高性能混凝土的第一特性是耐久性,因此混凝土必须有高的密实度和体积稳定性。因而其组分较普通混凝土复杂,获得它的技术途径也多种多样。不过在制备高性能混凝土时,这些技术措施往往配合使用。

①降低水灰比,可以获得高强度;②降低空隙率,可以获得高密实度、低渗透性;③改善水泥的水化产物以提高強度和致密性;④提高水泥等胶结料与骨料的粘结強度;⑤利用非水泥的增强材料如纤维、树脂等。

1.水泥

高强高性能混凝土多用高等级普通硅酸盐水泥来配制。这类水泥应当满足以下要求:

①标准稠度用水量要低;②水化热和放热速度不能过快,过早,因此早强型水泥不适用;③水泥质量稳定,立密水泥不宜使用;④配制有高强、早强要求的高性能混凝土应使用高等级非R型水泥,当混凝土强度要求在C60或以下时,可以使用矿渣42.5级水泥。

对水灰比很低的高强高性能混凝土,必须着重考虑水泥的流变性能。而这类混凝土所使用水泥的流变性又受到换用的高性能外加剂或高效减水剂的显著影响,即外加剂与水泥的相容性。

使用高性能水泥,则制备高性能混凝土就会简单得多。

这里所称的高性能水泥,首先是调粒级配水泥,即含比表面积为3400cm2/g的普通水泥颗粒70%,水泥粗粉,其比表面积为600cm²/g的水泥25%,超细粉5%(主要是比表面积18000cm²/g的石灰石粉和比表面积达200000cm2/g的硅灰)。其次是活化水泥,即将高效减水剂粉与水泥熟料混合磨细,或者是拨活化填料的水泥。第三是超细水泥,其比表面积达10000cm2/g以上。第四种是球状水泥,是一种通过高速气流粉碎熟料,并采用特殊处理使超细微粒粘牢在较大粒子表面从而形成的球圆形颗粒为主,粉尘量小的水泥。这类水泥在日本据称已进入实用阶段。

高性能水泥在我国尚未在市场上出现,有关资料报道也很少,有待于开发和实用化。

2.矿物外加剂

矿物外加剂是高强高性能混凝土的必要组分之一,又称为辅助胶凝材料。很多的这类水泥活性材料能降低新拌混凝土硬化过程中的温升、改善施工性能、增进抗腐蚀能力和提高強度。

20世纪80年代初的研究已经证实,混凝土材料的強度、耐久性等性质在骨料和水泥浆体的界面结合区是最薄弱的,原因是两相间的过渡区大约20~30um厚度内,主要是板状的Ca(OH)2结晶,粗大且定向排列,构成多孔结构。掺入粉煤灰就可以降低Ca(OH)2在界面区的沉积量。掺入更细小的矿物细粉如硅灰、沸石粉等,则会更多地与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶充填空隙,它是无定形的、致密的,从而明显地改善了两相结合部的微结构,提高混凝土宏观的強度、抗渗性及抗化学腐蚀性等耐久性但在使用过程中应当注意的是硅灰、沸石粉、油页岩粉等砕物粉料需水量大,因而允许拨量有限,一般不超过10%。各种能矿物外加剂换量参见本书第2章内容。在水泥水化作用开始时,这些粉料微粒会降低水泥浆体与砂、石间的粘结,因为其水化速度比水泥颗粒慢,因此使早期強度偏低。但实验和电镜观察证实,28天龄期后,矿渣细粉及粉煤灰对混凝土强度的增强作用逐渐加大,水灰比越小,这类增强越明显,90天后,粉煤灰与水泥对混凝土强度的贡献十分接近。化学反应可用下式表述:

xCa(OH)2+SiO2+mH20→xCaO·SiO2·nH20

3.高性能减水剂

4.合适的粗细骨料

粗细骨料总数量占混凝土体积六十五%~七十五%,是混凝土的关键组成部分,正确选择骨料,是配制高性能混凝土的基础。必须同时考虑粗细骨料的品质;单位体积混凝土中粗骨料所占体积;骨料最大粒度这三项要素。

细骨料以颗粒较圆滑、坚硬(即石英含量较高)的河砂或碎石砂,细度模数宜在2.6~3.2中间,含泥低,相对密度2.15以上,吸水率低的为好。

粗骨料则选压碎值QA~10%~15%,相对密度大于2.六十五,吸水率不超过1%的,表面粗精有棱角的硬质砂岩、石灰岩、玄武岩的碎石,最大粒度在15~20mm为好。粒度分布以使空隙率最小为好,但砂率通常应>36%,占1㎡混凝土中0.4m³体积的应是粗骨料。

之所以作出以上的选择,是因为骨料的物理性质对混凝土的耐久性和強度有显著影响。粗骨料的吸水率低,混凝土的強度较高,且抗冻性好,收缩值较小。粗骨料过于坚硬,则在混凝土遭受温、湿度变化而引起体积变化时,強度较差的水泥浆——骨料界面处应力大,易于开裂。而大粒度的骨料使其与胶凝物的结合面相比较少,导致混凝土强度的微观不连续性,混凝土强度越高,这类不利影响就越明显。