高性能混凝土質量與施工控制

俞楊

摘 要 :隨著我國工業化和城市化步伐的邁進，我國的工程建設規模日益增大，建筑工程質量和耐久性也日益受到政府和社會各界的關注。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)因其高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等特性已在橋梁、高層建筑、海港建筑等許多重要工程中被應用，因而對高性能混凝土質量及其施工進行管理就顯得尤為重要。

本文主要介紹了高性能混凝土的概念與特性，進而從原材料選用、配合比設計及施工程序三個方面探討了高性能混凝土質量及其施工控制要點。

關鍵詞：高性能混凝土；耐久性；質量與施工控制；

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

引 言

從1824年波特蘭水泥發明開始，混凝土材料至今已有100多年的歷史，混凝土作為房屋建筑、橋梁、水利、公路等現代工程中最大宗的人造材料，用量巨大。21世紀以來，隨著科學技術的快速發展，各種新型混凝土不斷涌現。但混凝土的高強度、高工作性、高耐久性等性能被更加重視，因此高性能混凝土應運而生，并已在橋梁、高層建筑、海港建筑等不少重要工程中被應用，因而對高性能混凝土質量及其施工進行管理就顯得尤為重要。

一、高性能混凝土的概念

高性能混凝土是近20余年發展起來的一種新型混凝土。歐洲混凝土學會和國際預應力混凝土協會將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土；在日本，將高流態的自密實混凝土（即免振混凝土）稱為HPC；中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會將HPC定義為以耐久性和可持續發展為基本要求并適合工業化生產與施工的混凝土。雖然在不同的國家，不同的學者或工程技術人員，對HPC的理解有所不同。比如美國學者更強調高強度和尺寸穩定性，歐洲學者更注重耐久性，而日本學者偏重于高工作性。但是他們對其高耐久性的認識是一致的。

二、高性能混凝土特性

與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下特性：

1.耐久性。高效減水劑和礦物質超細粉的配合使用，能夠有效的減少用水量，減少混凝土內部的空隙，能夠使混凝土結構安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土應用的主要目的。

2.工作性。坍落度是評價混凝土工作性的主要指標，HPC的坍落度控制功能好，在振搗的過程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振動時間內，下沉距離短，穩定性和均勻性好。同時，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且摻入超細粉，基本上無泌水，其水泥漿的粘性大，很少產生離析的現象。

3.力學性能。由于混凝土是一種非均質材料,強度受諸多因素的影響，水灰比是影響混凝土強度的主要因素，對于普通混凝土，隨著水灰比的降低，混凝土的抗壓強度增大，高性能混凝土中的高效減水劑對水泥的分散能力強、減水率高，可大幅度降低混凝土單方用水量。在高性能混凝土中摻入礦物超細粉可以填充水泥顆粒之間的空隙，改善界面結構，提高混凝土的密實度，提高強度。

4.體積穩定性。高性能混凝土具有較高的體積穩定性，即混凝土在硬化早期應具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。

5.經濟性。高性能混凝土較高的強度、良好的耐久性和工藝性都能使其具有良好的經濟性。高性能混凝土良好的耐久性可以減少結構的維修費用，延長結構的使用壽命，收到良好的經濟效益；高性能混凝土的高強度可以減少構件尺寸，減小自重，增加使用空間；HPC良好的工作性可以減少工人工作強度，加快施工速度，減少成本。前蘇聯學者研究發現用C110~C137的高性能混凝土替代C40~C60的混凝土，可以節約15%~25%的鋼材和30%~70%的水泥。雖然HPC本身的價格偏高，但是其優異的性能使其具有了良好的經濟性。概括起來說，高性能混凝土就是能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結構的使用年限，降低工程造價。

三、高性能混凝土質量與施工控制

（一）高性能混凝土原材料及其選用

1.細集料。細集料宜選用質地堅硬、潔凈、級配良好的天然中、粗河砂,其質量要求應符合普通混凝土用砂石標準中的規定。砂的粗細程度對混凝土強度有明顯的影響,一般情況下,砂子越粗,混凝土的強度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜選用細度模數大于2.3的中砂,對于C80～C100的混凝土用砂宜選用細度模數大于2.6的中砂或粗砂。

2.粗集料。高性能混凝土必須選用強度高、吸水率低、級配良好的粗集料。宜選擇表面粗糙、外形有棱角、針片狀含量低的硬質砂巖、石灰巖、花崗巖、玄武巖碎石,級配符合規范要求。一般情況下，高性能混凝土要求粗集料強度應為混凝土強度的115倍～210倍或控制壓碎指標值＞10﹪。最大粒徑不應大于25mm,以10mm～20mm為佳,這是因為,較小粒徑的粗集料,其內部產生缺陷的幾率減小,與砂漿的粘結面積增大,且界面受力較均勻。另外, 高性能混凝土要求粗集料采取連續級配,其中尤以級配良好、表面粗糙的石灰巖碎石為最好。粗集料的線膨脹系數要盡可能小,這樣能大大減小溫度應力,從而提高混凝土的體積穩定性。

3.細摻合料?；钚约殦胶狭鲜歉咝阅芑炷帘赜玫慕M成材料。常用的活性細摻合料有硅粉(SF)、磨細礦渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。配制高性能混凝土宜用含碳量低、細度低、需水量低的優質粉煤灰?；蜻x用細度大于水泥的磨細礦渣，或選用SiO2含量>90﹪、粒徑為0.1μm～1.0μm、比表面積18500㎡/kg～20000㎡/kg的硅粉, 而硅粉在各種摻合料中對混凝土的增強作用最為顯著,是國際上制備超高強混凝土最通用的超細活性摻合料。

4.減水劑及緩凝劑。由于高性能混凝土具有較高的強度,且一般混凝土拌合物的坍落度較大(15～20㎝左右),在低水膠比(一般＜0.35)的情況下,要使混凝土具有較大的坍落度,就必須使用高效減水劑,且其減水率宜在20﹪以上。有時為減少混凝土坍落度的損失,在減水劑內還宜摻有緩凝的成份。此外,摻減水劑后混凝土拌合物的坍落度損失不會太快太大,有利于泵送。

5.礦物摻合料。常用的礦物摻合料包括粉煤灰和硅粉。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率對強度影響顯著,較好的早期強度和后期強度的水泥取代率應小于10%。當粉煤灰摻量較低時,只會對水泥早期水化熱有影響,但對7d齡期的水化熱幾乎沒有影響。另外，在混凝土中摻加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,結合應用減水劑,可使混凝土各方面的物理力學性能都得到顯著提高,硅粉的適宜摻量為水泥用量的5﹪～10﹪。

（二）配合比設計控制要點

1.設計思路有很大區別

在以往的配合比設計方法中，是按混凝土的強度等級要求計算水灰比，而現在則是按耐久性的要求，首先根據環境作用等級確定電通量指標，由此來選擇水膠比、控制膠凝材料最小用量以及摻和料的比例。一般來說，為滿足電通量要求和水膠比限值要求，混凝土的強度一般都是超強的。

2.膠凝材料用量及粉煤灰所占比例

在進行配合比參數設計時，為保證混凝土的耐久性，混凝土中膠凝材料總量應處在一個適宜范圍內，不僅有最低限要求，同時，對于C30及以下混凝土，膠凝材料總量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。由于使用粉煤灰等礦物摻和料不僅可以降低混凝土成本，還能提升混凝土的耐久性，特別是可以有效改善混凝土抵抗化學侵蝕的能力（包括氯化物侵蝕、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應等），因而粉煤灰等礦物參合料被大力推廣使用。國內外的大量研究表明，粉煤灰的摻量在20%以上時，改善混凝土耐久性的效果較佳，更有研究資料表明，粉煤灰的最大摻量可達到50%左右。在《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》中明確規定，一般情況下，礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材料總量的20%，當大于30%時，混凝土的水膠比不得大于0.45。

3.含氣量的要求

含氣量的要求也是高性能混凝土與普通混凝土的重要區別之一。以往工程僅在有抗凍要求時才考慮適當提高混凝土的含氣量，這是對混凝土耐久性的規律認識不足的表現。實際上，混凝土中適量的引氣，不僅能改善抗凍性，同時可顯著減輕混凝土的泌水性，使水在拌合物中的懸浮狀態更加穩定，從而提高混凝土材料的均勻性和穩定性。因此，客運專線規定，即使配制非抗凍混凝土時，含氣量也應不小于2%，并且作為施工質量控制的必檢項目之一。為適當提高混凝土的含氣量，并獲得較佳的減水和保塑效果，可使用新型聚羧酸鹽減水劑。

4.電通量指標

該指標是客運專線對混凝土耐久性最重要、最具體的指標。目前我國尚無電通量試驗的國家標準，鐵路行業電通量試驗方法是以美國ASTMC1202 快速電量測定方法為基礎制定的，其所測指標可以最大程度地區分和評價混凝土的密實度，而密實度正是影響混凝土耐久性最為關鍵的因素?；炷恋碾娡恐饕Q于水膠比，通過大量試驗得到規律，一般水膠比小于0.5時基本可滿足電通量小于2000 的要求，水膠比小于0.45時基本可滿足電通量小于1500的要求。

（三）高性能混凝土的施工控制

1.攪拌?；炷猎牧蠎獓栏癜凑帐┕づ浜媳纫筮M行準確稱量,稱量最大允許偏差應符合下列規定(按重量計):膠凝材料(水泥、摻合料等)±1%；外加劑±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。應采用臥軸式、行星式或逆流式強制攪拌機攪拌混凝土,采用電子計量系統計量原材料。攪拌時間不宜少于2min,也不宜超過3min。炎熱季節或寒冷季節攪拌混凝土時,必須采取有效措施控制原材料溫度,以保證混凝土的入模溫度滿足規定。

2.運輸。應采取有效措施，保證混凝土在運輸過程中保持均勻性及各項工作性能指標不發生明顯波動。應對運輸設備采取保溫隔熱措施,防止局部混凝土溫度升高(夏季)或受凍(冬季)。應采取適當措施防止水分進入運輸容器或蒸發。

3.澆筑。(1)混凝土入模前,應采用專用設備測定混凝土的溫度、坍落度、含氣量、水膠比及泌水率等工作性能；只有拌合物性能符合設計或配合比要求的混凝土方可入模澆筑?；炷恋娜肽囟纫话阋丝刂圃?～30℃(2)混凝土澆筑時的自由傾落高度不得大于2m，當大于2m時,應采用滑槽、串筒、漏斗等器具輔助輸送混凝土,保證混凝土不出現分層離析現象。（3）混凝土的澆筑應采用分層連續推移的方式進行,間隙時間不得超過90min,不得隨意留置施工縫。（4）新澆混凝土與鄰接的己硬化混凝土或巖土介質間澆筑時的溫差不得大于15℃。

4．振搗?？刹捎貌迦胧秸駝影?、附著式平板振搗器、表面平板振搗器等振搗設備振搗混凝土。振搗時應避免碰撞模板、鋼筋及預埋件。采用插入式振搗器振搗混凝土時,宜采用垂直點振方式振搗。每點的振搗時間以表面泛漿或不冒大氣泡為準,一般不宜超過30s,避免過振。若需變換振搗棒在混凝土拌合物中的水平位置,應首先豎向緩慢將振搗棒拔出,然后再將振搗棒移至新的位置,不得將振搗棒放在拌合物內平拖。

5.養護。高性能混凝土早期強度增長較快,一般3天達到設計強度的60%,7天達到設計強度的80%,因而,混凝土早期養護特別重要。通常在混凝土澆注完畢后采取以帶模養護為主,澆水養護為輔,使混凝土表面保持濕潤。養護時間不少于14天。

6．質量檢驗控制。除施工前嚴格進行原材料質量檢查外，在混凝土施工過程中，應對混凝土的以下指標進行檢查控制：混凝土拌合物：水膠比、坍落度、含氣量、入模溫度、泌水率、勻質性。硬化混凝土：標準養護試件抗壓強度、同條件養護試件抗壓強度、抗滲性、電通量等。

四、結 論

本文主要從原材料的選擇、配合比參數的合理確定，以及施工過程等方面對高性能混凝土質量與施工控制進行了闡述。通過摻入礦物微細粉和高性能化學外加劑的技術途徑來配制高性能混凝土，既可改善混凝土的性能，又能降低生產成本，有利于高性能混凝土的推廣應用。文中提出的設計方法具有準確、簡捷、適用范圍廣及程序化的特點，采用此方法配制的混凝土具有良好的工作性、力學性及耐久性。通過對高性能混凝土抗凍性能試驗研究可得出以下結論,混凝土的抗凍性主要與所引入的空氣含量、氣泡的質量、混凝土強度和水膠比等因素密切相關，高性能混凝土的含氣量宜為2%～4%，這樣配制的混凝土具有200次以上的抗凍性能。高性能混凝土的抗凍性能也與外加劑密切相關，外加劑最優摻量應控制在0.95%～1.00%之間。

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