高强混凝土配制与应用中的关键问题研究

裴雪君

(合肥水泥研究设计院， 安微合肥 230051)



高强混凝土配制与应用中的关键问题研究

裴雪君

(合肥水泥研究设计院， 安微合肥 230051)

高强混凝土具有强度高、承载能力强、耐久性优异等特点，广泛应用于建筑、桥梁工程和铁路工程中，已成为混凝土的一个重要发展方向。为保证高强混凝土在土木工程中更好地应用，本文从原材料的基本要求、配合比设计和生产与质量控制等方面，阐述了高强混凝土配制的关键问题。从高强混凝土黏度大、施工性能差、水化温升快、自收缩变形大等方面，阐述了高强混凝土应用中的关键问题及解决措施。研究结果可为高强混凝土的设计优化和应用提供参考。

高强混凝土; 配制; 应用; 关键问题

随着现代建筑不断向高层、大跨、重载方向发展，对混凝土强度的要求越来越高，同时也要求混凝土具有良好的工作性能和优越的耐久性，因此，人们不断研究和应用高强度等级的高性能混凝土[1]。高强混凝土指强度等级在C60级以上的混凝土，它是由水泥、砂、石、减水剂、水及其他外加剂等拌合而成的混合物[2-3]。高强混凝土具有强度高、承载能力强和优越的耐久性，目前已经在国内外许多工程中大量应用。欧美等国家从20世纪60年代就已经开始推广高强混凝土，我国研究起步相对较晚。在房屋建筑方面，位于北美西雅图的58层、220 m高的Two Union Square工程实际混凝土强度达到130 MPa[4]；现代日本很多建筑物以钢筋混凝土或钢管混凝土形式使用130 MPa高强混凝土，最高强度甚至达到150 MPa以上[5]；位于迪拜的世界最高建筑Burj Dubai将80 MPa高强混凝土应用到混凝土框架结构[4]；我国沈阳的富林大厦和皇朝万鑫大厦，采用了C100高强混凝土；而高101层，高度为492 m的上海环球金融中心采用了C60高强混凝土[5]。然而在高强混凝土的应用中出现了诸如新拌混凝土黏度大、施工困难、收缩变形大等问题[6]，为保证高强混凝土应用的安全性与可靠性，有必要研究高强混凝土配制与应用中的注意事项，因此本文对高强混凝土的配制和应用中的关键问题进行了阐述，为高强混凝土的应用提供支撑。

1 高强混凝土配制的关键问题

1.1 高强混凝土对材料的要求

高强混凝土由于其高强度和强耐久性，对配制高强混凝土的原材料具有如下基本要求：

(1)水泥：配制高强混凝土宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且强度等级不应低于52.5#，各项技术指标应符合GB 175《通用硅酸盐水泥》的规定。对于有预防混凝土碱骨料反应设计要求的建筑工程，宜采用碱含量低于0.6 %的低碱水泥，水泥中氯离子含量不应大于0.03 %[7]。

(2)细骨料：宜选用细度模数为2.6～3.0的中砂，空隙率约42 %，且符合Ⅱ区级配要求，同时砂的含泥量和泥块含量小于2 %和0.5 %。当采用人工砂时，石粉亚甲蓝值应小于1.4，石粉含量低于5 %，压碎指标小于25 %。砂宜为非碱活性，不宜采用再生细骨料，性能应符合JG J52《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的相关要求。

(3)粗骨料：粗骨料的含泥量和泥块含量不应大于0.5 %和0.2 %，针片状颗粒含量应小于5 %，且骨料母体岩石的抗压强度应比所配制的高强混凝土强度标准值大30 %，且粗骨料应选用连续级配、接近球形的颗粒，最大公称粒径宜小于25 mm。同样，高强混凝土用的粗骨料宜为非碱活性，其他性能应符合JG J52《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的相关要求。

(4)矿物掺和料：目前用于高强混凝土的矿物掺和料主要有粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰等，其质量应符合GB 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、GB/T 18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》、GB/T18736《高强高性能混凝土用矿物外加剂》等的要求。

(5)外加剂：配制高强混凝土宜采用减水率大于25 %的高性能减水剂，从而确保高强混凝土的流动性，同时降低胶凝材料的用量。外加剂与水泥和矿物掺和料应具有良好的适应性，外加剂的其他性能应符合GB 8076《混凝土外加剂》、GB 23439《混凝土膨胀剂》、GB 50119《混凝土外加剂应用技术规范》等标准的要求。

(6)水：自来水，应符合JGJ 63《混凝土用水标准》中的规定，混凝土搅拌与运输设备洗刷水不应用于高强混凝土的配制。

1.2 高强混凝土配合比设计的关键点

高强混凝土的配合比必须满足混凝土的强度、耐久性、施工性能的相关要求，且应符合JGJ 55《普通混凝土配合比设计规程》中的规定。高强混凝土的试配强度应为所需强度等级的1.15倍，高强混凝土的水灰比宜控制在0.28～0.32，用水量不宜大于175 kg/m3，水泥用量应小于550 kg/m3，并可以通过外加矿物掺和料来控制和降低水泥用量，掺加硅灰可较大幅度降低水泥用量。其中，胶凝材料总用量不宜大于600 kg/m3，矿物掺和料的掺量为25 %～40 %，硅灰掺量不宜大于10 %。高强混凝土中的砂用量和砂石总用量之比宜为35 %～42 %，砂石的用量可根据质量法或体积法计算。

高强混凝土配合比确定后，应进行不少于三次的混凝土重复试验，测试混凝土的抗压强度，且测试强度不应小于配制强度，测试试件应采用标准尺寸试件。

1.3 生产与施工质量控制

高强混凝土的生产与施工质量控制应符合GB 50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》、GB 50164《混凝土质量控制标准》、JGJ/T 281《高强混凝土应用技术规程》等的相关规定。

生产高强混凝土时，应首先按规定向材料提供方索取质量证明文件。配制混凝土时，宜用电子计量设备称量原材料，各种原材料的计量偏差应控制在以下范围：胶凝材料±1 %、骨料±2 %、水±1 %、外加剂±1 %。原材料计量时，应根据骨料的含水率及时调整水和骨料的称量。拌合均匀是保证高强混凝土质量的重要因素，因此可选择强制式搅拌机，且搅拌时间不应小于60 s。当掺用纤维、粉状外加剂时，搅拌时间应相应延长。为保证高强混凝土拌合均匀，应保证混凝土中砂浆密度两次测量值相对误差不应大于0.8 %，当坍落度设计值不小于100 mm时，两次测量的混凝土稠度差值应小于30 mm。

在运输时，高强混凝土从搅拌机装入搅拌运输车至卸料时间不宜大于90 min，到达施工现场时，应将高强混凝土在搅拌车内高速旋转20～30 s，然后将混凝土拌合物卸出。混凝土运输、浇筑及间歇的全部时间不应超过混凝土的初凝时间，当气温大于25 ℃时，混凝土拌合物从搅拌机卸出至浇筑完毕的时间应小于120 min；当气温不超过25℃时，该时间应小于150 min。同时，在混凝土浇筑及静止过程中，应在混凝土终凝前进行抹面处理，构件成型后，当强度小于1.2 MPa时，不得在其上踩踏或安装模板支架。

高强混凝土浇筑成型后，应及时对混凝土暴露面进行覆盖。可采取潮湿养护，并可采取蓄水、浇水、喷淋洒水或覆盖保湿等方式，养护水温与混凝土表面温度之间的温差不宜大于20℃，潮湿养护时间不宜小于10 d。冬季施工时，宜采用带模养护，且混凝土受冻前的强度不得小于10 MPa，模板和保湿层应在混凝土冷却到5 ℃以下再拆除，或在混凝土表面温度与外界温度相差不大于20 ℃时拆除，拆模后的混凝土应及时覆盖。高强混凝土的强度达到设计强度的0.7倍时，可撤销养护措施。

2 高强混凝土应用中的关键问题

高强混凝土具有高强、耐久等优势，但在应用中还存在如下关键问题：

(1)高强混凝土新拌混凝土黏度大、施工困难。研究表明，高强混凝土中水胶比低，单位体积内水体积减小，固体颗粒体积增加，导致颗粒表面水膜厚度降低，颗粒间距减小，颗粒间的摩擦作用加强，从而导致高强混凝土黏度增大[6]。

为降低高强混凝土的黏度，可采用高效减水剂从而提高混凝土的流动度，另外，掺加硅灰、粉煤灰可减少用水量，提高颗粒表面的水膜厚度，可使高强混凝土黏度的降低。除优选减水剂和掺和料外，还可以通过调整混凝土的配合比改善其黏度，如选用球形度较高的骨料可减小颗粒间摩擦力，从而降低流动阻力，改善黏度[8]。

(2)目前，混凝土施工一般采用预搅拌或商品混凝土，由于施工工地往往与搅拌站相距很远，因此混凝土运输时间较长，在运输过程中，其坍落度随时间的增加而减小；同时，高层建筑施工一般采用泵送混凝土。因此，如何保证高强混凝土的施工性能和泵送是高强混凝土应用的关键问题之一。

为保证混凝土的施工性能，可以优选原材料和掺加适量的减水剂等，还应严格控制施工质量和管理。

(3)高强混凝土材料的胶凝材料用量大，采用硅灰代替部分水泥后导致早期水化速率加快[9]，引起早期水化温升快，混凝土容易出现早期开裂。

为降低高强混凝土早期温升导致的开裂风险，可采取相应的措施降低水泥水化过程中的水化放热速率或延长水泥水化放热过程。研究表明，掺加粉煤灰和磨细的矿渣是抑制高强混凝土早期温升的有效措施[9]。另外，早期活性较低的惰性掺和料如石英粉，也有类似的作用。在高强混凝土拌制过程中采用缓凝剂或缓凝型减水剂，可以延长水泥水化的过程，从而降低水化放热速率，降低高强混凝土的温升。

(4)高胶凝材料用量以及低水胶比必然导致高强混凝土自收缩增大[10]，增大开裂风险。

为抑制高强混凝土的收缩，可掺入粉煤灰或磨细矿渣，但粉煤灰抑制自收缩的能力有限。而骨料可抑制高强混凝土的自收缩，因此可尽可能增加高强混凝土中的骨料，从而降低高强混凝土的自收缩值。同样，适当的养护方式也可有效降低高强度混凝土的收缩，如混凝土保湿养护可大幅度降低混凝土的收缩，降低开裂风险。另外，通过掺加有较大弹性模量和较好的粘接的钢纤维，可有效阻止混凝土中裂纹的产生和发展，降低高强混凝土的开裂趋势。

3 结论

高强混凝土因其具有高强度、强耐久性的显著特点，在土木工程中得到了广泛应用，然而在应用过程中也出现了诸如新拌混凝土黏度大、施工困难、收缩变形大等问题，为了推动高强混凝土的应用，本文从高强混凝土的配制和应用中的关键问题进行了阐述，并提出了相应的措施，得到如下结论：

(1)在高强混凝土的配制中，应注意高强混凝土原材料的选材、配合比设计和生产及施工控制，保证高强混凝土配制时的强度和质量；

(2)在高强混凝土的应用中，应从降低高强混凝土黏度、提供施工性能、减少水化放热或延长水化放热过程、提高高强混凝土抵抗自收缩的能力等方面提高高强混凝土的应用效果。

[1] 郑敏升. C80～C100高性能混凝土的研究[J]. 福建建材, 1999(1): 24-26.

[2] 林耀. 高强混凝土收缩开裂的研究及应对措施[J]. 福建建材, 2013(3):18-20.

[3] 吴芳, 贾福根, 李瑞璟, 等. 新编土木工程材料教程[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007.

[4] Michael A. Caldarone. High-Strength Concrete: A practical guide[M]. USA and Canada: Taylor & Francis, 2009.

[5] 张洪波. 快凝快硬高强混凝土的制备与性能[D]. 重庆大学, 2014.

[6] 缪昌文, 刘建忠. 应用高强混凝土应注意的几个问题[J]. 施工技术, 2013, 42(10):1-5.

[7] 魏素梅, 关战军. 配制高强混凝土的关键技术[J]. 四川建材, 2013, 39(4): 24-25.

[8] 徐永波. 高强混凝土的性能特点分析及其改进措施[J]. 安徽建筑, 2015(3): 174-176.

[9] 刘建忠, 孙伟, 缪昌文, 等. 超高强混凝土用低水胶比浆体的水化热研究[J]. 建筑材料学报, 2010, 12(2):139-142+168.

[10] Victor Y. G., Lawrence F. K, Kimberly E. K. Short-term tensile creep and shrinkage of ultra-high performance concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 2009, 31(3): 147-152.

裴雪君(1983～)，女，本科，工程师，从事结构工程设计。

TU528.31

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[定稿日期]2016-05-23