鄭捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200065）

1 前言

隨著外加劑技術(shù)的迅速發(fā)展，目前配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土不是一件很困難的事情。近年來(lái)C60、C80乃至C100強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在RC結(jié)構(gòu)、CFT結(jié)構(gòu)中都得到了一定的應(yīng)用。尤其在高層建筑荷重較大的低區(qū)受力柱上采用高強(qiáng)混凝土設(shè)計(jì)，減小了受力柱的截面積，加大了柱與柱之間的間隔，使建筑空間得以擴(kuò)展，體現(xiàn)了低碳綠色的理念。當(dāng)前現(xiàn)代建筑正向著高層化、大跨度、輕量型方向發(fā)展，因此研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

與此同時(shí)，在研制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土?xí)r，又時(shí)常會(huì)遇到如下一些問(wèn)題：如相同配合比、相同外加劑條件下，不同地點(diǎn)配制的高強(qiáng)混凝土不一定都能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，即便達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但強(qiáng)度富余不足，影響了工程應(yīng)用；又如高強(qiáng)混凝土如何減少水化熱，改善耐久性的問(wèn)題以及高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土與普通混凝土在配制上究竟有哪些區(qū)別……諸如此類問(wèn)題表明高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的一些內(nèi)在規(guī)律性問(wèn)題尚未被我們所充分認(rèn)識(shí)，這恰恰是高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土研制中的關(guān)鍵問(wèn)題，有必要開(kāi)展進(jìn)一步的研究和探索。

2 粗骨料對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響

一般粗細(xì)骨料約占單位混凝土體積的三分之二以上，其中粗骨料在混凝土中起著骨架的作用。所以粗骨料的強(qiáng)度、表面形狀、巖石種類直接影響到混凝土強(qiáng)度的變化。

2.1 粗骨料母巖種類對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土生產(chǎn)用的粗骨料是通過(guò)對(duì)母巖的開(kāi)采、破碎、篩選等一系列工藝所形成的。常用的粗骨料其母巖大多為分布較廣的安山巖、砂巖、石灰?guī)r、花崗巖等。以安山巖為例，依據(jù)其斑晶中含有的不同成分可區(qū)分為輝石安山巖、云母安山巖、角閃石安山巖，可見(jiàn)當(dāng)安山巖的礦物組成中有云母之類的軟物質(zhì)時(shí)，其巖石強(qiáng)度必然受到影響，又由于各種巖石形成于不同地質(zhì)年代和不同的地理環(huán)境，巖石的性能不盡相同。表1所列的是各種巖石的抗壓強(qiáng)度。

表1 巖石抗壓強(qiáng)度[1]

表1顯示不同巖石種類其抗壓強(qiáng)度相差懸殊，實(shí)際上由于我國(guó)幅員遼闊，巖石的抗壓強(qiáng)度范圍可能還要寬泛。通常配制混凝土?xí)r，要求巖石的抗壓強(qiáng)度與混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度之比不應(yīng)小于1.5。在我國(guó)粗骨料的強(qiáng)度采用兩種強(qiáng)度指標(biāo)表示，一種是直接采用巖石制成的立方體或圓柱體試件在水飽和狀態(tài)下測(cè)得的極限抗壓強(qiáng)度，一種是以壓碎指標(biāo)間接推測(cè)相應(yīng)的強(qiáng)度。對(duì)于高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土僅以壓碎指標(biāo)作為粗骨料強(qiáng)度控制手段是不夠的，因?yàn)閹r石礦物組成的多樣性以及地質(zhì)年代、地理環(huán)境的差別，石礦不同部位的抗壓強(qiáng)度變化可能較大，必須將粗骨料強(qiáng)度控制的源頭前移至粗骨料母巖的強(qiáng)度檢測(cè)，只有如此才能有效確保所配制的高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的一致性。

2.2 普通粗骨料對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

由以上闡述可知，不同礦物組成的巖石其強(qiáng)度是不同的，即使同一種類的巖石強(qiáng)度也在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。作為普通粗骨料只要技術(shù)指標(biāo)符合混凝土用碎石標(biāo)準(zhǔn)，配制普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)完全能夠滿足混凝土強(qiáng)度的需要，巖石強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì)于配制普通混凝土而言并不敏感。但是，在配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土?xí)r由于受到母巖強(qiáng)度的制約，就不一定能滿足混凝土強(qiáng)度要求了。從宏觀上看，混凝土是由粗骨料與包括細(xì)骨料、水、水泥及其它摻合料所形成的漿體兩大部分組成。粗骨料與漿體之間的粘結(jié)由粗骨料的表面形狀特性和漿體的粘結(jié)特性所決定的。就粗骨料而言，各種巖石經(jīng)過(guò)破碎、篩選形成的各種粒徑的粗骨料其表面形狀特性基本是一致的。漿體強(qiáng)度與所配制的混凝土強(qiáng)度應(yīng)該一一對(duì)應(yīng)。筆者通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果歸納總結(jié)得出：如將x軸設(shè)為硬化后的漿體強(qiáng)度，y軸則為混凝土強(qiáng)度所形成的圖1中對(duì)角線上所有點(diǎn)都應(yīng)表示漿體強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)性，見(jiàn)圖1。

圖1 粗骨料強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

在實(shí)際試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)漿體強(qiáng)度達(dá)到80MPa時(shí)，混凝土強(qiáng)度并未呈現(xiàn)為對(duì)應(yīng)狀態(tài)，而是表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，偏離了對(duì)角線，這說(shuō)明普通粗骨料在配制普通混凝土強(qiáng)度時(shí)是能夠滿足混凝土配制要求的，但在混凝土強(qiáng)度超過(guò)80 MPa時(shí)，顯然普通粗骨料是不能滿足混凝土配制要求的。上圖的折線表明80MPa是混凝土強(qiáng)度的拐點(diǎn)。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)大于C80時(shí)，其強(qiáng)度的增長(zhǎng)要落后于漿體強(qiáng)度的增長(zhǎng)。若采用石灰石母巖所生產(chǎn)的粗骨料，其混凝土強(qiáng)度的拐點(diǎn)可能還將前移，因此高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土中的粗骨料強(qiáng)度是不能被輕視的。

2.3 粗骨料彈性模量對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土彈性模量的影響

眾所周知混凝土是一種多相復(fù)合材料，粗骨料的彈性模量又取決于母巖的抗壓強(qiáng)度。一般巖石的抗壓強(qiáng)度高其彈性模量也高。粗骨料的彈性模量對(duì)于普通混凝土與高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響究竟有何不同之處，表2是一組不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，當(dāng)取用不同彈性模量的粗骨料時(shí)，混凝土的彈性模量也隨之發(fā)生不同的變化。

表2 粗骨料彈性模量對(duì)混凝土彈性模量的影響[1] GPa

由表2可知隨著粗骨料彈性模量的增大，對(duì)于0.26低水灰比混凝土來(lái)說(shuō)，混凝土的彈性模量也相應(yīng)增大，但水灰比為0.44的混凝土，彈性模量的增長(zhǎng)不及低水灰比為0.26的混凝土，而水灰比為0.55的混凝土彈性模量并未顯示出變化的規(guī)律性，可見(jiàn)粗骨料的彈性模量對(duì)于普通混凝土和高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響是有區(qū)別的。正如以上所分析的那樣粗骨料與包括細(xì)骨料在內(nèi)的膠凝材料所形成的硬化漿體，它們的彈性模量在普通混凝土和在高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土中的作用是不一樣的。在普通混凝土中硬化漿體強(qiáng)度受混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的制約其彈性模量要比粗骨料的彈性模量低，而在高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土中硬化漿體強(qiáng)度為了與混凝土強(qiáng)度保持一致其彈性模量也相應(yīng)提高，因而與粗骨料的彈性模量之差相應(yīng)縮小，可見(jiàn)在高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土中粗骨料的彈性模量對(duì)混凝土彈性模量的敏感度顯著增加了。此外，由于混凝土的抗壓強(qiáng)度與混凝土的彈性模量有著一定的關(guān)系，一般隨混凝土強(qiáng)度的提高彈性模量也隨之提高，考慮到不同粗骨料種類對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響，歐洲混凝土委員會(huì)提出了式（1）的混凝土彈性模量與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系式。

上式中fcm為圓柱體試件的28天抗壓強(qiáng)度，a為粗骨料種類的影響系數(shù)，規(guī)定玄武巖、硬質(zhì)石灰?guī)ra=1.2，石英巖a=1.0，石灰石a=0.9，砂巖a=0.7。

3 水泥品種對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響

為了減少混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，降低水泥水化熱不失為一種有效可控的方法。高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的低水灰比導(dǎo)致水泥用量較普通強(qiáng)度等級(jí)的混凝土多得多。以C80混凝土為例，在無(wú)外摻料情況下水泥用量一般在600kg/m3左右，以普通硅酸鹽水泥配制，水泥的7d水化熱達(dá)300J/g以上，28d水化熱也要達(dá)到380J/g以上。如果選擇GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥低熱硅酸鹽水泥低熱礦渣硅酸鹽水泥》中的低熱硅酸鹽水泥，其7d水化熱不大于260J/g，28d水化熱不大于310J/g，兩者比較僅以水泥品種不同7d、28d水化熱可分別降低40 J/g和50 J/g，這對(duì)于水泥用量較大的高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土無(wú)疑是非常有利的。從水泥熟料礦物組成來(lái)看，主要化合物有C3S（硅酸三鈣）、C2S（硅酸二鈣）、C3A（鋁酸三鈣）、C4AF（鐵鋁酸四鈣），在W/C為0.5條件下普通硅酸鹽水泥中以上四種主要化合物的水化率如表3所示。

表3 水化率[2] %

表3中的數(shù)據(jù)說(shuō)明C3S和C3A在早期水化率較其它兩種化合物要高，顯示出水化放熱量大。為此GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥低熱硅酸鹽水泥低熱礦渣硅酸鹽水泥》中規(guī)定低熱硅酸鹽熟料中C2S＞40%，而C3A＜6%，低熱水泥將熟料中的上述主要化合物比例加以改變，降低了早期水化熱，有利于28d以后的強(qiáng)度發(fā)展。因此高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度可以考慮56d或者90d強(qiáng)度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于提高高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的耐久性是十分有利的。除此之外應(yīng)用低熱硅酸鹽水泥配制的另一個(gè)特點(diǎn)是減少了對(duì)外加劑的吸附量。因?yàn)殚g隙質(zhì)相的C3A是構(gòu)成水泥化合物中對(duì)外加劑吸附量最大的化合物，而低熱硅酸鹽水泥對(duì)其規(guī)定不大于6%，降低了水泥化合物對(duì)外加劑的吸附，更有利于大流動(dòng)度、高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的配制。

4 微硅粉對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響

現(xiàn)代建筑施工要求高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土在確保設(shè)計(jì)強(qiáng)度的同時(shí)還要求具有良好的可泵性。而低碳、節(jié)能、環(huán)保理念的推進(jìn)又要求高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土在泵送施工的同時(shí)還應(yīng)具有免振搗、自密實(shí)的特點(diǎn)。因此在配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土?xí)r除了高性能外加劑必須具備的高減水率、低粘性的特性之外，充分發(fā)揮外摻料特別是微硅粉的作用也是很重要的一個(gè)方面。

微硅粉是一種0.5μm以下的球形超細(xì)粒子，適當(dāng)?shù)膿搅坎粌H能提高混凝土的強(qiáng)度而且還能改善混凝土的流動(dòng)性，是高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土配制中不可缺少的粉體材料。由于微硅粉的超細(xì)特性即密度小、粘結(jié)性強(qiáng)、附著力大、不易沉降，給攪拌站的儲(chǔ)存、搬運(yùn)、計(jì)量帶來(lái)困難，國(guó)內(nèi)普遍采用人工拆包投入的外摻形式的生產(chǎn)工藝是較難達(dá)到均衡攪拌效果的。目前一些先進(jìn)國(guó)家采用在低熱水泥生產(chǎn)過(guò)程中摻入微硅粉，這種硅粉水泥既利用了低熱水泥發(fā)熱速度小、能有效抑制溫度裂縫的產(chǎn)生，又利用了低熱水泥中長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)的特點(diǎn)并且簡(jiǎn)化了攪拌站的生產(chǎn)工藝，從而使得高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)切實(shí)地從實(shí)驗(yàn)室走向大生產(chǎn)，達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)的能力。表4是硅粉水泥的主要品質(zhì)指標(biāo)（引自日本宇部三菱水泥有限公司的產(chǎn)品說(shuō)明）。

對(duì)于45μm以下的水泥粒子來(lái)說(shuō)粒形完整、表面光滑、質(zhì)地致密的超細(xì)硅粉作為一種超細(xì)充填物不僅促進(jìn)了初期水泥的水化同時(shí)也改變了拌合物的流變性質(zhì)。圖2是微硅粉添加量與漿體塑性黏度之間的關(guān)系。圖2顯示隨著微硅粉摻量的增加漿體黏度呈下降趨勢(shì)。

表4 硅粉水泥主要品質(zhì)指標(biāo)

圖2 微硅粉添加量與漿體塑性黏度之間的關(guān)系[3]

在配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土?xí)r要獲得良好的流動(dòng)性，微硅粉添加量一般在15%以上。為了獲得最大的火山灰效應(yīng)和充填效應(yīng)，微硅粉的二氧化硅含量應(yīng)大于90%，比表面積應(yīng)在130000~300000 cm2/g之間。

5 粗細(xì)骨料表面含水量對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響

混凝土的配合比設(shè)計(jì)是以骨料表面干燥狀態(tài)為基準(zhǔn)的，但現(xiàn)場(chǎng)放置的骨料由于各種原因多處于濕潤(rùn)狀態(tài)并含有表面水，因此決定單位用水量時(shí)必須根據(jù)實(shí)際含水情況進(jìn)行調(diào)整。砂石含水率的精確度對(duì)于普通混凝土的影響有限，但對(duì)于高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土而言，由于高性能外加劑大大減少了單位用水量，在低水灰比的情況下骨料表面含水量的微小波動(dòng)都能對(duì)水灰比產(chǎn)生較大的變化繼而對(duì)混凝土強(qiáng)度及流動(dòng)度產(chǎn)生較大影響，以致高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土對(duì)骨料表面含水量的敏感度要超過(guò)普通混凝土。為此一方面要減小砂石含水率測(cè)定的誤差，另一方面在攪拌站生產(chǎn)管理上譬如對(duì)攪拌樓及骨料儲(chǔ)存、上料系統(tǒng)采取半封閉或全封閉的生產(chǎn)工藝，可以減少氣候因素對(duì)骨料表面含水量的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

以上從巖石強(qiáng)度、水泥品種、微硅粉摻量、粗細(xì)骨料表面含水量等四個(gè)方面，分別闡述了其對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的影響。眾多研究表明，我們?cè)诖_?；炷两M分材料品質(zhì)指標(biāo)的同時(shí)應(yīng)更加注重組分材料之間以及組分材料與混凝土整體性能之間的協(xié)調(diào)性和匹配性，關(guān)注材料性能、組成、物理參數(shù)的微小變化所導(dǎo)致的敏感性的放大，這正是高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土有別于普通混凝土的最大特點(diǎn)。

近年來(lái)我國(guó)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土在研制和應(yīng)用方面都取得了豐碩成果，但正如本文所提及的一些關(guān)鍵問(wèn)題還有待進(jìn)一步探索，相關(guān)生產(chǎn)配套措施尚未完善，高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土要形成規(guī)?；a(chǎn)還存在一定距離，這也制約了高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土在工程中的大規(guī)模應(yīng)用。隨著水泥、外摻料、高性能外加劑的研制開(kāi)發(fā)以及施工技術(shù)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的特殊性能和規(guī)律性問(wèn)題將逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没倪M(jìn)程必將進(jìn)一步縮短。

[1]鶴田浩章.高強(qiáng)度コンクリ－トf(wàn)fl壓縮強(qiáng)度靜彈性系數(shù)に及（ⅶ）XIII粗骨材物性ffl影響に関XIIItf最近研究[J]. コンクリ－ト工學(xué)，Vol.43,No.2,2005.2

[2]早川有幸.fjメント水和率と相組成[J]. fjメントコンクリ－ト，No.710. Apr.2006

[3]鳴瀬浩康，井上敏克，古賀康男，石中正人.超高強(qiáng)度コンクリ－トへffl挑戦[J]. fjメントコンクリ－ト，No.697. Mar.2005

[4]小林一輔[日].混凝土工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1981.