高性能混凝土的影响因素研究
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[摘 要]高性能混凝土技术的不断发展与研发应用对工程建筑的质量、环境保护等方面都有极其重要的积极意义。本文通过高性能混凝土的定义、试验以及试验结果与分析进行简要分析。
[关键词]高性能；混凝土；影响因素；研究
[中图分类号]TU5[文献标识码] A 文章编号：1674-7909（2014）12-00-0
1导言
现代建筑施工方便快速，结构强度大，结构体系多样，使用环境复杂多变，建筑物呈现出了高层化、大跨化、轻量化、地下化和使用环境严酷化等特点，迫切要求在建筑工程中应用的混凝土强度日益提高，耐久性、可靠性、流动性良好，这些需求促成了高强高性能混凝土乃至超高强高性能混凝土的出现和发展，研究高性能的水泥基复合材料已相当迫切。因此，研究和开发高性能混凝土具有极其重要的意义，超高强高性能混凝土已成为水泥基复合材料发展的重要方向之一。
2高性能混凝土的定义
高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，HPC）是一种全新的混凝土，是以混凝土的结构耐久性设计为基础，通过提高普通混凝土的性能并利用现代混凝土技术而生产出来的新型混凝土，于20世纪90年代初由一些发达国家所提出。高性能混凝土以结构耐久性为主要设计指标，并凭借其大量的优良特性，目前已在桥梁、海港建筑、高层建筑等重要工程中得到较多的应用。因其具有较高的耐久性能，所以可能将基础设施工程的使用寿命延长到100年。不仅如此，高性能混凝土在工程安全使用期、环境条件的适应性、经济合理性等方面也产生了明显的效益。
3高性能混凝土的特点
3.1高耐久性能
高耐久性是高性能混凝土的重要特点之一，高性能混凝土应用的主要目的是能将混凝土结构的使用寿命尽可能的延长到50～100年以上，因而对于一些特殊工程中存在的特殊部位，耐久性成为控制结构设计的主要指标。但混凝土的耐久性决定于其抗渗性；混凝土的抗渗性又与其界面结构和水泥石密实度有一定的关联。高性能混凝土中掺加有水胶比很低的高效减水剂，在水泥水化后，其内部不含有多余的毛细水，并且内部孔隙细化，使总的孔隙率降低，从而提高高性能混凝土的抗渗性；再者高性能混凝土中又加入了矿物质超细粉，不仅能够大幅度提高混凝土的早期抗裂性能，还能明显缩小水泥石与骨料之间的孔隙，并且可以明显水泥石中降低孔径≥100μm的孔含量，从而改善了水泥石的孔结构。通过掺入高效减水剂和矿物质超细粉后，高性能混凝土的耐久性能得到了显著地提高。
3.2具有良好的工作性
良好的工作性能也是高性能混凝土的重要特点。高性能混凝土在在成型过程中能够达到不离析、不分层、易充满模型等目的。另外，自密实混凝土和泵送混凝土还具有不错的可泵性，在施工过程中能做到自流平，而且坍落度损失小。这种优良的工作性能不仅能保证施工时混凝土的质量均匀，还能提高施工效率。另外根据国内相关的研究成果，粉煤灰对高性能混凝土的工作性有一定的影响，在粉煤灰掺量在40%的范围内，随着掺量的增加混凝土的流动性增大，掺入粉煤灰能明显改善混凝土坍落度的经时损失，从而改善高性能混凝土的工作性。
3.3具有较高的体积稳定性
高性能混凝土拥有较高的体积稳定性。材料配合比适中的高性能混凝土弹性模量可以达到40～50GPa，而一般普通混凝土只有20～25GPa。高性能混凝土不仅低收缩、低徐变，而且还有低温度变形的优点。这样使得其在硬化早期有较低的水化热，而且让其在硬化后期的收缩变形降低。从而提高高性能混凝土的体积稳定性。
3.4其他特性
高性能混凝土还具有一定的强度、高抗渗能力、较高的韧性和长期的力学性能稳定性等优点。高性能混凝土的抗压强度已超过200MPa，其抗拉强度与抗压强度值明显高于高强混凝土。跟普通强度混凝土相比，其早期强度发展快，但后期强度增长率比普通混凝土低。另外，高性能混凝土中由于掺入了缓凝剂、膨胀剂等改良剂，使其具有了较高的韧性以及长期的力学性能稳定性等优点。总之，高性能混凝土拥有普通混凝土无法比拟的优良特性，并且凭借这些特性，会不断扩大其在工程中的应用。
4试验
4.1原材料
试验所采用原材料及其品质如下：水泥：普通硅酸盐水泥（P・O52.5级）；硅灰：山东六福微硅粉有限公司产的硅灰；钢纤维：表面镀铜，长为13mm，直径为0.2mm；减水剂：聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%，含固量20%；水：普通自来水，符合JGJ63―2006要求。水泥、硅灰的化学成分见表1。
表1水泥和硅灰掺合料XRF分析结果
4.2试验配合比
为最终得到砂胶比、水胶比、硅灰掺量、钢纤维掺量、砂粒径对高性能混凝土工作性能及力学性能的影响，采用聚羧酸高效减水剂，各组使用量统一为胶凝材料总量的2%，本试验利用正交试验法设计配合比，如表2所示。
表2混凝土配合比
注：硅灰掺量和减水剂均为占胶凝材料的比例，钢纤维掺量为体积掺量
4.3试验方法
根据GBT2419―2005《水泥胶砂流动度测定方法》的要求，采用跳桌法测定新拌混合物的流动度；根据GBT17671―1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》，将水泥胶砂试块标准养护至预定龄期，测试试件抗折强度和抗压强度。
5试验结果与分析
5.1试验结果
根据规范要求制作高性能混凝土试件，在标准养护室内分别养护3、14、28d取出，参照GBT17671―1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行，分别测试试件3、14、28d的抗折强度和抗压强度。
5.2试验分析
五个因素（砂胶比A、水胶比B、硅灰掺量C、钢纤维掺量D和砂粒径范围E）对混凝土的流动度、28d抗折强度、28d抗压强度影响的直观极差分析见表3。 表3各因素对HPC影响的直观分析表
5.2.1各影响因素对HPC流动度的影响
由表3可以看出，五个因素对流动度影响程度：水胶比>钢纤维掺量>砂粒径范围>硅灰掺量>砂胶比。胶凝材料能很好的包裹骨料并填充其空隙，减小颗粒之间的摩擦。砂胶比大，平均浆体厚度减小，很难将骨料颗粒完全隔离开来，骨料之间的摩擦阻力，影响浆体的流动，所以高性能混凝土的流动性变小。水胶比大，即拌合物中含水量大，一部分水进行水化反应，但大部分水是以游离形式存在，拌合物被稀释，流动度大；反之，拌合物的流动性差。硅灰可以提高流动度，一方面硅灰的表面被一层表面活性物质所覆盖，硅灰在水泥颗粒之间产生“滚珠”作用，使拌合物流动性增加；另一方面硅灰能够将水泥颗粒空隙中的填充水置换出来，使之成为自由水，从而改善新拌混凝土的工作性。硅灰的活性高，当掺量过大使浆体的黏度增加，流动度降低。钢纤维的长径比大，自身流动性较差，比表面积大，使包裹骨料和钢纤维的水泥浆层变薄，润滑作用减弱；钢纤维掺量大容易产生交叉搭接现象，在拌合物中形成网络结构，使高性能混凝土流动度明显降低。砂的比表面积小需水量大，不利于流动性；砂的颗粒大不容易悬浮在浆体中，同样不利于流动性。砂粒径范围为0～2.36和0.3～2.36时，小粒径砂比例大，砂整体比表面积大，用于润滑砂浆表面及填充空隙的水泥浆量增大，砂粒之间的接触几率高，摩擦力增大，流动性变差。砂粒径范围为1.18～2.36时，大粒径颗粒比例大，不能悬浮在浆体中的砂粒多，流动性差。随着砂胶比和钢纤维掺量的增大，流动度呈下降趋势，水胶比对流动度影响呈现正相关关系，而随着硅灰掺量的增大流动度先上升后下降，存在最佳掺量为15%，砂粒径范围对流动度影响亦是如此，粒径范围最佳为0.6～2.36。
5.2.2各影响因素对HPC抗折强度研究
由表3可以看出，五个因素对抗折强度影响程度：钢纤维掺量>砂粒径范围>砂胶比>水胶比>硅灰掺量。砂胶比对水泥胶砂试块的抗折强度的影响与拌合物的密实程度有关，砂胶比小，平均浆体厚度增加，整个拌合物连接为一个有效的整体，砂粒与浆体间的黏结力大大增加，抗折强度就会明显增大。反之，砂胶比大，抗折强度小。但这并不意味着砂胶比愈小抗折强度愈高，在混凝土中砂、石可以起到很好的骨架作用，并传递应力，故砂胶比过小也会影响抗折强度。水胶比小，即用水量少，没有多余的游离水，但拌合物的黏性大，在振捣过程中不易振捣密实，折断后可明显看到断面处存在大量孔洞，这对截面的削弱作用非常明显，大大降低了抗折强度；水胶比过大，拌合物中会存在大量多余的游离水，在水泥硬化的过程中多余的游离水逐渐蒸发，混凝土中存在大量气孔，这些孔隙的存在，减少了抵抗荷载作用的有效面积，降低了抗折强度。硅灰可填充于水泥浆体的孔隙间和水泥颗粒的空隙间，微观上，增加了高性能混凝土的密实度，从而提高了强度，这就是硅灰的“填充效应”。此外，硅灰的火山灰效应可以将对强度不利的氢氧化钙转化成C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进了强度的增长。颗粒最紧密堆积时，相对密度达到了最大值。而硅灰掺量进一步增大时，由于硅灰的比表面积大，多余的硅灰表面会吸附大量水分，导致需水量增大，水化反应多余部分的水分存在于混凝土密闭孔隙中，从而会导致其相对密度的降低，影响抗折强度。
6结论
基于高性能混凝土的配合比设计思想，通过正交试验，探讨了砂胶比、水胶比、硅灰掺量、钢纤维掺量以及砂粒径范围对高性能混凝土工作性及强度的影响规律。
参考文献：
[1]吴中伟.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，2012.
[2]濮春发.高性能混凝土的研究与发展现状[J].城市建设理论研究，2011.
[3]冯乃谦编著.高性能混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.
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