不同用途特种混凝土性能浅析

　　一、抗渗混凝土
　　抗渗混凝土系指抗渗等级不低于P6级的混凝土。即它能抵抗0.6MPa静水压力作用而不发生透水现象。为了提高混凝土的抗渗性，通常采用合理选择原材料、提高混凝土的密实程度以及改善混凝土内部孔隙结构等方法来实现。目前，常用的防水混凝土的配制方法有以下几种。
　　（一）富水泥浆法
　　这种方法是依靠采用较小的水灰比，较高的水泥用量和砂率，提高水泥浆的质量和数量，使混凝土更密实。
　　防水混凝土所用原材料应符合下列要求：
　　（1）水泥强度等级不宜低于32.5，其品种应按设计要求选用，当有抗冻要求时，应优先选用硅酸盐水泥；
　　（2）粗骨料的最大粒径不宜大于40mm，其含泥量不得大于1%，泥块含量不得超过0.5%；
　　（3）细骨料的含泥量不得大于3%，泥块含量不得大于1%；
　　（4）外加剂宜采用防水剂、膨胀剂、引气剂或减水剂。
　　防水混凝土配合比计算应遵守以下几项规定：
　　（1）每立方米混凝土中的水泥用量（含掺合料）不宜少于320kg；
　　（2）砂率宜为35%～40%；灰砂比宜为1:2～2.5；
　　（3）防水混凝土的最大水灰比应符合规定。

　　（二）骨料级配法
　　骨料级配法是通过改善骨料级配，使骨料本身达到最大密实程度的堆积状态。为了降低空隙率，还应加入约占骨料量5%～8%的粒径小于0.16mm的细粉料。同时严格控制水灰比、用水量及拌合物的和易性，使混凝土结构致密，提高抗渗性。
　　（三）外加剂法
　　这种方法与前面两种方法比较，施工简单，造价低廉，质量可靠，被广泛采用。它是在混凝土中掺入适当品种的外加剂，改善混凝土内孔结构，隔断或堵塞混凝土中各种孔隙、裂缝、渗水通道等，以达到改善混凝土抗渗的目的。常采用引气剂（如松香热聚物）、密实剂（如采用FeCl₃防水剂）、高效减水剂（降低水灰比）、膨胀剂（防止混凝土收缩开裂）等。
　　（四）采用特种水泥
　　采用无收缩不透水水泥、膨胀水泥等来拌制混凝土，能够改善混凝土内的孔结构，有效提高混凝土的致密度和抗渗能力。
　　二、耐热混凝土
　　耐热混凝土是指能长期在高温（200～900℃）作用下保持所要求的物理和力学性能的一种特种混凝土。
　　普通混凝土不耐高温，故不能在高温环境中使用。其不耐高温的原因是：水泥石中的氢氧化钙及石灰岩质的粗骨料在高温下均要产生分解，石英砂在高温下要发生晶型转变而体积膨胀，加之水泥石与骨料的热膨胀系数不同。 所有这些，均将导致普通混凝土在高温下产生裂缝，强度严重下降，甚至破坏。
　　耐热混凝土是由合适的胶凝材料、耐热粗、细骨料及水，按一定比例配制而成。根据所用胶凝材料不同，通常可分为以下几种：
　　（一）矿渣水泥耐热混凝土
　　矿渣水泥耐热混凝土是以矿渣水泥为胶结材料，安山岩、玄武岩、重矿渣、粘土碎砖等为耐热粗、细骨料，并以烧粘土、砖粉等作磨细掺合料，再加入适量的水配制而成。耐热磨细掺合料中的二氧化硅和三氧化铝在高温下均能与氧化钙作用，生成稳定的无水硅酸盐和铝酸盐，它们能提高水泥的耐热性。矿渣水泥配制的耐热混凝土其极限使用温度为900℃。
　　（二）铝酸盐水泥耐热混凝土
　　铝酸盐水泥耐热混凝土是采用高铝水泥或硫铝酸盐水泥、耐热粗细骨料、高耐火度磨细掺合料及水配制而成。这类水泥在300～400℃下其强度会发生急剧降低，但残留强度能保持不变。到1100℃时，其结构水全部脱出而烧结成陶瓷材料，则强度重又提高。常用粗、细骨料有碎镁砖、烧结镁砖、矾土、镁铁矿和烧粘土等。铝酸盐水泥耐热混凝土的极限使用温度为1300℃。
　　（三）水玻璃耐热混凝土
　　水玻璃耐热混凝土是以水玻璃作胶结材料，掺入氟硅酸钠作促硬剂，耐热粗、细骨料可采用碎铁矿、镁砖、铬镁砖、滑石、焦宝石等。磨细掺合料为烧粘土、镁砂粉、滑石粉等。水玻璃耐热混凝土的极限使用温度为1200℃。施工时严禁加水；养护时也必须干燥，严禁浇水养护。
　　（四）磷酸盐耐热混凝土
　　磷酸盐耐热混凝土是由磷酸铝和高铝质耐火材料或锆英石等制备的粗、细骨料及磨细掺合料配制而成，目前更多的是直接采用工业磷酸配制耐热混凝土。这种混凝土具有高温韧性强、耐磨性好、耐火度高的特点，其极限使用温度为1500～1700℃。磷酸盐耐热混凝土的硬化需在150℃以上烘干，总干燥时间不少于24h，硬化过程中不允许浇水。
　　耐热混凝土多用于高炉基础、焦炉基础，热工设备基础及围护结构、护衬、烟囱等。
　　三、耐酸混凝土
　　能抵抗多种酸及大部分腐蚀性气体侵蚀作用的混凝土称为耐酸混凝土。
　　（一）水玻璃耐酸混凝土
　　水玻璃耐酸混凝土由水玻璃作胶结料，氟硅酸钠作促硬剂，与耐酸粉料及耐酸粗、细骨料按一定比例配制而成。耐酸粉料由辉绿岩、耐酸陶瓷碎料、石英质材料磨细而成。耐酸粗、细骨料常用石英岩、辉绿岩、安山岩、玄武岩、铸石等。水玻璃耐酸混凝土的配合比一般为水玻璃：耐酸粉料：耐酸细骨料：耐酸粗骨料=0.6～0.7:1:1:1.5～2.0。水玻璃耐酸混凝土养护温度不低于10℃，养护时间不少于6天。
　　水玻璃耐酸混凝土能抵抗除氢氟酸以外的各种酸类的侵蚀，特别是对硫酸、硝酸有良好的抗腐性，且具有较高的强度，其3d强度约为11MPa，28d强度可达15MPa。多用于化工车间的地坪、酸洗槽、贮酸池等。
　　（二）硫磺耐酸混凝土
　　它是以硫磺为胶凝材料，聚硫橡胶为增韧剂，掺入耐酸粉料和细骨料，经加热（160～170℃）熬制成硫磺砂浆，灌入耐酸粗骨料中冷却后即为硫磺耐酸混凝土。其抗压强度可达40MPa以上，常用于地面、设备基础、贮酸池槽等。
　　四、泵送混凝土
　　泵送混凝土系指坍落度不小于100mm，并用泵送施工的混凝土。它能一次连续完成水平运输和垂直运输，效率高、节约劳动力，因而近年来国内外应用也十分广泛。
　　泵送混凝土拌合物必须具有较好的可泵性。所谓可泵性，即拌合物具有顺利通过管道、摩擦阻力小、不离析、不阻塞和粘聚性良好的性能。
　　保证混凝土良好可泵性的基本要求是：
　　（一）水泥
　　泵送混凝土应选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，不宜采用火山灰质硅酸盐水泥。
　　（二）骨料
　　泵送混凝土所用粗骨料宜用连续级配，其针片状含量不宜大于10%。最大粒径与输送管径之比，当泵送高度50m以下时，碎石不宜大于1:3，卵石不宜大于1:2.5；泵送高度在50～100m时，碎石不宜大于1:4，卵石不宜大于1:3，泵送高度在100m以上时，不宜大于1:4.5。宜采用中砂，其通过0.315mm筛孔的颗粒含量不应少于15%，通过0.160mm筛孔的含量不应少于5%。
　　（三）掺合料与外加剂
　　泵送混凝土应掺用泵送剂或减水剂，并宜掺用粉煤灰或其他活性掺合料以改善混凝土的可泵性。
　　（四）坍落度

　　（五）泵送混凝土配合比设计
　　泵送混凝土的水胶比不宜大于0.60，水泥和矿物掺合料总量不宜小于300kg/m³，且不宜采用火山灰水泥，砂率宜为35～45%。采用引气剂的泵送混凝土，其含气量不宜超过4%。实践证明，泵送混凝土掺用优质的磨细粉煤灰和矿粉后，可显著改善和易性及节约水泥，而强度不降低。泵送混凝土的用水量和用灰量较大，使混凝土易产生离析和收缩裂纹等问题。
　　五、聚合物混凝土
　　聚合物混凝土是由有机聚合物、无机胶凝材料和骨料结合而成的新型混凝土，常用的有以下两类。
　　（一）聚合物浸渍混凝土（PIC）
　　将已硬化的混凝土干燥后浸入有机单体中，用加热或辐射等方法使混凝土孔隙内的单体聚合，使混凝土与聚合物形成整体，称为聚合物浸渍混凝土。
　　由于聚合物填充了混凝土内部的孔隙和微裂缝，从而增加了混凝土的密实度，提高了水泥与骨料之间的粘结强度，减少了应力集中，因此具有高强、耐蚀、抗冲击等优良的物理力学性能。与基材（混凝土）相比，抗压强度可提高2～4倍，一般可达150MPa。
　　浸渍所用的单体有：甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（S）、丙烯腈（AN）、聚脂-苯乙烯等。对于完全浸渍的混凝土应选用粘度尽可能低的单体，如MMA、S等，对于局部浸渍的混凝土，可选用粘度较大的单体如聚脂-苯乙烯等。
　　聚合物浸渍混凝土适用于要求高强度、高耐久性的特殊构件，特别适用于输送液体的有筋管道、无筋管和坑道。
　　（二）聚合物水泥混凝土（PCC）
　　聚合物水泥混凝土是用聚合物乳液拌和水泥，并掺入砂或其他骨料而制成。生产工艺与普通混凝土相似，便于现场施工。
　　聚合物可用天然聚合物（如天然橡胶）和各种合成聚合物（如聚醋酸乙烯、苯乙烯、聚氯乙烯等）。矿物胶凝材料可用普通水泥和高铝水泥。
　　通常认为，在混凝土凝结硬化过程中，聚合物与水泥之间没有发生化学作用，只是水泥水化吸收乳液中水分，使乳液脱水而逐渐凝固，水泥水化产物与聚合物互相包裹填充形成致密的结构，从而改善了混凝土的物理力学性能，表现为粘结性能好，耐久性和耐磨性高，抗折强度明显提高，但不及聚合物浸渍混凝土显著，抗压强度有可能下降。
　　聚合物水泥混凝土多用于无缝地面，也常用于混凝土路面和机场跑道面层和构筑物的防水层。
　　六、纤维混凝土
　　纤维混凝土是以混凝土为基体，外掺各种纤维材料而成。掺入纤维的目的是提高混凝土的抗拉、抗弯、冲击韧性，也可以有效改善混凝土的脆性性质。
　　常用的纤维材料有钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维和合成纤维等。所用的纤维必须具有耐碱、耐海水、耐气候变化的特性。国内外研究和应用钢纤维较多，因为钢纤维对抑制混凝土裂缝的形成，提高混凝土抗拉和抗弯、增加韧性效果最佳，但成本较高，因此，近年来合成纤维的应用技术研究较多，有可能成为纤维混凝土主要品种之一。
　　在纤维混凝土中，纤维的含量，纤维的几何形状以及纤维的分布情况，对其性质有重要影响。以钢纤维为例：为了便于搅拌，一般控制钢纤维的长径比为60～100，掺量为0.5%～1.3%（体积比），尽可能选用直径细、截面形状非圆形的钢纤维，钢纤维混凝土一般可提高抗拉强度2倍左右，抗冲击强度提高5倍以上。
　　纤维混凝土目前主要用于复杂应力结构构件、对抗冲击性要求高的工程，如飞机跑道、高速公路、桥面面层、管道等。随着纤维混凝土技术的提高，各类纤维性能的改善，成本的降低，在建筑工程中的应用将会越来广泛。
　　七、防辐射混凝土
　　能遮蔽x、γ射线等对人体有危害的混凝土，称为防辐射混凝土。它由水泥、水及重骨料配制而成，其表观密度一般在3000kg/m³以上。混凝土愈重，其防护x、γ射线的性能越好，且防护结构的厚度可减小。但对中子流的防护，除需要混凝土很重外，还需要含有足够多的最轻元素--氢。
　　配制防辐射混凝土时，宜采用胶结力强、水化结合水量高的水泥，如硅酸盐水泥，最好使用硅酸锶等重水泥。采用高铝水泥施工时需采取冷却措施。常用重骨料主要有重晶石（BaSO₄）、褐铁矿（2Fe₂O₃·3H₂O）、磁铁矿（Fe₃O₄）、赤铁矿（Fe₂O₃）等。另外，掺入硼和硼化物及锂盐等，也能有效改善混凝土的防护性能。
　　防辐射混凝土主要用于原子能工业以及应用放射性同位素的装置中，如反应堆、加速器、放射化学装置、海关、医院等的防护结构。
　　八、彩色混凝土
　　彩色混凝土，也称为面层着色混凝土。通常采用彩色水泥或白水泥加颜料按一定比例配制成彩色饰面料，先铺于模底，厚度不小于10mm，再在其上浇筑普通混凝土，这称为反打一步成型。也可冲压成型。除此之外，还可采取在新浇混凝土表面上干撒着色硬化剂显色，或者采用化学着色剂渗入已硬化混凝土的毛细孔中，生成难溶且抗磨的有色沉淀物显示色彩。
　　彩色混凝土目前多用于制作路面砖，有人行道砖和车行道砖两类，按其形状又分为普通型砖和异型砖两种。路面砖也有本色砖。普型铺地砖有方形、六角形等多种，它们的表面可做成各种图案花纹，异型路面砖铺设后，砖与砖之间相互产生联锁作用，故又称联锁砖。联锁砖的排列方式有多种，不同排列则形成不同图案的路面。采用彩色路面砖铺路面，可形成多彩美丽的图案和永久性的交通管理标志，具有美化城市的作用。
　　九、碾压式水泥混凝土
　　碾压式水泥混凝土是以较低的水泥用量和很小的水灰比配制而成的超干硬性混凝土，经机械振动碾压密实而成，通常简称为碾压混凝土。这种混凝土主要用来铺筑路面和坝体，具有强度高、密实度大、耐久性好和成本低等优点。
　　（一）原材料和配合比
　　碾压混凝土的原材料与普通混凝土基本相同。为节约水泥、改善和易性和提高耐久性，通常掺大量的粉煤灰。当用于路面工程时，粗集料最大粒径应不大于20mm，基层则可放大到30～40mm。为了改善集料级配，通常掺入一定量的石屑，且砂率比普通混凝土要大。
　　碾压混凝土的配合比设计主要通过击实试验，以最大表观密度或强度为技术指标，来选择合理的集料级配、砂率、水泥用量和最佳含水量（其物理意义与普通混凝土的水灰比相似），采用体积法计算砂石用量，并通过试拌调整和强度验证，最终确定配合比。并以最佳含水率和最大表观密度值作为施工控制和质量验收的主要技术依据。
　　（二）主要技术性能和经济效益
　　1．主要技术性能。
　　（1）强度高：碾压混凝土由于采用很小的水灰比（一般为0.3左右），集料又采用连续密级配，并经过振动式或轮胎式压路机的碾压，混凝土具有密实度和表观密度大的优点，水泥胶结料能最大限度地发挥作用，因而混凝土具有较高的强度，特别是早期强度更高。如水泥用量为200kg/m³的碾压混凝土抗压强度可达30MPa以上，抗折强度大于5MPa。
　　（2）收缩小：碾压混凝土由于采用密实级配，胶结料用量低，水灰比小，因此混凝土凝结硬化时的化学收缩小，多余水分挥发引起的干缩也小，从而混凝土的总收缩大大下降，一般只有同等级普通混凝土的1/2～1/3左右。
　　（3）耐久性好：由于碾压混凝土的密实结构，孔隙率小，因此，混凝土的抗渗性、耐磨性、抗冻性和抗腐蚀性等耐久性指标大大提高。
　　2．经济效益。
　　（1）节约水泥：等强度条件下，碾压混凝土可比普通混凝土节约水泥用量30%以上。
　　（2）工效高、加快施工进度：碾压混凝土应用于路面工程可比普通混凝土提高工效2倍左右。又由于早期强度高，可缩短养护期、加快施工进度、提早开放交通。
　　（3）降低施工和维护费用：当碾压混凝土应用于大体积混凝土工程时，由于水化热小，可以大大简化降温措施，节约降温费用。对混凝土路面工程，其养护费用远低于沥青混凝土路面，而且使用年限较长。