高性能混凝土的设计与生产实践

2018-07-11何毅

山西建筑 2018年16期

何　毅

(晋中科睿工程检测有限公司，山西晋中　030600)

0　引言

高性能混凝土设计及生产理念是基于混凝土结构耐久性概念基础上提出的，同传统的混凝土相比，高性能混凝土在抗拉、抗压强度、抗渗性、抗裂性及耐久性方面有显著优势；除了性能方面有提升外，高性能混凝土在浇筑过程中的和易性、流动性更好，浇筑振捣过程中，稳定性好、骨料不容易离析。高性能混凝土目前已经广泛应用于工程建设实践中，尤其是大跨径、大体积结构，使用更加普遍。本文以省内某大体积混凝土浇筑项目为研究案例，就高性能混凝土配合比设计及产业化生产及应用实践进行了简要分析，以期对后续的高性能混凝土配合比设计及生产使用实践提供参考和借鉴。

1　高性能混凝土配合比设计原则及适应性分析

1.1　高性能混凝土配合比设计原则

对于高性能混凝土而言，为了充分发挥高性能混凝土的各项性能，必须严格控制配合比设计精度，且在具体配合比设计过程中，必须注意好以下几点：

第一，在配合比设计过程中，应以提高混凝土强度为基本准则，考虑到混凝土强度形成除了受配合比设计影响外，混凝土拌和、混凝土浇筑及混凝土运输过程中均会对混凝土强度产生影响，为了保证浇筑后强度达到设计指标，应预留一定比例的裕度系数。

第二，水灰比是衡量混凝土强度及各项性能的重要指标之一，在具体设计过程中，必须遵循降低水灰比的基本原则，水胶比应保证在最佳范围内，在确保强度的前提下，最大程度兼顾混凝土的和易性和流动性，保证能够满足大体积结构浇筑过程中的连续泵送需要。

第三，选定合理的砂率指标，工程实践表明，混凝土砂率能够显著影响混凝土的和易性和流动性，在配合比设计过程中，必须做到粗骨料和细骨料联合设计的原则，主要根据粗骨料的孔隙率及骨料级配和水泥等胶凝材料的使用量确定砂率指标。

第四，矿物掺合料及外加剂的合理使用。为了改善高性能混凝土的抗渗性、抗裂性、和易性等指标，应通过添加适量的外加剂和矿物掺合料，在具体设计过程中，应遵循因地制宜的原则，例如，对于水下混凝土构筑物或者水工构筑物，可以考虑添加适量的矿粉、粉煤灰等掺合料以提升混凝土的抗渗性和抗裂性能。

1.2　综合考虑混凝土外加剂与胶凝材料的相适性

在高性能混凝土配合比设计及拌和过程中，为了满足不同施工工况的需要，应适当加入部分外加剂以改善高性能混凝土某项特定性能，以满足特定工况的需要。但需要注意的是，外加剂、水泥等胶凝材料在使用过程中应该考虑二者之间的适应性问题。例如，若添加的减水剂同水泥发生反应时，将严重影响水泥材料的流动性，且在浇筑后会伴随混凝土板结发热问题，影响混凝土强度形成。此外，为了提供高性能混凝土的和易性及施工流动性，在拌和过程中添加一定量的引气剂，能够显著改善混凝土的和易性及粘聚性，若添加过量，将导致混凝土流动性过大而难以成型，在一定程度上影响高性能混凝土的后期强度形成。因此，在高性能混凝土配合比设计过程中，涉及外加剂添加时，必须综合考虑外加剂与胶凝材料的适应性，防止因外加剂添加失误导致的高性能混凝土质量下降。

2　高性能混凝土配合比设计要点

2.1　高性能混凝土外加剂限量

高性能混凝土的原则是尽可能降低水泥等胶凝材料的用量，进而减少因生产水泥引起的环境污染。目前，随着粉煤灰、矿粉等外加剂的普遍使用，水泥用量已经减少了40%左右，全新一代高性能混凝土的水泥用量下降目标为50%以上，在使用外加剂过程中，应处理好掺量与混凝土强度之间的矛盾，可以考虑将高性能混凝土外加剂掺量的限定条件更改为对高性能混凝土强度递增率的控制，确保外掺外加剂高性能混凝土在保证混凝土早期强度的前提下，防止由于早期强度发展过快引起的内部微裂缝。目前，高性能混凝土的强度递增控制形式如表1所示。

表1　高性能混凝土的强度递增控制形式

2.2　高性能混凝土水泥限量

在高性能混凝土结构中，对抗渗性及耐久性的要求普遍较高，尤其是大体积混凝土结构中，对混凝土各项性能的要求更高。因此，为了保证高性能混凝土的抗渗性及耐久性满足要求，一般情况下，必须最大程度控制水泥的用量，由于水泥在水化过程中，会产生大量的水化热，水化热在扩散过程中，由于温差因素的影响，很容易引起混凝土结构表面开裂。因此，为了降低水化热对高性能混凝土的影响，必须尽可能降低水泥的使用量。部分高性能混凝土配合比经过改良和优化后，其活性和耐久性、抗渗性指标明显高于GB/T 8376—2002中对高性能混凝土用矿物外加剂的二元、三元复合外掺料，所以，可以不受相关规范约束。混凝土结构设计规范中指出，上部结构水泥使用量最低值为200 kg/m3，若外加剂类型合理，且掺量适合，经过配合比优化后，水泥使用量可以降低到120 kg/m3,且对应的抗渗等级可以高达P21级以上。除此以外，出于对高性能混凝土生产成本的考虑，混凝土中胶凝材料总量超过300 kg/m3的普通混凝土进行高性能转化，在水泥用量不超过200 kg/m3的条件下，尚不具备大规模生产和推广使用条件。

2.3　高性能混凝土用水限量

除了控制水泥等高水化热材料的使用量外，控制用水量也是配置高性能混凝土的关键，科学试验表明，高性能混凝土用水量与外加剂用量呈正相关。当前，商混为了提升泵送效果使用的泵送剂仍然以减水剂为主，随着粉煤灰和矿粉双掺技术的成熟，通过外加一定比例的矿粉及粉煤灰，能够降低用水量约13%～14%的高性能减水剂应运而生，目前高性能减水剂主要应用在高强混凝土中。在水泥价格下滑的大背景下，降低水泥用量，提升外加剂掺量势必会提高混凝土成本，部分企业在拌和混凝土中，宁愿大量使用水泥也不会选择使用高性能减水剂，为了实现高性能混凝土的产业化规模，应从制度上明确混凝土的用水量，在目前的高性能混凝土生产过程中，为了降低成本，建议使用价格适中的萘系高效减水剂，保证强度等级在C50以下的混凝土拌和用水量降低至170 kg/m3以下。

3　高性能混凝土生产及使用实践

3.1　完善高性能混凝土养护技术水平

决定高性能混凝土能否大规模使用的主要因素除了混凝土设计配合比外，混凝土养护工艺也是影响其推广使用的关键因素。工程实践表明，传统的洒水、湿草垫覆盖等传统养护方式已经无法满足高性能混凝土的养护要求。使用化学喷涂技术在高性能混凝土接近初凝状态时，喷涂养护剂，在表面形成隔离膜，防止表面毛细与外界进行水分交换，保证内部水化反应充分，在保证混凝土强度的前提下，减少了混凝土表面毛细裂缝产生的几率。为高性能混凝土的大规模推广使用奠定了基础和条件。