2019年巖土工程師專業(yè)知識(shí)講義：高強(qiáng)混凝土

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1、高強(qiáng)混凝土的優(yōu)越性

在一般情況下，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30提高到C60，對(duì)受壓構(gòu)件可節(jié)省混凝土30-40%;受彎構(gòu)件可節(jié)省混凝土10-20%.雖然高強(qiáng)混凝土比普通混凝土成本上要高一些，但由于減少了截面，結(jié)構(gòu)自重減輕，這對(duì)自重占荷載主要部分的建筑物具有特別重要意義。再者，由于梁柱截面縮小，不但在建筑上改變了肥梁胖柱的不美觀的問題，而且可增加使用面積。以深圳賢成大廈為例，該建筑原設(shè)計(jì)用C40級(jí)混凝土，改用C60級(jí)混凝土后，其底層面積可增大1060平方米，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由于高強(qiáng)混凝土的密實(shí)性能好，抗?jié)B、抗凍性能均優(yōu)于普通混凝土。因此，國(guó)外高強(qiáng)混凝土除高層和大跨度工程外，還大量用于海洋和港口工程，它們耐海水侵蝕和海浪沖刷的能力大大優(yōu)于普通混凝土，可以提高工程使用壽命。高強(qiáng)混凝土變形小，從而使構(gòu)件的剛度得以提高，大大改善了建筑物的變形性能。

2、高強(qiáng)混凝土施工技術(shù)

現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土在施工中要解決下列技術(shù)問題：1.低水灰比，大坍落度2.坍落度損失問題3.混凝土可泵性問題

1)低水灰比，大坍落度

高強(qiáng)混凝土一般要求低水灰比，這種低水灰比的混凝土早在60年代末，我國(guó)就有過研究與應(yīng)用，但由于混凝土在低水灰比的情況下，坍落度很小，甚至沒有坍落度，其成型和搗實(shí)都很困難，無法在現(xiàn)澆混凝土施工中應(yīng)用。

2.)坍落度損失問題

現(xiàn)代城市混凝土施工，一般采用預(yù)攪或商品混凝土。施工工地往往與攪拌站相距很遠(yuǎn)，要把混凝土從攪拌站運(yùn)到工地需用較長(zhǎng)的時(shí)間?；炷猎谶\(yùn)輸?shù)倪^程中，其坍落度隨時(shí)間的增加而減小，這對(duì)高強(qiáng)混凝土來說無疑又增加了難度。

3.)混凝土可泵性問題

泵送混凝土幾乎是高層建筑施工的唯一方法。所以高強(qiáng)和泵送幾乎是不可分割的。所以對(duì)高強(qiáng)混凝土要解決混凝土可泵送的要求。

3、解決方法對(duì)策

1)對(duì)原材料的選擇

配置C60級(jí)高強(qiáng)混凝土，不需要用特殊的材料，但必須對(duì)本地區(qū)所能得到的所有原材料進(jìn)行優(yōu)選，它們除了要有比較好的性能指標(biāo)外，還必須質(zhì)量穩(wěn)定，即在施工期內(nèi)主要性能不能有太大的變化。

2)工時(shí)的質(zhì)量控制和管理

一般來說，在試驗(yàn)室配置符合要求的高強(qiáng)混凝土相對(duì)比較容易，但是要在整個(gè)施工過程中，混凝土都要穩(wěn)定在要求的質(zhì)量水平功能上就比較困難了。一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比的情況下會(huì)變得相當(dāng)敏感，而對(duì)高強(qiáng)混凝土，設(shè)計(jì)時(shí)所留的強(qiáng)度富余度又不可能太大，可供調(diào)節(jié)的余量較小，這就要求在整個(gè)施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據(jù)這些變化隨時(shí)調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。對(duì)于高強(qiáng)混凝土，一般檢測(cè)技術(shù)如回彈、超聲等在強(qiáng)度大于 50MPa后已不能采用。唯一能進(jìn)行檢測(cè)的鉆心取樣法來檢驗(yàn)高強(qiáng)混凝土也有一定的困難(主要是研究資料較少和標(biāo)準(zhǔn)不完善)。這說明加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制和管理的必要性。

3)超細(xì)活性摻合料的應(yīng)用

對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C80或更高的混凝土需要采取一些特殊的技術(shù)措施-摻入超細(xì)活性摻合料。混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定極限后就不可能再增加了，因?yàn)榛炷翉?qiáng)度在水化時(shí)不可避免地會(huì)在其內(nèi)部形成一些細(xì)微的毛細(xì)孔。如果要使其強(qiáng)度進(jìn)一步提高，就必須采取措施把這些孔隙填滿，進(jìn)一步增加混凝土的密實(shí)性。最常用的方法是用極細(xì)(微米級(jí))的活性顆粒摻入混凝土，使它們?cè)谒疂{中的細(xì)微孔隙中水化，減少和填充混凝土中的毛細(xì)孔，達(dá)到增密和增強(qiáng)的作用。但是這些極細(xì)的顆粒需水量很大，就需要大量高效減水劑加以塑化，否則難以施工。再者，超細(xì)活性顆粒在混凝土攪拌時(shí)，到處飛揚(yáng)，很難加入混凝土中，故必須對(duì)超細(xì)活性顆粒進(jìn)行增密處理后才能使用。

4、高強(qiáng)混凝土在性能上尚存在的問題及其改善的途徑

配制高強(qiáng)混凝土的特點(diǎn)是低水膠比并摻有足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻合料和高效減水劑，從而使混凝土具有綜合的優(yōu)異的技術(shù)特性，但由此也產(chǎn)生了兩個(gè)值得重視的性能缺陷：(1)自干燥引起的自收縮;(2)脆性

1)自干燥引起的自收縮

近年來，國(guó)外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土存在早期收縮開裂的問題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當(dāng)活性的礦物細(xì)摻合料的混凝土中會(huì)產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。有關(guān)文獻(xiàn)資料表明：水膠比低于0.3的混凝土，其自收縮值可高達(dá) 200～400×10-6.免振自密實(shí)混凝土由于含有較多的粉料量，當(dāng)粉量達(dá)500kg/m3，其自收縮值可達(dá)100～400×10-6.而摻有大量磨細(xì)礦渣的大體積混凝土，其自收縮值也可達(dá)100×10-6.混凝土產(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對(duì)濕度的影響而引起的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微細(xì)孔內(nèi)自由水量的不足，使混凝土內(nèi)部供水不足，內(nèi)部相對(duì)濕度自發(fā)地減小而引起自干燥，并導(dǎo)致了混凝土的收縮變形，故稱之為自收縮。

高強(qiáng)混凝土的配制，正因?yàn)槭堑退冶然蛩z比并摻有較大量的活性礦物細(xì)摻合料，因此，其早期的收縮開裂十分敏感。在混凝土內(nèi)部水量較少的情況下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛細(xì)管中的水也被逐步吸收減少，在沒有剩余自由水的情況下，就形成了空的孔隙，使水泥石的內(nèi)部不再存在未結(jié)合水的平衡。因此，水泥石內(nèi)部的相對(duì)濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時(shí)也是難以有水分滲濾的封閉狀態(tài)中的粘彈性固態(tài)的膠凝材料系統(tǒng)中，由于水泥石內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而使孔中存在一定的氣相，孔中水飽和蒸汽壓隨之而降低，毛細(xì)管中水呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)。此狀況在長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)的情況下，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行越演越烈，其結(jié)果導(dǎo)致了毛細(xì)管中的液面形成變?cè)旅?，使毛?xì)管壓升高而產(chǎn)生毛細(xì)管應(yīng)力，使水泥石受負(fù)壓作用，成為凝結(jié)硬化混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素。

此外，較大量的活性礦物細(xì)摻合料的摻入，也會(huì)使混凝土產(chǎn)生自收縮，特別是硅灰的摻入。其原因主要是由于硅灰具有較高的火山灰活性，而增加了化學(xué)減縮。在水泥水化初期生成較高含量的凝膠孔的孔結(jié)構(gòu)體系的水泥石也會(huì)產(chǎn)生高度的自干燥而引起較嚴(yán)重的自收縮。再者，由于硅灰的表面積較大、活性強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致灰與攪拌水很快結(jié)合，加速了水泥石中孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而增大了自干燥。

混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。當(dāng)混凝土由流態(tài)轉(zhuǎn)向粘彈性固態(tài)時(shí)，尤以初凝到1d齡期時(shí)為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時(shí)的自收縮愈大。

自收縮對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展造成的損傷是一個(gè)值得重視的問題。由于硬化后高強(qiáng)混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時(shí)，也阻礙了外部養(yǎng)護(hù)水對(duì)混凝土的濕養(yǎng)護(hù)作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑;以部分粉煤灰等量取代水泥;配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對(duì)降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國(guó)外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護(hù)即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時(shí)，盡快地立即進(jìn)行水霧養(yǎng)護(hù)，對(duì)減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。

另一技術(shù)措施是在混凝土中加入部分含水飽和的輕集料替代普通集料，含水飽和輕集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土內(nèi)部供水起內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。但此方法需根據(jù)混凝土強(qiáng)度要求而采用。

2)脆性

脆性可以描述為混凝土無法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴(kuò)展與增長(zhǎng)。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應(yīng)力——應(yīng)變曲線中，峰值后下降曲線段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗(yàn)已表明，混凝土的強(qiáng)度愈高，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線過峰值后的下降段曲線愈陡斜。這意味著該混凝土的脆性愈大。因此，高強(qiáng)混凝土的脆性已引起廣泛的重視，混凝土脆性的增大會(huì)給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來很大的危害。在高強(qiáng)混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國(guó)外已有學(xué)者提出纖維增強(qiáng)高性能混凝土，而且將之與纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土和基材(未摻纖維的傳統(tǒng)混凝土)進(jìn)行拉伸應(yīng)力——應(yīng)變的對(duì)比。纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土比無纖維增強(qiáng)的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土與無纖維增強(qiáng)的基材相比，在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線中有三個(gè)特征是值得重視的：

(1)彈性極限顯著提高了。強(qiáng)性極限反映宏觀裂縫出現(xiàn)的起點(diǎn)。

(2)呈現(xiàn)出有一明顯的應(yīng)變強(qiáng)化段。應(yīng)變強(qiáng)化段是反映宏觀裂縫出現(xiàn)后，裂縫分散數(shù)量的增加，但這些裂縫的寬度很小。

(3)峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段。應(yīng)變軟化段反映了裂縫數(shù)量雖保持不變，但裂縫寬度增大了，最后導(dǎo)致纖維被拔出或斷裂而破壞。因此，纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土不僅大大提高了拉伸應(yīng)力而且顯著改善了高強(qiáng)混凝土的脆性。

對(duì)于纖維品種的選用，試驗(yàn)表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對(duì)改善高強(qiáng)混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

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