1987年和1990年先后在挪威stavangar和美国Berkeley召开了两次“高强混凝土应用”国际学术讨论会，美国混凝土学会(L.AmericanConcreteInstitut)第363委员会曾就高强混凝土问题进行讨论[1]。

高性能混凝土[2]的概念最初由美国国家标准与技术研究院(NIST)与美国混凝土协会(ACI)于1990年提出，他们认为高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，其基本要求是混凝土应具有良好的耐久性、工作性和强度。其特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。在国内，吴中伟教授最早提到并指出它的意义，当时称之为高功能混凝土。ACI于1998年对高性能混凝土给出了正式定义：高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土。

高强混凝土是现代混凝土技术发展的主要方向，在组分中引入高效减水剂、矿物掺合料如硅灰、超细矿渣微粉、优质粉煤灰等配置的高强混凝土，结构致密坚硬，具有良好力学性能、体积稳定性能和耐久性能，能够适应现代工程结构向大跨、重载、高耸、长寿命及恶劣环境方向发展的需要。近年来.高强混凝土的科技研究取得了长足的进步，已经在各类混凝土工程，特别是大型重点基础设施建设中得到越来越广泛的应用。

2 高性能混凝土实现的途径

高强混凝土是现代混凝土技术发展的主要方向，在组分中引入高效减水剂、矿物掺合料如硅灰、超细矿渣微粉、优质粉煤灰等配置的高强混凝土，结构致密坚硬，具有良好力学性能、体积稳定性能和耐久性能，能够适应现代工程结构向大跨、重载、高耸、长寿命及恶劣环境方向发展的需要[3]。近年来.高强混凝土的科技研究取得了长足的进步，已经在各类混凝土工程，特别是大型重点基础设施建设中得到越来越广泛的应用。

制备高性能混凝土的途径主要有以下几种：1）硅酸盐水泥+活性矿物掺和料+高效减水剂；2）磨细矿渣+碱组分；3）硅酸盐水泥+高效减水剂+磨细砂+蒸压养护；4）优质石灰+高效减水剂+磨细砂+蒸压养护。不少研究者对矿物掺合料的作用效应进行了大量的研究工作，如沈旦申等人把粉煤灰颗粒的作用效应分为形态效应、活性效应以及微集料效应三种[4]。近年来，学者们通过理论分析和试验研究，着重探索了矿物掺合料在水泥基材料体系中的密实填充效应及其影响规律，分析了不同矿物掺合料之间及矿物掺合料与超塑化剂之间的叠加效应[5][6]，然而，己有的研究成果主要针对于水胶比相对较高的传统混凝土体系，矿物掺合料在低水胶比混凝土和蒸压混凝土体系中作用效应的研究成果相对较少[7]。从矿物掺合料本身的物理、化学性质出发可以认为，水泥基胶凝材料组分及其水化硬化环境条件的变化（蒸压条件），必然会使矿物掺合料作用效应产生变化。

3 高强混凝土的性能

3.1 抗压强度

与中、低强度混凝土相比，高强混凝土中孔隙较少，水泥浆强度、骨料强度、水泥浆与骨料间的界面强度三者之间的差异也较小，因此更接近于匀质材料，其抗压强度与普通混凝土相比有较大差异。在应力达到抗压强度的75%～90%以前，应力应变关系为线性关系，为弹性工作。而在低强度混凝土中，弹性工作阶段的上限仅为抗压强度的40%～50%。达到抗压强度后，高强混凝土表现出很大的脆性，且强度愈高，脆性愈强。

3.2 裂缝发展

从裂缝发展来看，普通混凝土受力后，在抗压强度30%时出现微裂缝，首先沿着水泥浆与骨科间的界面发展，随后在水泥浆中也出现，这些裂缝逐渐增多并逐渐连接后，最后导致混凝土破坏，破坏面通过水泥浆及其骨料间的界面，破坏面粗造而凹凸不平。而高强混凝土则与此不同，在抗压强度65%以前，几乎不发生微裂缝。甚至在90%的抗压强度下，多数微裂缝还是孤立的裂缝，一旦裂缝连接则迅速破坏，破坏面比较光滑，穿过石子和水泥浆，而不是绕着骨料表面。

3.3 抗拉与抗折强度

混凝土的抗拉强度虽然随着抗压强度的提高而提高，但它们之间的比值却随着强度增加而降低[8]。尽管抗拉强度与抗压强度的比值随混凝土强度提高而降低，但弯折强度与轴拉强度的比值在各种强度混凝土中却基本不变。美国ACI的报告也认为弯折强度与劈拉强度的比值对高强或普通强度混凝土都一样，约为1.4～1.6。低强度混凝土劈裂抗拉强度约为抗压强度的10%，高强混凝土劈裂抗拉强度约为抗压强度的5%。碎石混凝土劈裂抗拉强度约比同强度卵石混凝土大8%，劈裂抗拉强度约等于抗折强度的70%。

3.4 干缩与徐变

现在比较普遍的看法是高强混凝土的初期收缩较大，但最终收缩量与普通混凝土大体相同。这与高强混凝土水泥用量大、水灰比小、骨料硬度高有关。如用活性矿物掺和料代替部分水泥，则会减少高强混凝土的收缩。

3.5 耐久性

混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻融、抗磨以及对盐类和化学物质的抗侵蚀能力。高强混凝土由于材料致密坚硬，这些性能均优于普通混凝土。尤其是外加混合矿物质材料后的高强混凝土，其耐久性进一步加强。所以露天的、遭海水侵蚀的、受高速流体冲刷的或易遭碰撞的工程构筑物，均宜采用高强混凝土。尤其是基础设施工程，有的需要100～120年的使用寿命，所以常选用高强混凝土作为结构材料。

4 实验

4.1 原材料

砂：河砂，细度模数为2.7。水泥：海螺水泥厂生产的熟料掺加6%石膏，磨细获得，细度为345m2/kg。砂粉：河沙通过球磨机磨细，比表面积为400m2/kg。粉煤灰：某热电厂粉煤灰，细度为320m2/kg。减水剂：HL-8000聚羧酸盐高效减水剂，减水率为28%。硅灰石：采用广东某厂生产的商品硅灰石。

本实验应选的配合比为浆集比0.30：0.68，砂粉30%，水胶比0.28，砂率38%。井盖配合比，20%硅灰石，减水剂掺量1% 。

4.2 井盖的制作

根据经过优化的配合比制作井盖，选定混凝土井盖试件的直径为500mm，厚度为57 mm。钢筋呈网状布置（如图1），距试件底面15mm，侧面保护层厚度为20mm。混凝土浇筑成型后置20OC环境下24小时拆模，拆模后放入蒸压釜蒸压，蒸压制度为升温1.5h-恒温6h-降温0.5 h，恒温饱和蒸汽压为1.1MPa。

图1 蒸压混凝土井盖钢筋布置

图2 蒸压混凝土井盖试件背面

4.3 试验方案及内容

本实验参考中华人民共和国建材行业标准JC 889—2001钢纤维混凝土井盖的相关规定进行。实验以一个直径356 mm，厚度 40 mm的圆形钢板作为承载板，模拟车轮荷载的加载方式时，需要在圆形钢承载板下加一块与承载板直径相同厚度6mm的圆形橡胶垫，使加载板与试件保证良好接触，并且使应力均匀分布，如图3。

图3 蒸压混凝土井盖压力加载试验

图4 三种混凝土应力-应变曲线

井盖采用周边简支，环形钢圈支撑厚40mm。井盖自重25.5 Kg，圆形钢承载板重29Kg,方形垫块重25.9Kg，千斤顶重22 Kg，传感器重6.7Kg，即井盖初始静压力为109.1Kg。井盖实际承载力为施加净荷载和初始荷载之和。

加载时每级荷载为5kN，稳定时间为5～l0min，用YJ-25型静态电阻应变仪测量应变，用百分表测量挠度，并观察与描画板底裂缝，并测读其宽度。破坏准则以试件底面裂缝宽度达到0.2mm时的荷载值为裂缝荷载值，以荷载不能再增加，而应变继续增长时的前一级荷载为破坏荷载。

为更明确蒸压混凝土井盖的性能，分别测得普通混凝土、低水胶比混凝土（按本实验优化所得配合比配制，但未做蒸压处理）、蒸压混凝土的应力——应变曲线如图4所示。

由图可知，混凝土经蒸压处理后的弹性模量明显高于未蒸压混凝土的弹性模量。经实验所测普通混凝土弹性模量为2.41×104MPa，低水胶比混凝土弹性模量为3.63×104MPa，蒸压混凝土弹性模量为4.42×104MPa。蒸压处理可以明显提高混凝土的弹性模量，减小构件的变形量。

4.4 试验结果与分析

通过实验发现盖板初裂荷载为55KN，最大裂缝达到0.2mm时的荷载为120KN，极限荷载为200KN。

根据我们的观察,盖板从加载开始到完全破坏可分为四个阶段。第一阶段为线性阶段,这一阶段为开始加载至初裂缝出现之前,特征是试件未出现裂缝,而挠度与荷载基本上呈线性关系。第二阶段为初裂阶段,第一条裂缝常在盖板底部中心附近(而不是正中心)产生。然后随着荷载的继续增加,在板的中心区域接连出现3～4条裂缝。由于钢筋的抗裂作用,这些裂缝均较细短,发展缓慢,表现出良好的弹塑性变形特性。拉应力过渡到主要由钢筋承受,而裂缝的分布形态逐渐呈现一定的规律,即中心区为纵横交错的裂缝,中心区的范围指的是比板面受载面积略大的接近圆形的区域,沿中心区的外围裂缝逐渐围合,形成一闭合的曲线,中心区外的部分则以辐射状的径向裂缝为主。第二、三阶段的分界大约是裂缝的最大宽度达到0115mm左右,此后随着荷载的增加,中心区的围合裂缝急剧扩展,以至完全围合,且裂缝宽度也急剧增大,最后导致冲切破坏,这是试验的第四阶段,即破坏阶段。最后荷载即为极限荷载。由试验结果可知,此种井盖板的极限荷载与同直径普通混凝土的相比大幅度提高,这是因为配置的高强混凝土的抗压强度高得多。

5 结论与建议

高强混凝土具有强度高变形小,在相同荷载条件下,可减少截面尺寸,降低结构自重,增加使用面积,降低工程造价等优点。施工过程中,对各种原材料、外加剂的使用、水灰比的控制以及质量管理制度等都有非常严格的要求。

结构试验的结果说明本项目研究配制的低水胶比混凝土的强度较高，用该配合比研制的盖板已完全满足了结构设计的承载力要求与正常使用要求。井盖的结构优化需进一步研究。

（略）