[摘要]本文介紹了三個方面的內容:一是高性能混凝土產生的背景。二是高性能混凝土的特性。三是高性能混凝土在施工中需注意的問題。
[關鍵詞]高性能混凝土 橋樑建設 應用
高性能混凝土是20世紀80年代末90年代初,一些發達國家基於混凝土結構耐久性設計提出的一種全新概念的混凝土,它以耐久性爲首要設計指標,這種混凝土有可能爲基礎設施工程提供100年以上的使用壽命,如香港的青馬大橋、加拿大的聯盟大橋等,這些跨海大橋的設計使用壽命均在100年以上,而建設部於20世紀90年代組織了對國內混凝土結構的調查,發現大多數建築及露天構築物在使用25～30年後即需大修,處於有害介質中的建築物使用壽命僅15～20年。爲了區別於傳統混凝土,高性能混凝土由於具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等許多優良特性,被認爲是目前全世界性能最爲全面的混凝土,至今已在不少重要工程中被採用,特別是在橋樑、高層建築、海港建築等工程中顯示出其獨特的優越性,在工程安全使用期、合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益,因此被各國學者所接受,被認爲是今後混凝土技術的方向。
一、高性能混凝土產生的背景
1.技術和生產發展的需要。各種超長、超高、超大型混凝土構築物,以及在嚴酷環境下使用的重大混凝土結構工程施工難度大,使用環境惡劣、維修困難,因此要求混凝土不但施工性能要好,儘量在澆築時不產生缺陷,更要耐久性好,使用壽命長。
2.全世界都面臨早年用普通混凝土修建的橋樑等基礎設施老化問題嚴重,需要投入鉅額資金進行維修或更新。
3.混凝土作爲用量最大的人造材料,它的使用對生態環境的影響巨大。傳統混凝土的原材料都來自天然資源,每用1t水泥,大概需要0.6t以上的潔淨水,2t砂、3t以上的石子;每生產1 t硅酸鹽水泥約需1.5 t石灰石和大量燃煤與電能,並排放1tCO??2,而大氣中CO??2濃度增加是造成地球溫室效應的原因之一。爲了滿足龐大的混凝土用量,過度開採礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞並嚴重影響環境和天然景觀。再者,由於混凝土過早劣化,如何處置費舊工程拆除後的混凝土垃圾也給環境帶來威脅。因此,未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量,必須更多地利用各種工業廢渣作爲其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用,未來的混凝土必須是高性能的,尤其是耐久的。耐久和高強都意味着節約資源。高性能混凝土正是在這種背景下產生的。
二、高性能混凝土的特性
與普通混凝土相比,高性能混凝土在組成與配合比方面有如下特點:
1.使用礦物摻合料。高性能混凝土一般都含有礦物摻和料硅粉、粉煤灰或磨細礦渣,經過國內外大型橋樑中的實際應用表明,其中以硅粉提高強度和耐久性的效果最顯著。硅粉爲高活性、無定性SiO??2微小顆粒,粒徑是水泥粒徑的1/100,可以填充在水泥顆粒之間,同事能將水泥水化產生的Ca(OH)??2轉化爲CSH凝膠(即火山灰反應),從而大幅度提高混凝土強度和降低混凝土滲透性。在非常惡劣環境中要求混凝土結構具有長壽命,或混凝土強度等級在C80以上,硅粉是高性能混凝土的必要組成部分。優質粉煤灰具有物理減水作用,高細度礦渣具有增強作用。這兩種摻和料也都有火山灰反應活性,能夠在一定程度上降低混凝土滲透性;但粉煤灰和礦渣會降低混凝土早期強度。同時摻加硅粉和優質粉煤灰或高強度礦渣,可以配置高強同時耐久的混凝土。目前這種水泥+硅粉+粉煤灰或礦渣的三組份膠結材的高性能混凝土正在獲得越來越多的應用。
2.低水膠比。只有水膠比低,混凝土的孔隙率或滲透性纔可能低,因此低水膠比是保證混凝土高耐久性於較高強度的前提條件之一。目前已形成共識:水膠比低於0.45的混凝土,不可能在嚴酷環境中具有高耐久性,實際應用的高性能混凝土水膠比常常介於0.25~0.40之間。
3.最大骨料粒徑小。高性能混凝土骨料的最大粒徑宜在10~20mm。有兩個原因,其一;最大粒徑較小,則骨料與水泥漿界面應力差較小,一位應力差可能引起裂縫;其二:較小骨料顆粒強度比大顆粒強度高,因爲岩石破碎時消除了內部裂隙。
4.高效減水劑與水泥的相容性好。低水膠比和含有硅粉的高性能混凝土除必須使用高效減水劑以外,高效減水劑和水泥之間的相容性還必須好,這樣才能保證混凝土拌和物有良好的工作性。經過實際應用已基本瞭解出現相容性的`原因是:高效減水劑與水泥的CaSO??4均能與水泥水化速度最快的C??3A反應,如果水泥的石膏不能及時釋放硫酸根離子與C??3A反應,則大量高效減水劑就會被C??3A所束縛,高效減水劑就不能發揮應有的減水作用,即出現相容性問題。一般C??3A含量高和使用硬石膏的水泥,容易出現與高效減水劑相容性不良的問題。
雖然高性能混凝土具有上述共性,但並不意味高性能混凝土會有標準的組成或配合比,因爲每個工程的原材料和對強度、耐久性的要求都不同,配合比使用中也會根據橋樑的實際需要使用不同類型的水泥、礦物摻和料和化學外加劑。對於預應力混凝土大梁,配合比主要是以強度指標爲基礎,一般同時能夠獲得較高耐久性,因爲高強混凝土的滲透性較低。相反,現澆橋面板的高性能混凝土配合比則一般以耐久性爲基礎,同時也規定了混凝土的最小抗壓強度。
三、高性能混凝土在實際應用過程中存在的問題
表1 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》(JTG D62-2004)的耐久性要求
