论高性能砼的特性及其配合比设计原则

沈忠

【摘 要】所谓高性能砼，就是同时具有某些设计所需性能的均质砼。它必须选用优质原材料，通过科学的配合比设计，采用严格的施工工艺，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定的优质砼。

【关键词】高性能砼；工作性；复合型外加剂

早在1990年5月，在美国国家标准与技术研究院与美国砼协会联合召开的会议上，就提出、高性能砼这个名词，认为所谓高性能砼就是同时具有某些性能的均质砼，它必须采用严格的施工工艺与优质原材料，通过科学的配合比设计，采用严格的施工工艺，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高并具有韧性和体积稳定等能的砼。它特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建（构）筑物。

1 高性能砼的特性

高性能砼是具有较全面优良性能的新型砼，通过对原材料的优化创新、配合比设计理念的更新来全面提高砼的性能，以满足近代砼结构设计、生产和施工的需要，正如建设部在推广应用技术公告中所说：使用高效减水剂和超细活性掺合料，严格控制水胶比和水泥用量，应用现代技术和设备配制的砼拌合物；按工程需要，配制具有特殊性能的砼，即砼的密实性、抗滲性好，体积稳定性好，易于浇筑、不离析，在恶劣环境下使用寿命长等特点，具体有下列多项特性：

1.1 耐久性

是以耐久性为主要设计指标，经周密考虑耐久性所要求的具体内容，如提高密实度、抗滲性、抗冻、抗不良介质侵蚀等，通过采取有效措施确保砼能适应所处的环境条件，使结构安全并延长使用寿命。

1.2 体积稳定性

这是砼具有高耐久性的前提；应设法提高砼抗变形能力和预防裂缝发生，通过有效措施使砼具有尽量小的收缩、徐变和水化热、温升等。

1.3 强度

能满足设计要求的强度，并能达到早期、中期强度的增进率要求，以及后期强度的持久稳定等。此外，对高性能砼往往要求高强度等级或者韧性、耐磨性等，也均应予以保证。

1.4 工作性

砼拌合物必须具有良好的工作性，这是提高匀质性、密实性和可操作性，以获得高性能的根本保证，也是满足工业化生产，提高效率，确保施工质量的有效途径。

2 高性能砼原材料选择要点

由于高性能砼是在对普通砼改性的基础上发展起来的，因此它目前所用的原材料，除对原来使用的水泥、骨料和水严格要求外，主要是把加入高效减水剂与矿物掺合料作为特征组分，以利于充分发挥其复合效能。

2.1 水泥

应用优质硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥；处于严酷环境下的水泥，则应选用硅酸盐水泥和高掺加量的矿物掺合料，或针对具体侵蚀介质的不同类别，选用适宜的特性水泥或专用水泥；水泥的强度等级宜不低于42.5级，各项技术性能应符合现行标准规定，同时，还应重点考虑所含下列成分的含量，以防止它们对砼耐久性的不利影响：应选用铝酸三钙含量低的水泥，一般不应超过8%；当砼处于硫酸盐、氯盐和酸类侵蚀的环境时，其含量应更低；水泥中的游离氧化钙应不超过1.5%；水泥的含碱量不宜超过0.6%；水泥中的氯离子含量，对于钢筋砼不宜大于0.2%，对于预应力砼不宜超过0.1%；当砼处于有氯盐侵蚀的环境时，其氯离子含量的限制应更严格；应选用以硬石膏或工业副产品石膏作调凝剂的水泥。

2.2 骨料

应选用质地坚硬、致密、低吸水率和低渗透性的骨料，其粒型理想、级配符合要求。粗骨料的最大粒径通常不超过25mm，细骨料的细度模数应为2.3～2.7；粗细骨料的各项指标为：粗骨料的压碎指标不大于7%，吸水率不大于2%，当用于高抗冻砼时不大于1%；应检验骨料的坚固性，经硫酸钠溶液试验，5次循环后的质量损失，粗骨不应大于8%，细骨料不应大于5%；骨料中的含泥量，粗骨料应小于0.7%，细骨料应小于1%；骨料中的氯离子含量应不0.02%；应通过检测验明骨料无潜在活性。

2.3 拌合水

所用拌合水必须符合《砼拌合用水标准》的规定；不得使用海水，且当砼处于氯盐侵蚀的环境时，拌合水中氯离子含量不宜大于200mg/L。

2.4 化学外加剂

一般采用高效减水剂，必要时应采用复合型外加剂。抗冻、抗渗、抗硫酸盐侵蚀要求较高的砼，应选用引气减水剂；体积稳定性要求较高的砼应选用缓凝型高效减水剂。所用外加剂的质量应符合现行产品标准的规定，选用与施工应遵守最新发布的《砼外加剂应用技术规范》。具体还应特别注意：所用外加剂与所用水泥及矿物掺合料必须适应，若为复合使用几种外加剂，应彼此相容，这些均应通过试验判定；严禁使用对人体产生危害、对环境产生污染的外加剂；高性能砼需要减水率高、流动性保持力好的外加剂；处于与水接触或潮湿环境中的砼，当使用碱活性骨料时，由外加剂带入的碱含量，以当量氧化钠计，不宜超过1kg/m3砼；所用外加剂中的氯离子含量不得大于胶凝材料总重的0.02%，硫酸钠含量不得大于减水剂干重的15%。

2.5 矿物掺合料

最新发布的《高强高性能砼用矿物外加剂》标准中，对磨细矿渣、磨细粉煤灰、磨细天然沸石和硅灰四类矿物外加剂作出全面规定，现分述如下：磨细的粉煤灰，是干燥的粉煤灰经粉磨达规定细度的产品，其主要矿物成分是硅铝玻璃体，为其主要活性成分；因粉煤灰需水量小，取代水泥后可减少砼的用水量，减低泌水和离析，显著改善和易性；粉煤灰的掺入，可调整水泥颗粒的级配、填充砼孔隙，起到增强，提高砼抗渗性、抗化学侵蚀性等作用；磨细矿渣，是粒化高炉矿渣经干燥、粉磨等工艺达到规定细度的产品，具有较高的潜在活性，很早就成为硅酸盐水泥的理想混合材料，它对氯离子有吸附与结合作用，它尤其适用于硫酸盐侵蚀、特别是高温下硫酸盐侵蚀环境和海水环境下的砼，以高掺加量使用；磨细天然沸石，它的主要品种是斜发沸石岩和丝光沸石岩，为含有多孔结构的微晶矿物，其主要成分是含水硅铝酸盐；拌和时必须与高效减水剂复合使用；硅灰，它是在冶炼硅铁合金时通过烟道排出的硅蒸汽氧化后，经吸尘器收集得到的，以无定形二氧化硅为主，由于它的非晶质SiO2的含量很高，且颗粒极细，是效能最高的矿物掺合料；硅灰对砼的增强效果，在早期、中期和后期都高，对提高耐久性显著，尤其是有很高的抗冻性和耐磨性，但它需水量大，必须与高效减水剂配合使用。

3 高性能砼配合比设计原则

高性能砼的配合比设计是以耐久性为核心，全盘考虑和协调其所要求的各项性能，以便高水准地满足建设工程需用。由于可变因素很多，确定高性能砼配合比要比普通砼复杂得多，目前尚无成熟的高性能砼配合比设计方法可循，但必须严守下列被公认的基本原则。

3.1 充分发挥化学外加剂和矿物掺合料的双重效能

拌制砼时，同时掺加外加剂和掺合料，利用二者的最佳组合效能，以减小水胶比、水泥用量和用水量，是实现高耐久性的根本措施；为更好地发挥这种双重效能，还应注意以下两点：（1）按砼对耐久性要求的具体内容，选择适宜品种的外加剂和掺合料，并确保二者的匹配性；（2）外加剂与矿物掺合料均应通过试配对比确定其最佳掺量。

3.2 采用尽可能低的水胶比

应最大限度地减小水胶比，以利于改善砼的孔结构、增加密实性、提高耐久性和强度。此外，还应注意：（1）要选用高效复合型外加剂；（2）选用需水量小、取代率大的矿物掺合料。

3.3 尽量降低水泥用量和用水量，以消除水泥用量偏高和胶凝材料浆体体积过大所带来的诸多不利影响，这是确保高性能砼的强度和耐久性的有力措施。为此，应做到以下几点：（1）以满足工作性为前提，尽可能减少用水量；（2）以保证强度和工作性为度，尽可能减少水泥用量和胶凝材料浆体体积；（3）重视骨料的粒型和级配，采用最佳砂率，增多粗骨料用量，使总体骨架更坚固、密实。

[责任编辑：刘展]