缪昌文院士：应用高强混凝土应注意的几个问题

高强混凝土具有强度高、负荷能力大、资源和能源消耗少以及耐久性优异等特点，能满足高层建筑及大跨、重载的土木工程要求，从20世纪60年代发展至今在国内外众多工程中得到大量应用。美国、挪威、澳大利亚以及加拿大等国开展高强混凝土研究与应用较早，20世纪七八十年代在高层建筑、公路、铁路等工程中广泛使用C50以上高强混凝土。我国高强混凝土研究起步相对较晚，曾于1987，1990年先后在柳州、福州召开了两次非正式的高强混凝土技术会议，于1991年8月正式成立了高强混凝土委员会，促进了这一技术的发展，使我国在高强混凝土的研究和应用方面逐步缩小了与发达国家的差距。竣工于1988年的沈阳辽宁工业技术交流馆是国内较早应用现浇高强混凝土的高层建筑。随后在1990年北京新世纪饭店工程中再次采用了C60高强混凝土，使高强混凝土的应用在我国进入新阶段。此后，在广东、上海、南京、天津等地都出现了高强混凝土高层建筑，如广州西塔、上海环球金融中心、深圳京基100中心广场等。

随着高强混凝土的逐步推广应用，高强混凝土在应用过程中存在的问题也日益突出。由于高强混凝土水胶比低，导致了混凝土黏度大，施工较为困难，目前现浇的高强混凝土等级普遍为C60～C80，更高强度等级混凝土一般为预制构件。不仅如此，由于低水胶比和高胶凝材料用量，高强混凝土收缩变形大、水化温升高等问题也较突出，严重影响混凝土的体积稳定性。除此之外，随着混凝土强度的提高，脆性大的问题也逐渐凸显。

1 新拌混凝土黏度大，施工困难

1.1高强混凝土黏度大成因

目前对于高强混凝土黏度大的认识仅局限于表象，对其黏度大的本质尚无详细报道。依据两相理论，新拌混凝土可以认为是由粗骨料和砂浆组成，不同尺寸和形状的粗骨料被砂浆包裹。假设粗骨料是球形颗粒且表面覆盖的砂浆厚度相同，则可通过分析材料剪应力下的变形情况来研究混凝土流变性能，得到如下流变模型［1-3］：

μc=μp(ragg+ts)/ts (1)

式中：μc，μp分别为混凝土和浆体的塑性黏度，反映了混凝土或浆体开始流动后的流动阻力；ragg为骨料平均半径；ts为骨料表面的平均富余浆体厚度。

从式(1)可知，影响混凝土黏度的主要因素为浆体的黏度以及骨料颗粒表面的富余浆体厚度。对于高强混凝土，通常胶凝材料用量较普通混凝土高，浆体所占体积分数也高于普通混凝土，表现为骨料浆体厚度会随着混凝土胶凝材料用量增大或混凝土强度等级的提高而逐渐增大。骨料表面浆体厚度的增大有利于混凝土塑性黏度的降低。因此，高强混凝土黏度大主要由浆体黏度引起。

采用类推的方法，根据式(1)，浆体的塑性黏度可以采用下式近似计算：

μp=μw(rbinder+tw)/tw (2)

式中：μw为水溶液的黏度；tw为胶凝材料颗粒表面的平均水膜层厚度；rbinder为胶凝材料粒子平均粒径。

从式(2)可知，与普通混凝土相比，高强混凝土中水胶比低，单位体积内水体积减小，固体颗粒体积增加，导致颗粒表面水膜层厚度降低，浆体黏度增大。不仅如此，水膜层厚度减小也将导致颗粒间距减小，颗粒间摩擦等作用加强，因而导致黏度进一步增加。因此可以认为，低水胶比导致的浆体中颗粒表面水膜层厚度减小是引起高强混凝土黏度大的最主要原因。

1.2高强混凝土黏度调控技术

从高强混凝土的组成以及制备方法来看，目前可行的降黏措施主要是从减水剂和掺和料两方面开展。

高强混凝土中掺入高效减水剂后可显著改变混凝土的工作性能，但大量试验结果均表明高效减水剂可提高混凝土的流动度，但对黏度调控作用不明确，且相同条件下，由于减水剂分子结构以及作用机理不同，不同减水剂间差异较大［4］。为此，笔者研究了在扩展度相同的情况下3类不同聚羧酸减水剂对低水胶比砂浆黏度的影响。试验结果表明：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，可明显降低低水胶比浆体的黏度；同时，掺量低、对浆体中水溶液黏度影响小的外加剂可增加水膜层厚度，使砂浆黏度降低［5］。此结论也为低黏减水剂的开发提供了理论依据。

众多学者针对高强混凝土中常用的硅灰、粉煤灰和矿渣对工作性能的影响做了大量研究，但结论并不统一［6-8］。目前普遍认可的观点是粉煤灰可减少用水量，其滚珠效应可有效降低混凝土黏度，改善混凝土施工性能。笔者采用香港大学关国雄教授等［9-11］提出的颗粒表面的水膜层厚度测试方法，研究了硅灰、粉煤灰和矿渣对低水胶比砂浆黏度的影响，结果表明：粉煤灰、矿渣可提高颗粒表面的水膜层厚度，降低浆体的黏度，但过细的颗粒(如硅灰)具有较大比表面积，降低了颗粒表面的水膜层厚度，导致了浆体黏度增大。因此，可通过掺入一定量和合适颗粒级配的粉体颗粒，增加浆体水膜层厚度，从而实现高强混凝土黏度的降低。

除了优选减水剂和掺和料外，通过调控混凝土配合比同样可改善混凝土黏度。从式(2)可知，减小骨料用量增大富余浆体厚度，也可降低混凝土黏度。混凝土的黏度还与骨料间摩擦作用相关。选用球形度较高的骨料可减小颗粒间摩擦力，进而降低混凝土流动阻力，即降低混凝土黏度。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，同时还可以提高混凝土的耐久性。

2 胶凝材料用量大，水化温升高

2.1高强混凝土水化放热特点

《高强混凝土结构设计与施工指南》中明确规定C70与C80混凝土的水泥用量不宜超过500kg/m3，胶凝材料总量不超过600kg/m3。对胶凝材料用量加以限制，主要考虑的就是混凝土温升。高强混凝土中采用高强度等级水泥以及高胶凝材料用量必然影响水化放热量，而考虑到水胶比减小，水泥水化程度也将降低，意味着水化放热量将降低。针对这一现象，众多学者研究了高强混凝土的水化放热特性。吴中伟院士在《高性能混凝土》一书中指出：水胶比在0.236～0.4时，混凝土的最高温升随水胶比的降低而降低［12］。东南大学张云升［13］等的研究结果也表明水胶比越低，温升越低。然而，高强混凝土中硅灰部分取代水泥后导致了早期水化速率加快［14］，引起早期水化温升较快，进而导致高强混凝土早期开裂风险增大。

2.2高强混凝土水化放热调控措施

为降低高强混凝土早期温升引起的体积不稳定性，可针对高强混凝土水化放热特点，对其放热历程进行调控。调控目的是控制因水泥水化产生的过高温升，降低水泥水化进程中加速期的水化放热速率以及延长水泥水化放热过程。

水泥种类优选是调控水泥水化历程的措施之一。选用矿物成分C3S含量较低，水化中的游离氧化钙、氧化镁和二氧化硫少的水泥可降低水化放热速率。尽管中、低热水泥不仅可降低水化放热速率也减小了水化放热量，但考虑到其对混凝土收缩性能影响大、价格高于普通水泥，以及水泥强度等级低等问题，高强混凝土中不建议采用。

掺入粉煤灰和磨细矿渣是抑制早期温升极为有效的措施［14］。由于早期活性低，掺入粉煤灰和矿渣不仅延迟了水化进程，而且可有效降低加速期水化放热速率。除此之外，早期活性较低的惰性掺和料均有类似的作用，如石灰石粉、石英粉等。

缓凝剂和缓凝型减水剂也是目前常用的调控混凝土水化放热历程的技术措施。研究结果表明，加入缓凝剂或缓凝型减水剂后，延长了水泥水化历程中的诱导期时间，即延后水泥水化进程，对降低高强混凝土早期水化温升效果显著。然而缓凝剂或缓凝型减水剂的加入无法从根本上抑制混凝土的集中放热现象［15-16］。考虑到水泥水化历程中的快速反应期主要是由水泥中C3S和C3A相快速水化引起，笔者及其课题组开发了一种水化热调控材料(图1中简写为RT)，通过外加剂分子中羟基吸附、钙离子螯合作用，降低C3S和C3A的早期水化速率并抑制Ca(OH)2结晶，实现凝结过程和水化放热速率的双重调控，既可延长水化诱导期，又可以降低水泥水化进程中加速期的水化放热速率并延长水泥水化放热过程。

3 自收缩大，开裂风险高

3.1高强混凝土收缩变形特性

高胶凝材料用量以及低水胶比导致高强混凝土的收缩显著增大［17］。水胶比降低后，混凝土干燥收缩因可蒸发至外界的自由水减少而降低；但水胶比越低，用水量越少，能提供水泥水化的自由水量越少，水化反应导致毛细孔内部水分消耗过快，自收缩所占比重逐渐增加。宫泽伸君等的试验结果表明：水灰比为0.4时，自收缩占总收缩的40%，水灰比为0.3时，自收缩占50%，水灰比为0.17时，自收缩几乎占100%。水胶比＜0.3时，活性矿物掺和料尤其是硅灰的掺加会进一步加剧高强混凝土的早期自收缩［18-19］。

3.2高强混凝土收缩抑制措施

尽管高强混凝土的收缩大，但抑制措施也有多种。掺入粉煤灰和磨细矿渣均能不同程度地减少高强混凝土干燥干缩；但磨细矿渣有增大自收缩的风险，粉煤灰虽能抑制自收缩，但效果非常有限［20］。因此，对于高强混凝土来说，仅通过大掺量掺和料难以彻底解决收缩问题。骨料可抑制高强混凝土的自收缩。从收缩机理来看，混凝土自收缩主要是浆体收缩导致，骨料作为刚性骨架自身不收缩但对浆体的收缩却起到内约束作用。因而尽可能增加混凝土中骨料用量可降低高强混凝土收缩值。

养护方式同样是抑制高强混凝土收缩的有效措施。众多研究结果表明，混凝土保湿养护可以大幅降低高强混凝土的收缩值，减少裂缝的产生［21-22］。但高强混凝土过于致密的微结构导致外界水分难以进入其结构内部，通过外部养护的方式难以有效抑制早期自收缩行为，因此“内养护”是实现自收缩降低的有效途径。高吸水树脂是目前研究较多的自养护方式之一。高吸水树脂自养护材料基于物理形貌及化学结构设计，实现对高吸水树脂水分吸收能力的调控，抑制自收缩，同时也解决了流动性与自收缩抑制之间的矛盾。

毛细管负压是混凝土收缩的驱动力，降低混凝土中毛细管的负压是实现减小混凝土收缩的有效途径。江苏省建筑科学研究院冉千平等采用在聚羧酸减水剂主链上接入具有减缩功能的基团，实现了减水与减缩的统一，该外加剂的减缩作用效果如图2所示。在混凝土中掺入适量的膨胀剂，也可以通过补偿混凝土收缩的办法实现降低开裂风险。如果将具有减缩功能的减水剂与膨胀剂复合使用，则抗裂效果更好。值得一提的是，使用钙矾石类膨胀剂必须要保证有足够的水养护。

4 脆性大，韧性差

4.1高强混凝土的高脆性根源

高强混凝土脆性大易发生脆性破坏的原因可从以下两方面解释［23-24］：①从微观层次化学键的角度出发，认为构成混凝土材料的化学键主要为共价键和离子键，反映在宏观上就是材料的脆性大；②从细观、宏观层次断裂力学角度出发，认为混凝土是非匀质多相材料，内部存在大量微裂缝、界面薄弱层及孔隙等缺陷，受到外部荷载时容易形成应力集中，增加发生破坏的概率。对于高强混凝土来说，骨料与基体的界面过渡区得到根本改善，不同于普通混凝土的界面破坏，其在荷载作用下破坏裂缝有可能直接穿过骨料本身，使得整个破坏过程消耗的能量变小，从而导致高强混凝土的脆性高于普通混凝土。

4.2高强混凝土脆性改善措施

改善高强混凝土脆性的措施有多种，如骨料优选、孔结构优化、界面改性、纤维增韧等。

高强混凝土中粗骨料的作用尤为显著，选用高强坚韧的粗骨料可有效改善高强混凝土的脆性［25］；矿物掺和料(如超细矿渣、粉煤灰等)的加入，可改善界面过渡区的微结构，从而降低高强混凝土的脆性［26］；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，被认为是增韧改脆的最有效方法，并得到广泛认可和应用［27-28］。

世界各国制定了相关的纤维混凝土韧性评价标准和方法，如美国混凝土协会标准(ACI544-2R-89)、美国材料试验协会标准(ASTMC1018)、日本土木学会标准(JSCEG552)、国际材料与结构联合会标准(RILEMTC162-TDF)、中国工程建设标准协会标准(CECS13∶2009)、中国行业规程(JGJ/T221-2010)等，为纤维增强高强混凝土材料韧性的科学评价和广泛应用提供了可靠的技术手段。基于上述评价方法，崔巩等［29］研究了钢纤维种类和体积分数对C60混凝土弯曲韧性的影响，并指出端钩型钢纤维提高混凝土韧性指标较大；YusaSahin等［30］研究了纤维抗拉强度对高强混凝土断裂能量的影响；Park等［31］研究了纤维混杂对超高性能混凝土拉伸行为的影响规律。纵观现有研究成果，认为微细、异形、高强高模是纤维发展的重要方向，可显著提高纤维对高强混凝土的增韧效果。图3列出了几种钢纤维对高强混凝土的增韧效果。对于微细系列钢纤维，微细端钩型钢纤维的拔出力最大，且纤维拔出耗能也最大，初期增韧效果明显优于普通端钩型钢纤维。因此，降低纤维直径、改变纤维形态，可显著提高纤维对基体的增韧效果，对高强混凝土韧性的提升有重要影响。

5 结语

综上所述，在高强混凝土中掺入优质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，在混凝土强度等级相对较低时，还可掺入部分优质引气剂，减小混凝土内颗粒间的摩擦力，提高了混凝土的流动性。采用具有水泥水化放热调控作用的高性能混凝土外加剂，可控制混凝土水化硬化过程中的水化放热量。通过控制混凝土中毛细管的负压，可取得优异的减缩抗裂效果，微膨胀补偿收缩办法也可起到提高混凝土体积稳定性的作用。采用微细、异形、高强高模纤维可显著降低混凝土的脆性，增强高强混凝土的抗裂能力。

参考文献（略） 来源：《施工技术》2013.05

本文转自：砼话

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