怎樣選擇高性能混凝土用料

楊 帆   門創國

(陜西省建筑科學研究設計院710082西安)

    高性能砼不僅是對傳統砼技術的重大突破，而且在節能、節料、工程經濟、勞動保護及環境等方面都具有重要意義。它是21世紀的砼，是近期砼技術的主要發展方向。

    在國外，從三個階段來定義高性能砼(簡稱 HPC)，一是HPC不需要任何振搗就能充滿模板各個角落；二是HPC在早期階段，很少有原始缺陷，如由于水化熱、硬化和干縮形成的裂縫等；三是HPC在硬化階段，它應有足夠的強度和充分阻止像氧、氯離子和水之類的潛在變質因素的移動，尤其是在砼結構的關鍵部位。具備所有這些特性的HPC甚至在不良的結構細節和施工條件下，也能增強砼結構的可靠性。而在國內，有關高性能砼的定義是：高性能砼是一種新型高技術砼，是在大幅度提高普通砼性能的基礎上采用現代化砼技術制作的砼，以耐久性作為設計的重要指標。根據不同用途要求，在耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩定性、經濟性等重點性能方面給予積極有效的保證。各個強度等級的砼都可做到高性能。為此，高性能砼在配制上的特點是低水膠比，選用優質原材料，除水泥、水和骨料外，必須摻加足夠數量的礦物細摻料和高效減水劑，減少水泥用量。為此，下面就其怎樣選擇高性能砼用料問題，談些看法，供參考。

    HPC的組成材料包括水泥、粗細骨料、多種礦物摻和料、水和超塑化劑，其組成和配比要比普通砼復雜，要求也高得多。

1、水泥和水泥用量

    配制HPC可以使用普通硅酸鹽水泥、早強硅酸鹽水泥、中熱水泥等，其水泥等級為42.5級或更高。水泥礦物組成中，C3A含量不應超過8％，比表面積不宜太高，通常比表面積3200cm2/R。試驗結果證明，C3A含量超過8％，水泥流動度損失明顯，而堿含量及硫酸鹽含量高的水泥更嚴重。

    為了控制水泥水化放熱量以及提高體積穩定性，配制HPC時膠凝材料(包括水泥和活性摻合物)總用量通常在300-550kg／m3范圍。這樣，在合適的配合比條件下，可以得到抗壓強度40-120MPa的砼。

2、礦物摻合料

    礦物摻合料主要是粉煤灰、礦渣、硅粉等。它們是輔助膠凝材料。

    HPC的高強度部分來源于其基材的密實，即使有一部分水泥被一種或多種輔助材料代替，這對砼的早期強度不會有副作用，另外，化學活性較低的輔助膠凝材料代替部分水泥，從控制水化放熱和流變性能的角度也是有益的。

    在HPC中，礦物摻合料的作用，首先是細顆粒礦物摻合料，尤其是火山灰礦物摻合料加入砼中可以明顯改善其流變性能，如粘聚性和穩定性。由于截斷了水分迂移的通道，礦物摻合料通常能減小沁水和離析現象。而沁水和離析是引起砼微結構不均勻性的主要原因，尤其是砼一基料的界面區。其二，通過延長凝結時間和降低砼塌落度損失速率，礦物摻合料能在一定程度上控制塌落度損失，有利于澆筑和振實。其三，活性較低(相對水泥而言)的細顆粒均勻分散到水泥漿里時，將成為大量水化物沉積的核心。這樣，摻礦物摻合料的水泥漿常由均勻分布的微孔的無定型(結晶程度差)的水化物組成。所以在強度和抗滲性方面都優于不摻礦物摻合料的水泥漿。

3、用水量

    HPC的關鍵技術之一是在拌合水大大減少的情況下，獲得大的流動性，使硬化砼具有高強度和高密實性。因此，必須采用超塑化劑破壞水泥離子的絮凝結構，使水泥離子分散。

    拌和水大大減少使水泥離子間距縮小，因此得到比普通砼密實得多的水泥石結構。憑這種高密實度的結構，水化物形成較多的化學鍵合就能獲得非常高的抗壓強度。由于游離水含量少，自干燥失水后使HPC水泥石具有非常低的孔隙率。

    在配制HPC時用水量可以以兩種形式表示，即水灰比和水膠比。后者在摻有摻合料時使用。HPC抗壓強度不僅取決于水灰比，而且取決于水泥石的密實度。換句話說，有兩個影響砼強度的因素：即水灰比和減小水化開始時粒子的間距。

4、骨料及其用量

    在配制HPC時，水泥漿與骨料的體積比為0.35：0.65。除此之外，骨料種類對砼的體積穩定性也有顯著影響。例如，水泥漿與骨料的彈性模量或熱膨脹系數不相匹配，當結構暴露在溫度變化頻繁的環境中將會產生開裂。同樣，在一定的水泥漿／骨料比時，使用彈性模量低的骨料將會使砼的徐變增大。就長期尺寸穩定性而言，通常認為砼中骨料用石灰巖的玄武巖比砂巖或河卵石好。在配合比相似時，用花崗巖和卵石骨料的砼比用輝綠巖或石灰巖骨料的砼強度低的多。這是由于水泥石與骨料之間界面區的結構和粘結強度的差異造成的。

    除骨料材質外，使用級配良好、潔凈骨料(沒有泥土及軟弱顆粒)是必要的。作為細骨料(小于5mm)通常采用中高細度模數(2.5—3.0)的天然砂為好。在顆粒尺寸相同時，作為粗骨料以破碎的致密石灰石或深層的巖漿巖(如花崗巖、正長石、閃長石和輝綠巖)通常可以得到滿意的結果。

    粗骨料的最大粒徑，對HPC來說以10—15mm為最佳。超過25mm時，對砼的強度和抗滲不利，由于 HPC的骨料一水泥石界面較強，骨料確實是砼強度的制約因素，而在普通砼中幾乎不考慮這個問題。若采用水泥熟料球作為人造骨料配制HPC，可以得到高強度和高彈性模量，其原因是產生致密和牢固的骨料一水泥界面區。

    根據骨料總體積(0.65m3)，如假定A等級的細粗骨料體積比為2：3，則得到細粗骨料體積分別為0.26m3和0.39m3。對于其他等級的砼(從B至E)，隨著強度的提高水泥用量增大，故可以假定細粗骨料的體積比相應小一些。

5、外加劑

    配制HPC不可缺少的是超塑化劑，而普通減水劑達不到HPC減水率和提高工作度的要求。超塑化劑或高效減水劑是陰離子型高分子表面活性劑。通常是萘磺酸甲醛縮合物和三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物。這兩個系列的超塑化劑很難說哪個好一些。三聚氰胺系超塑化劑減水率略差一些，但塌落度損失快，緩凝比萘系小的多，更適合與引氣劑復合使用。

    超塑化劑的摻量為水泥重量的1％-2％，對于不同等級的砼，隨著強度的增高其摻量增大。因為存在超塑化劑與水泥和摻合料之間的相容性問題，故外加劑的選擇應通過試驗確定。

    超塑化劑對水泥漿有強烈的分散作用，但是這種作用持續的時間不長。因此用超塑化劑配制大流動性砼存在塌落度隨時間損失問題。

    解決塌落度損失的方法之一是將超塑化劑與緩凝劑(或緩凝減水劑)組成復合外加劑。這樣配制的新拌砼流動性能保持90-120min，完全能滿足砼攪拌運輸、泵送、澆筑工藝過程的要求。

    緩凝劑的作用在于抑制水泥初期水化，延緩水化過程，使結合水減少，而滿足工藝要求的游離水增多，因此能達到控制砼塌落度損失的目的。通常緩凝劑的摻量為水泥重量的0.02％-0.1％。在HPC中緩凝劑的摻量應控制在既能抑制初期水化，又不影響早期強度的范圍。從解決塌落度損失考慮，將超塑化劑與緩凝劑復合是能滿足施工要求的。但是，HPC要求新拌砼具有好的工作性，即包括：大流動性、可泵性、均勻性、穩定性，甚至包括不振搗自流平。由此可見，HPC對新拌砼的工作性要求是多方面的，幾乎完善無缺，因此，上述二元復合外加劑并不能滿足HPC的要求。

    增稠劑是一種能顯著增加水的粘度的物質，它們是天然和合成的水溶性高分子化合物，如纖維素衍生物、聚丙烯酸納、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、藻朊酸納等。  例如，只要有3％的甲基纖維素就可以將水的粘度增加l萬倍。使用增粘劑的目的在于提高分散介質的粘度，增加分散體系的穩定性，減少分層和離析。

    無增稠劑的漿體，相對含較多的自由水，在正應力的作用下，由于粒子間距減小，自由水被擠出，從而增加摩擦阻力。然而太多的增稠劑會制約漿體的變形性能，導致總抗剪力提高。適量的增稠劑雖使固體顆粒之間的摩擦阻力有些提高，但能有效的減小總抗剪力。可以認為，增稠劑的最佳摻量是由作為固體的摩擦機理和作為粘性液體的抗剪機理的相互關系決定的。減小抗剪力不僅能得到好的變形能力，而且能提高抗離析性，這是由于隨正應力的增加，抗剪力不變。

    膨脹劑。在HPC中摻膨脹劑的目的是提高體積穩定性、密實性、抗滲性、耐久性以及補償收縮，從而得到防滲抗裂砼、補償收縮砼。

    綜上所述，要配HPC砼考慮問題是多方面的，但實際應用時，則應結合工程要求，突出一二種性能即可。（本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)