C80高强高性能混凝土的研制及应用

　　随着混凝土技术的不断发展，高效减水剂和高活性的混凝土掺和料不断得到开发与应用以及工程结构向大跨度、高层、超高层及超大型发展的需要，混凝土强度、性能不断提高，特别是越来越多的大跨桥梁、高层建筑、地下、水下建筑工程的修建和使用，使高强和高性能化的混凝土已逐渐成为主要的工程结构材料。由于工程建设的范围与规模不断扩大，要求混凝土具有高强、高体积稳定性、高弹性模量、高密实度、低渗透性、耐化学腐蚀性及高耐久性并具有高工作性等特性。因此，高强高性能混凝土在工程建设中将占据主要地位。

　　现就南方某地下工程C80高强高性能混凝土的研制与应用作如下简述。

　　1.C80高强高性能混凝土的研制

　　C80高强高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，它是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理条件下制成的。除了水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物质超细粉与高效外加剂。它是重点保证耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性和经济合理性的一种新材料。

　　1.1 C80高强高性能混凝土的技术要求

　　C80高强高性能混凝土是在严酷环境下使用的，要求易于泵送、浇筑、捣实，不离析，能长期保持高强、高韧性与体积稳定性，且使用寿命长。因此它必须具有工程设计和施工所要求的优异的综合技术特性，具体如下：

　　（1）具有高抗渗性和高抗介质侵蚀能力。高抗渗性是高耐久性的关键。

　　（2）具有高体积稳定性，即低干缩、低徐变、低温度应变率和高弹性模量。

　　（3）高强、超早强，即满足工程结构或构件较高要求的承载能力。

　　（4）具有良好的施工性，即满足施工要求的高流动性、高黏聚性，坍落度损失小，泵送后易于振捣，甚至免振达到自密实。

　　（5）经济合理，应利于节约资源、能源及环境保护。

　　1.2 C80高强高性能混凝土的研制技术途径

　　C80高强高性能混凝土作为一种新型高技术混凝土，它的研制要求我们必须从原材料，配合比，施工工艺与质量控制等方面综合考虑。首先必须优先选用优质原材料。其次在配合比研制时，在满足设计要求的情况下，尽可能降低水泥用量并限制水泥浆体的体积；根据工程的具体情况掺用一种及一种以上矿物质超细粉掺和料；在满足流动度的前提下，通过优选高效减水剂的品种与剂量，尽可能降低混凝土的水胶比。第三是正确选择施工方法，合理设计施工工艺并强化质量控制意识与措施，以保证C80高强高性能混凝土满足工程结构的需要。

　　1.3 原材料的优选与配合比设计

　　1.3.1 原材料的优选

　　（1）水泥。配制C80高强高性能混凝土宜选用52.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，在选用硅酸盐水泥时还需考虑硅酸盐水泥的矿物组成和细度。

　　水泥的主要成分C3S，C2S和C3A对混凝土的性能影响较大，C3S对混凝土的早期强度和后期强度均有贡献；C2S水化较慢，通常只对后期强度有利；C3A的水化速度最快，但C3A的含量引起水泥与高效减水剂的相互适应问题，C3A含量高于8%时，混凝土的流动度损失较快，不利于混凝土的泵送与振捣。高细度的水泥早期强度较高，但后期强度增长较少，且早期产生的水化热较高。因此，在选用水泥时，应根据工程的具体情况，综合考虑凝结时间、强度、变形性和耐久性等方面的特殊要求，本着经济合理的原则，宜优先选用C3S含量高，C3A含量低于8%的硅酸盐水泥。在保证强度的前提下，还需满足质量稳定、需水量低、流动性好、活性较高等要求。

　　（2）细集料。宜优先选用细度模数中等偏粗（控制在2.7～3.1），质地坚硬、粒形良好的天然河砂。对0.315mm筛孔的通过量不应少于15%，对0.16mm筛孔的通过量不应少于5%，含泥量不应大于1%（不含泥块）。另外，细集料应具有良好的级配，且云母含量按质量计不宜大于1%；轻物质含量按质量计不宜大于1%；硫化物及硫酸盐含量（按SO₃质量计）不宜大于0.5%；有机质含量按比色法评介，颜色不应深于标准色。

　　（3）粗集料。粗集料的性能对高强高性能混凝土的性能有较大影响，其中最主要的是集料的强度与界面的黏结力，以及骨料的物理性能和化学成分。粗集料的颗粒强度、针片状颗粒含量、含泥量及最大粒径等也是高强高性能混凝土强度和性能的控制因素。

　　粗骨料的强度对高强高性能混凝土的强度影响很大，因此应选用质地坚硬未风化的岩石，骨料母材的抗压强度不应小于混凝土强度标准值的1.3倍，宜优先选用致密的辉绿岩、玄武岩、火成岩、花岗岩、大理石等。

　　粗骨料针片状颗粒含量不应大于5%，压碎指标值不应大于7%，表观密度应大于2650kg/m³，堆积密度应大于1450 kg/m³，吸水率应小于1.0%。

　　粗骨料的最大粒径不应大于25mm；含泥量不应大于0.5%，不含泥块。粗骨料中不得混入风化和软弱颗粒，且粗骨料应具有良好的颗粒级配。

　　对于C80高强高性能混凝土，由于碎石的界面黏结力优于卵石混凝土，所以配制C80高强高性能混凝土宜优先选用碎石。

　　由于碱集料反应对高强高性能混凝土有巨大的破坏作用，所以应尽量选择无碱活性的骨料，且骨料中不含有机质、硫化物和硫酸盐等杂质。

　　（4）外加剂。新型高效减水剂是配制C80高强高性能混凝土的必需组分。新型高效减水剂对胶凝材料的分散能力强、减水率高，可大幅降低混凝土的单方用水量，不仅能增加混凝土拌和物的流动性，保持混凝土坍落度损失功能好，而且能大幅度地提高混凝土的强度和弹性模量，对减少徐变，提高混凝土的耐久性也非常有利。

　　在选择高效减水剂时，既要考虑到工程特点、施工条件、耐久性要求，也要考虑到高效减水剂的种类、用量、混凝土强度与水泥的适应性等。对于C80高强高性能混凝土考虑到混凝土拌和物的坍落度损失及现场施工是否便利，可采用与缓凝剂复合的高效减水剂。另外，所选用的高效减水剂的减水率不宜小于18%。

　　（5）外掺料。优质粉煤灰中含有大量活性较强的SiO₂和Al₂O₃，掺入混凝土拌和物中能与水泥水化产物Ca(OH)₂进行二次反应，生成稳定的水化硅酸钙凝胶，具有明显的增强作用。优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些玻璃体表面光滑、无棱角、性能稳定，在混凝土中起润滑作用，减小了混凝土拌和物之间的摩擦阻力，能显著改善混凝土拌和料的和易性，提高混凝土拌和物的可泵性。此外，混凝土中掺加优质粉煤灰还可以降低水化热、降低混凝土干燥收缩率，有效提高混凝土的抗渗性、抗冻性、弹性模量等，还可提高混凝土抗硫酸盐腐蚀性能，抑制碱硅反应的膨胀。配制C80高强高性能混凝土应采用Ｉ级粉煤灰，且SiO₂和Al₂O₃的总含量超过70%。

　　硅粉中含有大量的非晶体球形颗粒SiO2，颗粒极细、活性较强，掺入到水泥混凝土中，其增强作用表现在：均匀分布于水化产物中，具有良好的微填充效应，使混凝土密实化；对混凝土早、中期的强度发展特别有利；使混凝土中游离的Ca(OH)₂减少，原片状晶体尺寸缩小，在混凝土中的分散度提高；且使混凝土中界面结构得到明显改善。这些特性导致混凝土的强度和耐久性得到显著提高。用于C80高强高性能混凝土的硅粉应符合下述质量指标：一是活性无定形二氧化硅含量不小于90%；二是比表面积（BEF－N2吸附法）不小于18000m2/kg；三是密度在2200kg/m³左右；四是平均粒径0.1mm～0.2mm。

　　（6）拌和水。配制C80高强高性能混凝土的用水，采用饮用水，水中不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，pH值应大于4。

　　1.3.2 原材料的确定

　　根据施工现场材料供应情况，配制C80高强高性能混凝土实际选用原材料如下：

　　（1）水泥。东莞华润pll 52.5，实测28d强度不低于60Mpa。

　　（2）粗骨料。选用本地产花岗岩机械破碎的碎石，5mm～25mm连续级配，母材抗压强度不小于110Mpa。

　　（3）细骨料。选用藤桥河砂、中砂。细度模数2.7～3.0，其他指标满足配制C80高强高性能混凝土的要求。

　　（4）外加剂。选用上海麦斯特产麦斯特SP－8HR超高效缓凝泵送剂。

　　（5）矿物掺和料。粉煤灰采用海口马村Ｉ级粉煤灰；硅粉采用挪威埃肯活性无定性二氧化硅。

　　（6）采用饮用水。

　　（7）根据经验，粉煤灰（Ｉ级）掺量控制在10%～30%，硅粉5%～15%（占胶凝材料总量）。

　　1.3.3 C80高强高性能混凝土配合比设计

　　C80高强高性能混凝土配合比设计步骤（要求配制坍落度在180mm左右）。

　　经过23组试配，筛选配比如下：m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）∶m（减水剂）∶m（粉煤灰）∶m（硅粉）＝1∶1.40∶1.93∶0.25∶0.25∶0.13∶0.053。

　　以该配合比试拌的混凝土拌和物，初凝时间4.75h，终凝时间6.75h，坍落度180mm，坍落度损失60min为20mm，抗压强度R3＝73.2 Mpa，R7＝84.0Mpa，R28＝99.6Mpa。

　　2.C80高强高性能混凝土施工工艺与质量控制

　　C80高强高性能混凝土的组分较多，对性能影响的因素较为复杂，因而对施工工艺和质量控制有更严格的要求，必须对C80高强高性能混凝土的外加剂掺量与用水量进行严格控制。高强高性能混凝土适宜于商品混凝土搅拌站生产，搅拌站应配有计算机自动控制系统，自动精确计量原材料，并能对原材料品质均匀性、配合比参数的变化等通过人机对话进行监控与反馈分析。

　　2.1C80高强高性能混凝土的搅拌

　　搅拌时应注意外加剂应在加水到一半时开始加入，加入后约20ｓ，搅拌均匀后才可投入粗骨料。全部材料投入搅拌机后，至少搅拌40ｓ才能出料。

　　2.2 C80高强高性能混凝土的运输

　　C80高强高性能混凝土采用混凝土搅拌运输车，搅拌运输车应保持清洁。装料前应反转倒清筒体内积水、积浆。运输过程中和卸料时不得往筒体内注水，运输结束后应及时清洗。搅拌运输车在运输过程中，应保持筒体按一定速度旋转。运送至浇筑地点给混凝土泵喂料前，应中高速旋转搅拌筒，使混凝土拌和均匀，然后卸料。

　　2.3 C80高强高性能混凝土的泵送

　　C80高强高性能混凝土水灰比小、黏性大、泌水较少，不易离析，泵送阻力大，宜采用固定高压泵和高压泵管。混凝土泵送时速度不宜过快，过快对高强高性能混凝土不利，且混凝土泵和泵管承受压力较大，易爆管和爆卡。

　　现场施工中，一次最多浇注C80混凝土815.5m³，计70h。配备2台三一重工HBT60C高压泵，泵送水平距离57m，垂直高度9.5m，泵送压力最大为20Mpa。

　　2.4 C80高强高性能混凝土的浇筑

　　C80高强高性能混凝土因浆量较大，黏性较高，流动速度慢，不易充盈模腔，相对普通混凝土，振动时间要加长，抽拔棒的速度要慢，因此要注意加强对振捣质量的控制。施工中，混凝土采用高频振动器捣固，人员定点定位负责，防止漏振。

　　2.5  C80高强高性能混凝土的养护

　　C80高强高性能混凝土由于水灰比小，基本不泌水，因此养护比普通混凝土更为重要。由于一次浇筑时间长，对早期浇筑的混凝土在混凝土终凝后应立即进行养护，养护采取在模板外侧加挂两层棉被，模板拆除后及时喷涂养护液。在混凝土浇筑前埋设测温管，做好混凝土内部和表面温度监测，当内外温差超过25℃应及时采取防范措施。

　　3.结语

　　工程实践表明，在掺用高效减水剂的同时，使用一种或多种矿物质超细粉，能够配制出具有良好技术经济效果的严格意义上的高强高性能混凝土。