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。
  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)到工地需用較長的時(shí)間。混凝土在運(yùn)輸?shù)倪^程中,其坍落度隨時(shí)間的增加而減小,這對高強(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。所以對高強(qiáng)混凝土要解決混凝土可泵送的要求。
  解決方法對策
  1)對原材料的選擇
  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)。對于高強(qiáng)混凝土,一般檢測技術(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;炷翉(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,使它們在水漿中的細(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,故必須對超細(xì)活性顆粒進(jìn)行增密處理后才能使用。
  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)管中的液面形成變月面,使毛細(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,對降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近,國外學(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。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,鋼纖維和碳纖維對改善高強(qiáng)混凝土的脆性比合成纖維更為有效。