高性能混凝土基础知识

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1、10-8 高性能混凝土高性能混凝土是用现代混凝土技术制备的混凝土。 它是相对于普通混凝土而 言，因而它不是混凝土的一个品种， 而是以广义的动态的可持续发展为基本要求 并适合工业化生产与施工的混凝土的组合。 高性能混凝土的基本条件是有与使用 环境相适应的耐久性、工作性、体积稳定性和经济性。高性能混凝土水化硬化特点： 高性能混凝土配制的特点是低水胶比、 掺用高 效减水剂和矿物细掺料， 因而改变了水泥石的亚微观结构， 改变了水泥石与骨料 间界面结构性质， 提高了混凝土的致密性。 高性能混凝土的制备不应该仅是水泥 石本身，还应包括骨料的性能，配比的设计，混凝土的搅拌、运输、浇筑、养护 以及质量控制，这

2、也是高性能混凝土有别于以强度为主要特征的普通混凝土技术 的重要内容。10-8-1 高性能混凝土原材料1水泥并不是所有水泥都适合配制高性能混凝土， 配制高性能混凝土的水泥应该有 更高的要求，除水泥的活性外，应考虑其化学成分、细度、粒径分布等的影响。 在选择时应考虑下述原则：（1）宜选用优质硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。无论是在水泥出厂前还是 在混凝土制备中掺入的矿物掺合料， 都需要比水泥熟料更大的细度和更好的颗粒 级配。（2）宜选用 42.5 级或更高等级的水泥。如果所配制的高性能混凝土强度等 级不太高，也可以选用 32.5 级水泥。（3）应选用 C3S 含量高、而 C3A 含量低（少于 8%）的

3、水泥。 C3A 含量过 高，不仅水泥水化速度加快， 往往会引起水泥与高效外加剂相互适应的问题， 不 仅会影响超塑化剂的减水率， 更重要的是会造成混凝土拌合物流动度的经时损失 增大。在配制高性能混凝土时， 一般不宜选用 C3A 含量高、细度细的 R 型水泥。（4）水泥中的碱含量应与所配制的混凝土的性能要求相匹配。在含碱活性骨料应用较集中的环境下，应限制水泥的总碱含量（Na2O+0.658K2O）不超过0.6%（5）在充分试验的基础上，考虑其他高性能水泥。2外加剂 用于高性能混凝土的外加剂主要是高效减水剂，其次还有缓凝剂、引气剂、 泵送剂等。（1）高效减水剂高性能混凝土离不开高效减水剂。 任何一种

4、外加剂都有一个与水泥等胶凝材 料适应性问题，应通过试验来确定。高效减水剂的减水率应该在 20%以上，有时甚至高达 25%以上；普通减水 剂不仅减水率低（一般 10%以下），而且掺量较低（如木钙不能超过 0.3%），超 过了反而有害， 而高效减水剂则可高比例掺入水泥， 除经济因素外， 对混凝土并 无不利影响。 常用的高效减水剂主要是三聚氰胺系、 萘系和胺基磺酸盐系。 目前 国内高效减水剂以萘系为主，产品型号有NF、UNF 、FDN 、NSZ、DH 、SN 及NNO 等。三聚氰胺系为树脂类高效减水剂， 产品型号有 SM、JZB-1、SP401 等。 胺基磺酸盐系有 AN3000、 DFS-II 等

5、。为了改善高效减水剂的性能， 降低成本， 常常将高效减水剂与缓凝剂一起使 用。通过优化各外加剂的比例和掺量， 可以获得改善混凝土强度增长性质， 改善 拌合物工作性和减少流动性经时损失。 目前我国生产的高效减水剂产品多是这样 复合配制而成的，有时在复合配制时掺入“载体”以降低成本，如此对配合比设 计带来麻烦。 建议选购合适的高效减水剂母体， 再根据性能要求和所用原材料进 行试配。即使同为萘系高效减水剂， 不同生产厂家使用的原料和工艺也不尽相同， 这更提出了注重复合配制和试配的重要性。（2）其他外加剂在高性能混凝土中， 为了改善拌合物及硬化后混凝土的性能， 常常也引入一 些其他的外加剂，如缓凝剂、

6、引气剂、防冻剂、泵送剂等。预拌混凝土的大量使用， 常常需要调剂混凝土拌合物的凝结时间， 在夏季施 工以及大体积混凝土施工中更为突出，往往需要复合使用缓凝剂。缓凝剂的缓凝效果和水泥组成、 水胶比、缓凝剂掺入顺序、 外界环境等有关。 如 C3A 和碱含量低的水泥，缓凝效果较好；在混凝土搅拌24min 后掺入，比将缓凝剂加入拌合水中，凝结时间可延长23h。掺有粉煤灰的高性能混凝土，凝 结时间随掺量增大而不断延缓， 掺矿渣粉或硅粉等对凝结时间影响相对较小。 不 同缓凝剂亦存在与高效减水剂和水泥的相容性问题，应通过试验确定。引气剂配制高性能混凝土， 虽然混凝土的强度等级不是很高， 但提高了混凝 土的工作

7、性和均质性， 改善了混凝土的抗渗性和抗冻性。 用于混凝土的引气剂主 要是聚乙二醇型的非离子表面活性剂。 引气剂在混凝土中形成大量均匀分布、 稳 定而封闭的微小气泡，可以进一步提高混凝土的流动性和改善混凝土的耐久性。 但是由于气泡的引入提高了混凝土的孔隙率， 因而使混凝土的强度及耐磨性有所 降低。加入引气剂的混凝土，必须采用机械搅拌，搅拌时间不小于3mi n,也不宜大于 5 m i n ，采用插入式振动器时，振动时间不应超过 20s。3矿物细掺合料矿物细掺合料是高性能混凝土的主要组成材料， 它起着根本改变传统混凝土 性能的作用。 在高性能混凝土中加入较大量的磨细矿物掺合料， 可以起到降低温 升，

8、改善工作性，增进后期强度，改善混凝土内部结构，提高耐久性，节约资源 等作用。其中某些矿物细掺合料还能起到抑制碱 -骨料反应的作用。可以将这种 磨细矿物掺合料作为胶凝材料的一部分。 高性能混凝土中的水胶比是指水与水泥 加矿物细掺合料之比。矿物细掺合料不同于传统的水泥混合材， 虽然两者同为粉煤灰、 矿渣等工业 废渣及沸石粉、 石灰粉等天然矿粉， 但两者的细度有所不同， 由于组成高性能混 凝土的矿物细掺合料细度更细， 颗粒级配更合理， 具有更高的表面活性能， 能充 分发挥细掺合料的粉体效应， 其掺量也远远高过水泥混合材。 如磨细矿渣的掺量 可以占胶凝材料总量的 70，甚至到 80。高性能混凝土应首选

9、用需水量小的 矿物细掺合料。不同的矿物细掺合料对改善混凝土的物理、 力学性能与耐久性具有不同的效 果，应根据混凝土的设计要求与结构的工作环境加以选择。 使用矿物细掺合料与 使用高效减水剂同样重要，必须认真试验选择。（1）粉煤灰高性能混凝土所用粉煤灰从原材料上有所要求， 要选用含碳量低、 需水量小 以及细度大的 I 级或 II 级粉煤灰（烧失量低于 5%，需水量比小于 105%，细度45卩m筛余量小于25%）。随着我国电厂煤燃料和工艺的改进，粉煤灰的品质大 幅度改善，使得大量利用粉煤灰配制高性能混凝土成为可能。由于粉煤灰粒子大部分为实心和中空的表面光滑的球状， 因此在满足相同工 作度的要求下，可

10、以降低用水量，改善和易性，尤其适合泵送混凝土的应用。粉 煤灰的活性主要是火山灰活性， 所以混凝土中掺入粉煤灰后， 胶凝材料的水化反 应放缓，水化热降低，新拌混凝土的初凝和终凝时间延长，绝热温升可以降低， 特别有利于大体积混凝土的应用。 低水胶比的大掺量粉煤灰混凝土可以有很多的 性能（粉煤灰占胶凝材料总量可达 50%以上），虽然早期强度在常温下尚不够理 想，但后期强度得到较大增长，养护温度越高，强度增长越显著。粉煤灰除了改善和易性、 降低水化热等外， 还有许多其他方面的优点。 粉煤 灰的品质及其均匀性是保证混凝土质量的前提。控制水胶比在 0.36 以下，即使 掺入占胶凝材料总量 50%的 II

11、级粉煤灰，混凝土的 60d 强度也有可能达到 60MPa 以上。粉煤灰还会提高硬化混凝土的弹性模量， 减小收缩和徐变， 同时起到改善混 凝土抗蚀性能和抑制碱骨料反应的作用。 粉煤灰的负面影响主要有： 由于粉煤灰 的火山灰反应，消耗了一部分 Ca（OH） 2，混凝土碱性降低，从而在一定程度 上影响到混凝土的碳化。但是高性能混凝土由于抗渗性提高，碳化又受到削弱。另一个是粉煤灰中的碳， 能吸附引气剂， 使含气量发生变化， 因此对高性能混凝土的粉煤灰更应严格控制 含碳量。（2）磨细矿渣磨细矿渣是粒化高炉矿渣磨细到比表面积 40008000cm2/g而成的。粒化高 炉矿渣，是由炼铁时排出的高温状态下熔融

12、炉渣经急速水淬而成。 其中的钙、硅、 铝和锰多处于非结晶的玻璃体。 通常认为，粒径小于10卩m的矿渣颗粒参与28d 前龄期的混凝土强度，1045卩m的参与后期强度，而大于45卩m的颗粒则很难 水化。现代混凝土技术发现把水淬矿渣单独磨细后， 作为混凝土的掺合料使用， 活 性可以得到很好激发， 混凝土多项性能得到改善和提高， 成为配制高性能混凝土 的重要技术途径之一。在配制高性能混凝土时， 磨细矿渣的适宜掺量随矿渣细度的增加而增大， 最 高可占胶凝材料总量的 70%。矿渣磨得越细，其活性越高，但粉磨费用也越高， 与粉煤灰相比，其早期活性明显较高， 7d 强度可赶超对比普通混凝土，而后期 强度继续增

13、加。（3）超细沸石粉用于高性能混凝土的细沸石粉，与其他火山灰质掺合料类似，平均粒径V 10 卩m,具有微填充效应与火山灰活性效应。因而能降低新拌混凝土的泌水与离析， 提高混凝土的密实性， 使强度提高， 耐久性改善。 细沸石粉的细度与掺量对混凝 土性能具有明显影响。 在一定的细度范围内增强效果提高， 但过细时强度反而有 所降低。掺量以 5%10%为宜。超细沸石粉配制的高性能混凝土，还具有优良的 抗渗性和抗冻性。 对混凝土中的碱骨料反应有很强的抑制作用。 但是这种混凝土 的收缩与徐变系数均略大于相应的普通混凝土。（4）硅粉硅粉最主要的品质指标是SiO2含量和细度。SiO2含量越高、细度越细其活 性

14、率越高。以 10%的硅灰等量取代水泥，混凝土强度可提高 25以上。硅灰掺 量越高，需水量越大，自收缩增大。研究发现，在混凝土中掺入 1kg硅粉后，为 保持其流动度不变，一般需增加 1kg 用水量。因此一般将硅粉的掺量控制在 5%10%之间，并用高效减水剂来调节需水量。在我国因硅粉产量低， 价格高，出于经济考虑， 一般混凝土强度高于 80MPa 时才考虑掺用硅粉。 硅粉常常与粉煤灰、 矿渣细粉或其他掺合料共掺， 以发挥它 们的叠加效应，是目前配制高性能混凝土常用的方法。（5）其他掺合料除了上述常用的掺合料以外， 还可根据高性能混凝土的设计要求与资源条件， 选用其他掺合料。如：磨细石灰石粉、石英砂

15、粉、稻壳灰、凝灰岩粉、偏高岭土 细粉、磷渣粉、锂渣粉，以及其他一些具有一定化学反应性的细掺料。开发应用 这些细掺料还需要进行大量的试验研究工作。4骨料高性能混凝土对骨料的外形、 粒径、级配以及物理、化学性能都有一定要求， 但砂石又是地方性材料， 在满足基本性能的条件下应因地制宜地选择。 随着配制 混凝土强度等级的提高，骨料性能的影响将更为显著。（1）粗骨料天然岩石一般强度都在80150MPa,因此对了 C40C80高性能混凝土，最 重要的不是强度，而是粒形特征、品种、级配、粒径以及碱活性等。品种：应选择质地坚硬未风化的岩石，如石灰岩、辉绿岩、玄武岩等。岩石 的密度越大，吸水率越低，压碎值越小，

16、其力学性能往往越好。粒形与级配：配制高性能混凝土应选用针片状含量少的石子，针、片颗粒骨料不但降低混凝土的流动性，而且因其内部缺陷降低强度。石子具有良好的级配， 才能使骨料堆积密度增大，用于填充空隙的砂浆量减少，有利于混凝土体积稳定 的提高，配制高性能混凝土应采用石子的连续级配，不宜在砂石场将其中粒径小 于10mm的石子分离出去。在含泥量（包括含粉量）满足要求的前提下，对于中、 低强度的混凝土，使用卵石与碎石没有明显差别，但随着强度等级的不断提高， 界面粘结性能成为控制因素，使用碎石或碎卵石优于卵石。粒径：高性能混凝土应选用粒径较小的石子。 小粒径的石子，水泥浆体和单 个石子界面周长和厚度都小，形成缺陷的几率小，有利于界面强度的提高。同时， 粒径越小，石子本身缺陷几率越小。在水胶比相同的情况下，石子粒径越小，渗 透系数也越小。当