徐永波 （安徽省建筑設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230001）

1 慨 述

近年來，隨著外加劑技術的迅速發(fā)展，高性能化、高強混凝土越來越多的應用到高層及超高層建筑、橋梁、鐵路及特殊工程中，高強混凝土的發(fā)展已成為混凝土研究的一個重要發(fā)展方向。高強混凝土指強度等級在C60級以上的混凝土，它是由水泥、砂、石、減水劑、水及其他外加劑等拌合而成的混合物[1-2]。歐美等國家從20世紀60年代就已經開始推廣高強混凝土，我國研究起步相對較晚。在房屋建筑方面，位于北美西雅圖的58層、220m高的Two Union Square工程實際混凝土強度達到130MPa[3]；現(xiàn)代日本很多建筑物以鋼筋混凝土或鋼管混凝土形式使用130MPa高強混凝土，最高強度甚至達到150MPa以上[4]；位于迪拜的世界最高建筑BurjDubai將80MPa高強混凝土應用到混凝土框架結構[3]；我國沈陽的富林大廈和皇朝萬鑫大廈，采用了C100高強混凝土，而高101層，高度492m的上海環(huán)球金融中心采用了C60高強混凝土[4]。盡管高強混凝土具有強度高、負荷能力大、資源和能用消耗少以及耐久性強等特點[5]，但在其應用過程中也出現(xiàn)了收縮變形大、水化溫升高、脆性大、任性差等缺點。為了保證高強混凝土在建筑工程中更好地應用，本文對高強混凝土的性能特點進行了分析，并針對高強混凝土的典型缺點提出了改進措施。

2 高強混凝土的性能特點分析

2.1 高強混凝土的優(yōu)點

高強混凝土是現(xiàn)代混凝土技術發(fā)展的主要方向，具有如下典型的優(yōu)點。

2.1.1 高抗壓強度

高強混凝土由于摻入了高效減水劑，可使得高強混凝土的早期強度顯著提高。高強混凝土應用于以受壓為主的構件時，構件的承載力將增強，荷載作用相同的情況下，可有效減小構件的截面尺寸。另外，高強混凝土的強度并不能明顯增加構件的抗彎能力，但能降低受彎構件截面的受壓區(qū)撓度，提高構件的延性，允許有較高的配筋率，進而提高構件的抗彎能力和降低構件的截面尺寸，從而使得高強混凝土在高層建筑中使用時可增加有效空間。盡管高強混凝土具有高抗壓強度，但其抗拉強度僅為抗壓強度的1/11.5～1/14.1[6]，高強混凝土的抗拉強度不會隨著抗壓強度的增大而提高，這是由于混凝土的抗拉強度一般取決于砂漿和粗骨料過渡區(qū)的粘結強度。

2.1.2 強度增長速率高

高強混凝土的早期強度增長速率快，而在后期高強混凝土和普通混凝土增長速率相差不多。這是由于高強混凝土水泥用量大，較高的水化熱使試件內部溫度較高，加速了早期強度的增長。

2.1.3 應力-應變曲線的上升段及下降段斜率增大

隨著混凝土強度等級的提高，應力-應變曲線上升段和下降段的斜率增大，曲線變得更加陡峭，更接近于線性關系，且最大應力、應變值隨著強度等級的提高略有增加。

2.1.4 高彈性模量

混凝土的彈性模量隨抗壓強度的增加而增大，但一般的混凝土彈性模量與抗壓強度的關系式并不適用于高強混凝土。為此，美國的康奈爾大學教授Martinez等提出了高強混凝土彈性模量與抗壓強度的關系[7]。

2.1.5 強耐久性

由于高強混凝土水灰比低，非結合水減少，內部缺陷和空隙減少；添加超細活性摻合料，在混凝土中發(fā)揮微集料效應和微晶核效應，使混凝土結構更加均勻，缺陷減少，結構更加密實，所以它的抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗氯離子滲透性能等耐久性能強。因此，露天、遭海水侵蝕或易受碰撞損害的工程建筑物，宜采用高強混凝土。

2.1.6 收縮徐變小

高強混凝土的收縮一般較低強混凝土小一些，但其徐變顯著低于低強混凝土。

2.2 高強混凝土的缺點

盡管高強混凝土具有上述較多的優(yōu)點，但在其性能上也存在許多突出的缺點亟待解決。

2.2.1 新拌高強混凝土黏度大，施工困難

目前，高強混凝土黏度大的認識僅限于表象，對其黏度大的本質尚無詳細報道。與普通混凝土相比，高強混凝土中水膠比較低，單位體積內水體積減小，固體顆粒體積增大，導致顆粒表面水膜厚度降低，漿體粘度增大。另外，由于水膜層厚度減小將導致顆粒間距減小，顆粒間摩擦增大，從而導致黏度進一步增加[5]。由于混凝土在施工過程中要求一定的流動性，而高強混凝土的高黏度將降低其流動性，從而導致施工困難。

2.2.2 膠凝材料用量大，水化溫升高

《高強混凝土結構設計與施工指南》中明確規(guī)定C70與C80混凝土的水泥用量不宜超過500kg/m3，膠凝材料總量不超過600kg/m3，對于膠凝材料用量的限制是為了防止高強混凝土水化溫升過高。研究認為，水膠比在0.236～0.4時，混凝土的最高溫升隨水膠比的降低而降低[8]。

2.2.3 自收縮開裂機率大

自收縮開裂是由于水泥石內部的自干燥而產生收縮導致的開裂，高強混凝土的高凝膠材料用量以及低水膠比導致其收縮顯著增大[9]。這是由于低水膠比時，水泥不能完全水化，在凝結硬化過程中，未水化的水泥進一步水化吸收水泥石中毛細管中水分，使毛細管內部產生負壓，從而使水泥石產生自收縮，最終產生裂紋。

高強混凝土由于自干燥產生自收縮，使其產生早期裂紋，這與長期的干燥收縮是不同的。自收縮開裂將降低高強混凝土的耐久性，需要在高強混凝土的配制過程中盡可能的克服。

2.2.4 脆性大，低韌性

高強混凝土，由于高效減水劑和活性摻合料的使用，過渡區(qū)的結構得到改善，強度得到提高，破壞時粗骨料對裂縫擴展的阻礙作用減小，會有裂縫直接把粗骨料劈裂繼續(xù)擴展的現(xiàn)象，而且隨混凝土強度等級的提高，粗骨料被劈裂的現(xiàn)象增多，所以高強混凝土破壞時，沒有明顯的橫向膨脹，斷面較普通混凝土平整，裂縫一旦出現(xiàn)，很快就會貫穿試塊使其破壞。而普通混凝土的破壞是一個逐漸破壞的過程，能看到多條裂縫和明顯的橫向膨脹，破壞截面的粗骨料有脫落的現(xiàn)象，因此，高強混凝土的延性比普通混凝土差，素混凝土的延性隨強度的增加而降低。文獻[10]從微觀層次化學鍵的角度和細觀、宏觀層次的斷裂力學角度解釋了高強混凝土的脆性根源，認為構成混凝土材料的化學鍵主要為共價鍵和離子鍵，而在細觀上混凝土式非均質多相材料，內部本身存在大量的微裂縫、薄弱粘結層及空隙等缺陷，在荷載作用下易發(fā)生破壞。高強混凝土的破壞不同于普通混凝土，破壞時裂縫可能直接貫穿骨料，使得破壞從耗能最快的路徑發(fā)展，從而導致高強混凝土脆性大、韌性低。

3 高強混凝土的改進措施

高強混凝土由于具有高強度、強耐久性、負荷能力強等優(yōu)點而在土木工程中得到廣泛應用，而高強混凝土也具有新拌高強混凝土黏度大、水化溫升高、自收縮開裂風險高和脆性大等顯著劣勢，為了保證高強混凝土的大面積應用，本文對高強混凝土的典型缺點提出優(yōu)化措施。

3.1 高強混凝土的黏度調控措施

高強混凝土的黏度大主要是由低水膠比造成的，因此，黏度調控措施主要從減水劑和摻和料兩個方面著手。高效減水劑可顯著改變混凝土的工作性能，大量研究表明高效減水劑雖然能提高混凝土的流動度，但對調控混凝土的黏度作用并不明顯。相關試驗認為，采用側鏈長度大且單體比例高的聚羧酸外加劑具有更多的吸附基團和更為伸展的側鏈，可在水泥顆粒表面形成更強的空間位阻能力，從而降低低水膠比漿體的黏度[11]。粉煤灰的摻入可減少用水量，其滾珠效應也能有效降低混凝土黏度，從而改善混凝土的施工性能。因此，可通過摻入一定量和合適顆粒級配的粉體顆粒，如硅灰、粉煤灰、礦渣等，實現(xiàn)高強混凝土黏度的降低。除優(yōu)選減水劑和摻和料外，還可以通過調整混凝土的配合比改善其黏度，如選用球形度較高的骨料可減小顆粒間摩擦力，從而降低流動阻力，改善黏度。同樣，摻入少量的優(yōu)質引氣劑，在混凝土中引入封閉微細孔，可起到滾珠的作用，降低混凝土的黏度，但含氣量的增加會明顯降低混凝土的強度。

由于每次設立儀器站時都沒有對儀器進行定向，也沒有將儀器站的坐標納入統(tǒng)一的坐標系中，因此儀器在每個儀器站上獲得的目標點坐標之間沒有關聯(lián)，必須統(tǒng)一坐標系。本文采用文獻［1］的計算方法進行統(tǒng)一坐標轉換。文獻［1］給出的計算方法：

3.2 高強混凝土水化放熱調控技術

針對高強混凝土水化溫升高的特點，主要對其水化放熱過程進行調控。對水化放熱過程進行控制，主要是控制水泥水化產生的溫度過高，降低水化放熱速率，延長水泥水化放熱過程。

選用礦物成分含量較低的水泥品種盡管可以降低水化放熱速率，但其對混凝土的收縮性能影響較大，水泥強度等級低，價格較高，高強混凝土中不建議采用中、低熱水泥。而摻入粉煤灰和磨細礦渣是抑制高強混凝土早期溫升的有效措施[12]。這是由于摻入粉煤灰和礦渣可以延遲水泥水化進程，降低水泥水化放熱速率，石英粉、石灰石粉等活性較低的惰性摻合料具有相同的功能。

緩凝劑和緩凝型減水劑也是常有的控制水化放熱的技術措施，盡管緩凝劑或緩凝型減水劑能延緩水泥的水化過程，對降低高強混凝土早期水化溫升效果較好，但無法從根本上抑制混凝土的集中放熱現(xiàn)象。

3.3 高強混凝土自收縮開裂改善措施

引起高強混凝土收縮開裂的主要原因是自收縮，抑制高強混凝土自收縮的措施可使用高C2S和低C3A或C4AF的硅酸鹽水泥，同時盡量避免使用高細度的水泥和礦渣和選用高彈性模量的骨料配制高強混凝土，另外通過摻入適量的粉煤灰、纖維材料、膨脹劑或減縮劑等來改善高強混凝土的自收縮。在養(yǎng)護過程中，采用“內養(yǎng)護”降低高強混凝土的自收縮開裂。內養(yǎng)護是指在混凝土中引入一種組分作為養(yǎng)護劑，它均勻的分散在混凝土中，起到內部蓄水池的作用[13]。

為改善高強混凝土易收縮開裂的缺點，可以通過優(yōu)化原材料性能及配合比和摻加纖維等物質來提高高強混凝土的抗裂性。

3.4 高強混凝土增韌降脆措施

混凝土是一種脆性材料，研究其增韌降脆措施是擴大其應用范圍的重要前提。高強混凝土的性能決定于其組成和內部結構，可認為由水泥漿體、界面過渡區(qū)和集料三個重要環(huán)節(jié)組成。因此為降低混凝土的脆性，可以從宏觀、細觀的角度來增強高強混凝土的韌性，降低其脆性。在微觀方面，高強混凝土組成中加入高分子聚合物乳液（如氯丁橡膠），使水泥與聚合物成為膠結材料與骨料結合，增強其斷裂韌性。在細觀方面可以在高強混凝土中摻入分散性好的高強高韌纖維，如鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等形成纖維增強混凝土，或者選用高強堅韌的粗骨料來改善高強混凝土的脆性[14]。在宏觀方面，則可以采用鋼筋混凝土或鋼管混凝土，利用鋼管、鋼筋和混凝土兩種材料在受力過程中相互之間的組合作用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，改善混凝土的韌性和脆性。

因此，高強混凝土增韌降脆的措施主要有選用高強堅韌的粗骨料，摻入礦物摻合料改善界面過渡區(qū)的微結構，摻入高強高韌纖維、形成鋼筋或鋼管混凝土等，其中纖維的摻入能夠阻止高強混凝土中裂縫的擴展，并耗散高強混凝土的斷裂能，進而提高高強混凝土的斷裂韌性，被認為是增韌降脆的最有效方法，且已得到廣泛認可和應用。

4 結論

①高強混凝土具有高抗壓強度、強度增長速率快、高彈性模量和耐久性優(yōu)異的優(yōu)點；高強混凝土在應用過程中存在黏度大、水化溫升高、開裂風險高和脆性大、韌性差的缺點。

②通過摻入高效減水劑和適當顆粒級配的摻和料，可降低高強混凝土的黏度；引入優(yōu)質引氣劑可以提高高強混凝土的流動性。

③摻入粉煤灰和磨細礦渣是抑制高強混凝土早期溫升的有效措施，緩凝劑和緩凝型減水劑也是常有的控制水化放熱的技術措施。

④為改善高強混凝土易收縮開裂的缺點，可以通過優(yōu)化原材料性能及配合比和摻加纖維等物質來提高高強混凝土的抗裂性。

⑤優(yōu)選骨料、優(yōu)化孔結構、界面改性和摻入纖維均能改善高強混凝土脆性大、韌性差的缺點，其中摻入纖維材料是增韌降脆最有效的辦法。

[1]林耀.高強混凝土收縮開裂的研究及應對措施[J].福建建材,2013(3).

[2]吳芳,賈福根,李瑞璟,王瑞燕.新編土木工程材料教程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

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

[4]張洪波.快凝快硬高強混凝土的制備與性能[D].重慶:重慶大學,2014.

[5]繆昌文,劉建忠.應用高強混凝土應注意的幾個問題[J].施工技術,2013(10).

[6]李木,陳偉.對高強混凝土的特性及設計有關問題的研究[J].沈陽大學學報,2006(5).

[7]美國鋼筋混凝土協(xié)會387委員會報告[R].北京:清華大學,1995.

[8]吳忠偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[9]Victor YG,Lawrence FK,Kimberly E K.Short-term tensile creep and shrinkage of ultra-high performance concrete[J].Cement and Concrete Composites,2009(3).

[10]劉剛.高強混凝土的斷裂脆性及其增韌減脆措施試驗研究[D].武漢:武漢大學,2004.

[11]Liu J. Z, Sun W, Miao C. W, et al． Influence of super plasticizers and mineral admixtures on the workability of mortar at low water-cement ratio[C].The 2nd International Conference on Microstructure RelatedDurability of Cementitious Composites, Amsterdam, 2012.

[12]劉建忠,孫偉,繆昌文,等.超高強混凝土用低水膠比漿體的水化熱研究[J].建筑材料學報,2010(2).

[13]高美容,秦鴻根,龐超明.高性能混凝土內養(yǎng)護技術的研究現(xiàn)狀[J].混凝土與水泥制品,2009(3).

[14]姚武,陳兵,嚴安.高性能混凝土的脆性研究[A].全國高強與高性能混凝土及其應用第四屆學術討論會[C].2001.