高强混凝土的性能特点分析及其改进措施.pdf

2 0 1 5年第 3期( 总 2 0 3期 l 安徽建筑 建 筑 材 料 D OI ： 1 0 1 6 3 3 0 j c n k i 1 0 0 7 7 3 5 9 2 0 1 5 0 3 0 7 9 高强混凝土的性能特 分析及其改进措施 Pe r f o r ma n c e F e a t u r e s An a l y s i s o f Hi g h St r e n g t h Co n c r e t e a n d it s I mp r o v e me n t Me a s u r e s 7 j - 波 ( 安 徽 省 建 筑 设 计 研 究 院 有限 责 任 公司， 安 徽 合 肥 2 3 0 0 0 1 ) 摘要 ： 高强混凝土被广泛应用于建筑、 桥梁、 铁路等土木工程中， 已 成为混凝土研 究的一个重要发展方 向。为保证 高强混凝土在土木工程 中更好地应用， 文章对高强混凝土的性能特点进行了分析。分析表明， 高强混凝土具有强度高、 负 荷能力大、 耐久性优异等优点， 但同时也存 在黏度 大、 水化温升高及脆性 大等 问题 。最后针 对高强混凝土黏度大 、 水化温升 高、 自收 缩开裂风险高和脆性大、 韧性低的缺点 介 绍了相 关 的改进措施， 从而为高强混凝土的优化提供了参考。 关键词 ： 高强混凝土； 性能特点； 黏度； 水化温升； 脆性 中图分类号 ： TU 5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 - 0 1 7 4 0 3 1 慨 近年来， 随着外加剂技术的迅速发展， 高性能化、 高强混凝 土越来越多的应用到高层及超高层建筑 、 桥梁 、 铁路及特殊工 程中， 高强混凝土的发展已成为混凝土研究的一个重要发展方 向。高强混凝土指强度等级在 C 6 0级以上的混凝土， 它是由水 泥、 砂、 石 、 减水剂 、 水及其他外加剂等拌合而成的混合物 I_ 2 】 。 欧 美等国家从 加 世纪 6 0年代就已经开始推广高强混凝土， 我国 研究起步相对较晚。在房屋建筑方面 ，位于北美西雅图的 5 8 层 、 2 2 0 m高的 T w o U n i o n S q u a r e工程实际混凝 土强 度达到 1 3 0 M P a - ； 现代 日本很多建筑物以钢筋混凝土或钢管混凝土形 式使用 1 3 0 M P a高强混凝土，最高强度甚至达到 1 5 0 MP a以上 ；位于迪拜的世界最高建筑 B u r j D u b a i 将 8 0 MP a 高强混凝土 应用到混凝土框架结构翻 ； 我国沈阳的富林大厦和皇朝万鑫大 厦， 采用了 C 1 0 0高强混凝土 ， 而高 1 0 1 层 ， 高度 4 9 2 m的上海 环球金融中心采用了C 6 0高强混凝土 。尽管高强混凝土具有 强度高 、 负荷能力大 、 资源和能用消耗少 以及耐久性 强等特点 I 5 ，但在其应用过程中也出现了收缩变形大、 水化温升高 、 脆性 大、 任性差等缺点。为了保证高强混凝土在建筑工程中更好地 应用， 本文对高强混凝土的性能特点进行了分析， 并针对高强 混凝土的典型缺点提出了改进措施。 2 高强混凝土的性能特点分析 2 1高强混凝土的优 点 高强混凝土是现代混凝土技术发展的主要方向， 具有如下 典型的优点。 女 2 1 1 高抗压强度 徽 高强混凝土由于掺入了高效减水剂， 可使得高强混凝土的 建 早期强度显著提高。高强混凝土应用于以受压为主的构件时， 氛 囝 作 者 简 介 ：徐 永 波 (198o 一 )， 男 ，湖 4L Td门 人 ，毕 业 于 武 汉 理 工 大 学 ，硕 士 ；工 程 师 ，主 要 从 事 结 构 工 程 设 计 工 作 。 构件的承载力将增强， 荷载作用相同的情况下 ， 可有效减小构 件的截面尺寸。另外， 高强混凝土的强度并不能明显增加构件 的抗弯能力， 但能降低受弯构件截面的受压区挠度， 提高构件 的延性， 允许有较高的配筋率 ， 进而提高构件的抗弯能力和降 低构件的截面尺寸， 从而使得高强混凝土在高层建筑中使用时 可增加有效空间。尽管高强混凝土具有高抗压强度， 但其抗拉 强度仅为抗压强度的 1 1 1 5 1 1 4 1 I6 ， 高强混凝土的抗拉强度 不会随着抗压强度的增大而提高， 这是由于混凝土的抗拉强度 一 般取决于砂浆和粗骨料过渡区的粘结强度。 2 1 2强度增长速率高 高强混凝土的早期强度增长速率快， 而在后期高强混凝土 和普通混凝土增长速率相差不多。 这是由于高强混凝土水泥用 量大， 较高的水化热使试件内部温度较高， 加速了早期强度的 增长 。 2 1 3 应力 一应变曲线的上升段及下降段斜率增大 随着混凝土强度等级的提高， 应力 一应变曲线上升段和下 降段的斜率增大， 曲线变得更加陡峭， 更接近于线性关系， 且最 大应力、 应变值随着强度等级的提高略有增加。 2 1 4 高弹性模量 混凝土的弹性模量随抗压强度的增加而增大， 但一般的混 凝土弹性模量与抗压强度的关系式并不适用于高强混凝土。 为 此， 美国的康奈尔大学教授 Ma r t i n e z 等提出了高强混凝土弹性 模 量与抗压强度的关系田 。 2 1 5强耐久性 由于高强混凝土水灰比低， 非结合水减少， 内部缺陷和空 隙减少 ； 添加超细活性掺合料， 在混凝土中发挥微集料效应和 微晶核效应 ， 使混凝土结构更加均匀 ， 缺陷减少 ， 结构更加密 实 ， 所以它的抗冻、 抗渗 、 抗碳化 、 抗氯离子渗透性能等耐久性 能强。因此， 露天、 遭海水侵蚀或易受碰撞损害的工程建筑物， 宜采用高强混凝土。 2 1 6收缩徐变小 高强混凝土的收缩一般较低强混凝土小一些， 但其徐变显 著低于低强混凝土。 2 - 2高强混凝土的缺点 尽管高强混凝土具有上述较多的优点 ， 但在其性能上也存 在许多突出的缺点亟待解决。 2 2 1 新拌高强混凝土黏度大， 施工困难 目前， 高强混凝土黏度大的认识仅限于表象 ， 对其黏度大 的本质尚无详细报道。与普通混凝土相比， 高强混凝土中水胶 比较低， 单位体积内水体积减小， 固体颗粒体积增大， 导致颗粒 表面水膜厚度降低， 浆体粘度增大。 另外， 由于水膜层厚度减小 将导致颗粒间距减小 ， 颗粒间摩擦增大 ， 从而导致黏度进一步 增加l引 。 由于混凝土在施工过程中要求一定的流动性， 而高强混 凝土的高黏度将降低其流动性， 从而导致施工困难。 萤 安徽建筑 2 0 1 5年第 3期( 总 2 0 3期 ) 2 2 2 胶凝材料用量大， 水化温升高 一 高强混凝土结构设计与施工指南中明确规定 C 7 0与 C 8 0混凝 土的水泥用量不宜 超过 5 0 0 k g m ， 胶 凝材料总量 不超 过 6 0 0 k g m ， ， 对于胶凝材料用量的限制是为了防止高强混凝土 水化温升过高。研究认为， 水胶比在 0 2 3 6 0 4时， 混凝土的最 高温升随水胶 比的降低而降低8 1。 2 2 3自收缩开裂机率大 自收缩开裂是由于水泥石内部的自干燥而产生收缩导致 的开裂， 高强混凝土的高凝胶材料用量以及低水胶比导致其收 缩显著增大 。这是由于低水胶比时， 水泥不能完全水化， 在凝 结硬化过程中， 未水化的水泥进一步水化吸收水泥石中毛细管 中水分 ， 使 毛细管 内部产生负压 ， 从而使水泥石产生 自收缩 ， 最 终产生裂纹。 高强混凝土由于白干燥产生自收缩，使其产生早期裂纹 ， 这与长期的干燥收缩是不同的。自收缩开裂将降低高强混凝土 的耐久性， 需要在高强混凝土的配制过程中尽可能的克服。 2 2 4脆性大 ， 低 韧性 高强混凝土， 由于高效减水剂和活性掺合料的使用， 过渡 区的结构得到改善 ， 强度得到提高， 破坏时粗骨料对裂缝扩展 的阻碍作用减小 ，会有裂缝直接把粗骨料劈裂继续扩展的现 象， 而且随混凝土强度等级的提高， 粗骨料被劈裂的现象增多， 所以高强混凝土破坏时， 没有明显的横向膨胀 ， 断面较普通混 凝土平整， 裂缝一旦出现 ， 很快就会贯穿试块使其破坏。 而普通 混凝土的破坏是一个逐渐破坏的过程， 能看到多条裂缝和明显 的横向膨胀， 破坏截面的粗骨料有脱落的现象， 因此 ， 高强混凝 土的延性比普通混凝土差， 素混凝土的延性随强度的增加而降 低。 文献【 1 0 】 从微观层次化学键的角度和细观、 宏观层次的断裂 力学角度解释 了高强混凝土 的脆性根源 ， 认为构成混凝土材料 的化学键主要为共价键和离子键， 而在细观上混凝土式非均质 多相材料 ， 内部本身存在大量的微裂缝 、 薄弱粘结层及空隙等 缺陷， 在荷载作用下易发生破坏。高强混凝土的破坏不同于普 通混凝土， 破坏时裂缝可能直接贯穿骨料 ， 使得破坏从耗能最 快的路径发展， 从而导致高强混凝土脆性大、 韧性低。 3 高强混凝土的改进措施 高强混凝土由于具有高强度、 强耐久性 、 负荷能力强等优 点而在土木工程中得到广泛应用， 而高强混凝土也具有新拌高 强混凝土黏度大、 水化温升高、 自收缩开裂风险高和脆性大等 显著劣势 ， 为了保证高强混凝土的大面积应用， 本文对高强混 凝土的典型缺点提出优化措施。 3 1高 强混凝土 的黏度调控措施 高强混凝土的黏度大主要是 由低水胶比造成的，因此， 黏 度调控措施主要从减水剂和掺和料两个方面着手。 高效减水剂 可显著改变混凝土的工作性能， 大量研究表明高效减水剂虽然 能提高混凝土的流动度，但对调控混凝土的黏度作用并不明 显。相关试验认为， 采用侧链长度大且单体比例高的聚羧酸外 加剂具有更多的吸附基团和更为伸展的侧链， 可在水泥颗粒表 面形成更强的空间位阻能力 ，从而降低低水胶比浆体的黏度 f l ” 。粉煤灰的掺人可减少用水量 ， 其滚珠效应也能有效降低混 凝土黏度 ， 从而改善混凝土的施工性能。 因此 ， 可通过掺入一定 量和合适颗粒级配的粉体颗粒 ， 如硅灰 、 粉煤灰、 矿渣等 ， 实现 高强混凝土黏度的降低。除优选减水剂和掺和料外， 还可以通 过调整混凝土的配合比改善其黏度， 如选用球形度较高的骨料 可减小颗粒间摩擦力， 从而降低流动阻力， 改善黏度。同样 ， 掺 入少量的优质引气剂， 在混凝土中引入封闭微细孔 ， 可起到滚 珠的作用， 降低混凝土的黏度， 但含气量的增加会明显降低 昆 凝土的强度。 3 2高 强混凝土水化放热调控技术 针对 高强混凝 土水化温升高 的特点 ， 主要对其水化放热过 程进行调控。对水化放热过程进行控制 ， 主要是控制水泥水化 产生的温度过高， 降低水化放热速率， 延长水泥水化放热过程。 选用矿物成分含量较低的水泥品种尽管可以降低水化放 热速率， 但其对混凝土的收缩性能影响较大， 水泥强度等级低 ， 价格较高， 高强混凝土中不建议采用中、 低热水泥。 而掺入粉煤 灰和磨细矿渣是抑制高强混凝土早期温升的有效措施l l 引 。这是 由于掺入粉煤灰和矿渣可以延迟水泥水化进程 ， 降低水泥水化 放热速率 ， 石英粉、 石灰石粉等活性较低的惰性掺合料具有相 同的功能。 缓凝剂 和缓凝 型减水剂也 是常有 的控制水化放 热的技术 措施，尽管缓凝剂或缓凝型减水剂能延缓水泥的水化过程， 对 降低高强混凝土早期水化温升效果较好， 但无法从根本上抑制 混凝土的集中放热现象 。 3 3高强混凝土自收缩开裂改善措施 引起高强混凝土收缩开裂的主要原因是自收缩 ， 抑制高强 混凝土 自收缩的措施可使用高 C 2 S和低 C 3 A或 C 4 A F的硅酸 盐水泥， 同时尽量避免使用高细度的水泥和矿渣和选用高弹性 模量的骨料配制高强混凝土，另外通过掺入适量的粉煤灰、 纤 维材料、 膨胀剂或减缩剂等来改善高强混凝土的自收缩。在养 护过程中， 采用“ 内养护” 降低高强混凝土的 自收缩开裂。内养 护是指在混凝 土中引入一种组分作 为养护剂 ， 它均匀 的分散在 混凝土中， 起到内部蓄水池的作用_l 引 。 为改善高强混凝土易收缩开裂的缺点 ， 可以通过优化原材 料性能及配合 比和掺加纤维等物质来提高高强混凝土的抗裂 性 。 3 4高强混凝土增韧降脆措施 混凝土是一种脆性材料， 研究其增韧降脆措施是扩大其应 用范围的重要前提。 高强混凝土的性能决定于其组成和内部结 构， 可认为由水泥浆体、 界面过渡区和集料三个重要环节组成。 因此为降低混凝土的脆性， 可以从宏观 、 细观的角度来增强高 强混凝土的韧性， 降低其脆性。 在微观方面， 高强混凝土组成中 加入高分子聚合物乳液( 如氯丁橡胶) ， 使水泥与聚合物成为胶 结材料与骨料结合， 增强其断裂韧性 在细观方面可以在高强 混凝土中掺入分散性好的高强高韧纤维， 如钢纤维、 玻璃纤维、 聚丙烯纤维等形成纤维增强混凝土， 或者选用高强坚韧的粗骨 料来改善高强混凝土的脆性。在宏观方面， 则可以采用钢筋 混凝土或钢管混凝土， 利用钢管、 钢筋和混凝土两种材料在受 力过程中相互之间的组合作用， 充分发挥两者的优点， 改善混 凝土的韧性和脆性。 因此， 高强混凝土增韧降脆的措施主要有选用高强坚韧的 粗骨料， 掺入矿物掺合料改善界面过渡区的微结构， 掺入高强 高韧纤维、 形成钢筋或钢管混凝土等， 其中纤维的掺入能够阻 止高强混凝土中裂缝的扩展 ，并耗散高强混凝土的断裂能， 进 而提高高强混凝土的断裂韧性 ， 被认为是增韧降脆 的最有效方 建 筑 材 料 安 徽 建 筑 囝 星 2 0 1 5年第 3期 ( 总 2 0 3期 ) 安徽建筑 虽 建 筑 材 料 法 ， 且 已得到广泛认 可和应用 。 4结论 高强混凝土因其具有高强度、 强耐久性的显著特点， 在土 木工程中得到了广泛应用， 因此本文对高强混凝土的性能特点 进行分析 ， 并针对其典型缺陷提出了相应的改善措施， 得到如 下结论。 高强混凝土具有高抗压强度 、 强度增长速率快 、 高弹性 模量和耐久性优异的优点； 高强混凝土在应用过程中存在黏度 大、 水化温升高、 开裂风险高和脆性大、 韧性差的缺点。 通过掺入高效减水剂和适当颗粒级配的掺和料， 可降低 高强混凝土的黏度； 引入优质引气剂可以提高高强混凝土的流 动性 。 掺入粉煤灰和磨细矿渣是抑制高强混凝土早期温升的 有效措施 ， 缓凝剂和缓凝型减水剂也是常有的控制水化放热的 技术措施。 为改善高强混凝土易收缩开裂的缺点， 可以通过优化原 材料性能及配合比和掺加纤维等物质来提高高强混凝土的抗 裂性 。 优选骨料、 优化孔结构、 界面改性和掺入纤维均能改善 高强混凝土脆性大、 韧性差的缺点， 其中掺人纤维材料是增韧 降脆最有效的办法。 ( 3 ) 【 2 】 吴芳， 贾福根， 李瑞璩， 王瑞燕 新编土木工程材料教程【 M】 北京： 中 国建 筑工业 出版社， 2 0 0 7 ， 【 3 】 Mi c h a e l A C ald a r o n e Hi g h S t r e n g t h C o n c r e t e ： A p r a c t i c a l g u i d e M US A a n d Cana d a ： T a y l o r F r anc i s 2 0 0 9 4 张洪波 快凝 快硬高 强混凝 土的制 备与性 能 D 】 重庆 ： 重庆 大学 ， 2 0 1 4 【 5 】 缪 昌文， 刘建忠 应用 高强混凝土应 注意的几个 问题 施工技 术， 2 0 1 3 ( 1 o 1 【 6 】 李木， 陈伟对高强混凝土的特性及设计有关问题的研究【 J 】 沈阳大 学学报， 2 0 0 6 ( 5 ) 【 7 1美国钢筋混凝土协会 3 8 7 委员会报告 R 】 北京： 清华大学， 1 9 9 5 【 8 吴忠伟， 廉慧珍 高性能混凝土 M 】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 【 9 】 Vi c t o r Y G ， L a w r e n c e F K， K i mb e r b E K S h o r t - t e r m t e n s i l e c r e e p a n d s h ri n k a g e o f u l t r a - h i s h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e J 1 C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 9 ( 3 ) 【 l O 】 刘刚 高强混凝土的断裂脆性及其增韧减脆措施试验研究【 D 】 武 汉： 武汉大学， 2 0 0 4 【 l 1 】 u J Z ， S u nW， Mi a o C W， e t a 1 I n fl u e n c eof s u p e r p l t i c i z e r s a n d mi n e r a l ad mi x t u r e s o n t h e wo r k a b i l i t y of mo rta r a t l o w wa t e r - c e me n t r a t i o e 1 T h e 2 n d I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n Mi c r o s t r u c mr e R e l a t e d Du r ab i l i t y o f Ce me n t i t i o u s Co mp o s i t e s ， Ams t e r d a m， 2 0 1 2 【 l 2 】 刘建忠， 孙伟， 缪昌文， 等 超高强混凝土用低水胶比浆体的水化 热研究 J 】 建筑材料学报， 2 O L O ( 2 ) 【 1 3 】 高美容， 秦鸿根， 庞超明高性能混凝土内养护技术的研究现状【 j 】 混凝土与水 泥制 品， 2 0 0 9 0) 参考文献 1 4 】姚武 ， 陈 兵 ， 严 安高 性 能 混 凝土 的 脆性 研 究 【A 】 全国 高 强与 高 性 1 林耀 高强混凝土收缩开裂的研究及应对措施【 J 福建建材， 2 0 1 3 能混凝土及其应用第四届学术讨论会【 c 2 0 0 1 业 -= ,Ae - -J j -a le j l j 夸 j 业 j 曹 j - 坐 j kj j - I ；j 警 t I I 业 ( 上接第 1 5 8页) 雨篷板配筋 表 1 跨度 5 4 m下雨篷梁截面尺寸及配筋 表 3 3 2雨篷梁配筋 当悬挑长度为 1 S m， 雨篷梁配筋随计算跨度的变化规律。 当跨度改变后， 弯矩减小， 剪力减小， 扭矩不变 ， 所以顶层与中 间层的抗扭钢筋 2 盐1 4 不变， 箍筋双肢 61 0 1 0 0不变， 只有底 层的受弯钢筋改变。可见跨度对雨篷梁的配筋影响不大， 底层 具体配筋如表 2 。 悬挑 1 5 m 下雨篷梁配筋 表 2 当跨度为 5 4 m， 雨篷梁配筋随悬挑长度的变化规律。 当悬 挑长度为 1 8 m时， 截面尺寸已不满足要求， 所以扩大了梁的高 度。 通过表 3的配筋， 可见悬挑长度对梁的配筋影响较大， 对截 面尺寸及箍筋都有较大影响。配筋及截面尺寸如表 3 ， 纵向钢 簧 筋采用 HR B 4 0 0级 ， 箍筋采用 H R B 3 3 5级 。 徽 建4 结论 筑 囝 通 过 以 上 配 筋 结 果 ，可 明 显 看 出 雨 篷 梁 、雨 篷 板 的 配 筋 面 积 随 跨 度 与 外 挑 长 度 增 大 而 增 大 。 具 体 分 析 ：雨 篷 板 的 受 力 钢 筋变化并不大， 而雨篷梁的配筋变化较大 ， 因此雨篷梁是雨篷 受力的主要承重部位， 而在雨篷外挑 1 5 m、 1 8 m及 2 1 m时 ， 雨 篷梁配筋变化不大， 原因在于梁的高度不断增加， 因此雨篷梁 的截面高度对雨篷影响很大。 经过以上分析， 当梁的外挑超过 2 1 m时， 梁的高度已经较 大， 自身重量已不利于承重， 倾覆危险较大 ， 此时， 可采用其他 材料或其他结构形式 ， 如采用钢雨篷， 在具体工程情况下， 可灵 活选择 。 参考文献 【 1 】 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 北京： 中国建筑工业出 版社 。 2 0 1 0 。 2 东南大学， 天津大学， 同济大学 混凝土结构( 上、 中册 ) 【 M 】 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 2 【 3 1 张晋元 混凝土结构设计【 M】 天津 ： 天津大学出版社 ， 2 0 1 2