高强与高性能混凝土07HPC综述

高性能混凝土综述Adam Neville Pierre-Claude Aitcin摘要：可以说高性能混凝土虽然常含有粉煤灰、磨细矿渣、硅粉和高效减水剂，但它与过去使用的混凝土并没有本质差别。探讨了使用硅粉的代价。高性能混凝土胶凝材料用量较高，水灰比较低，最大骨料粒径较小；也采用普通水泥，但必须与高效减水剂相容性好；讨论了引起不相容的原因。探讨了高性能混凝土的独特收缩特性与绝对需要湿养护的原因。述及高性能混凝土的一些应用，并对高性能混凝土和普通混凝土的未来进行预测。1 引言在过去的几年中，高性能混凝土及其缩写HPC一词变得非常时髦。但其准确的含义是什么呢？高性能混凝土是一种与混凝土真正不同的材料吗？或者它只适合于特殊场合的混凝土？本文的目的就是在一广泛的范围里探讨高性能混凝土，使之成为我们能正确、全面理解的材料。尽管许多混凝土和混凝土结构工程欢迎这种材料，并对其应用较满意；事实上在过去的半个世纪中并没有发生革命性变化。现在，我们确实使用各种外加剂，包括引气剂，并且拓宽了混凝土拌和物所用胶凝材料的范围，然而并没有发生像电讯甚至汽车那样的革命性变化。本文不打算进行历史回顾或评论，只涉及高性能混凝土在混凝土领域出现以后，即认识了解过去15年左右混凝土领域出现的新概念，并可以假定正是这些新概念促成了高性能混凝土的诞生。2 什么是高性能混凝土？让我们从定义高性能混凝土开始。可以说高性能混凝土一词是不恰当的，因为听起来像为一种新产品作广告。然而从许多方面来说，高性能混凝土与我们长期以来使用的混凝土并没有本质差别，因为它不含任何新组份，现场应用也不采用新工艺。实际上；高性能混凝土是在过去15年中逐步演变的，主要是生产强度越来越高的混凝土：80、90、100、120PMa，甚至更高的强度。如今，在世界的一些地方，140MPa强度的混凝土可以日常进行生产。但是，高性能混凝土与高强混凝土不同，其重点从非常高的强度转向在特定环境条件下所需要的其它性能，包括高弹性模量、低渗透性和抵抗某些种类劣化的性能。那么，高性能混凝土与常规混凝土的差别是什么？我们已经说过两种混凝土的组份是一样的，这不完全正确。首先，高性能混凝土常常含有硅粉，而普通混凝土往往没有。其次，高性能混凝土虽不一定，但通常都含有粉煤灰或磨细矿渣，或同时含有这两种材料。骨料必须仔细选用，最大粒径小于普通混凝土使用的骨料：对于高性能混凝土，骨料最大粒径一般在1014mm。这有两个原因，其一：最大粒径较小，则骨料-水泥浆界面应力差也较小，应力差可能会引起微裂缝；其二：较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高，因为岩石破碎时消除了控制强度的最大裂隙。材料组份的另一特点是：低水灰比和含有硅粉的混凝土拌和物必须使用高效减水剂, 不仅要使用高效减水剂，高效减水剂与所使用的水泥之间相容性还必须好。相容性问题将在本文后面讨论，在此就波特兰水泥市场营销的关键问题进行评述。水泥生产商无疑具备丰富的关于水泥的知识，但是他们中的一部分人对混凝土生产商和工程承包商的需要了解较少。他们认为波特兰水泥是一种优良的产品，始终符合国家标准的要求，用户不必深究水泥详细的物理化学性能。允许的例外仅仅是ASTM水泥类型分类或欧洲标准强度划分以及其它较笼统的特性，如高早强、低水化热或低碱。例如，过去在英国水泥的价格是固定的，水泥生产商非常不愿意用户从某个特定水泥厂选购产品。其营销态度为：我们所有的普通水泥都一样地好。甚至今天在许多国家，日常水泥供应还不能保证持续来自同一个厂和同一种生产配料。唯一例外的是对于大型工程进行大规模供货，才可能进行谈判。当然，从商务角度这种态度是可以理解的。但是，随着市场环境发生的变化，态度也在转变。然而，许多水泥生产商仍然对混凝土用户的特殊需求态度冷漠。必须承认：提及外加剂时已不再听到这样的回答：最好的外加剂是更多的水泥！无论如何，许多水泥生产商的冷漠态度不会对生产高性能混凝土有所帮助。混凝土生产商从一处购买水泥，从另一处购买高效减水剂，两种材料的联姻可能会非常不愉快。 表1 一些高性能混凝土的配合比原材料（kg/m3）配 合 比ABCDEFGHI波特兰水泥5345003315513163228425450460硅粉4030364354464045(C+MS)粉煤灰59磨细矿渣细骨料623700745685730800755736780粗骨料10691101130108011001110104511181080总水量139143150139136138175*143138水胶比0.220.270.310.250.250.300.380.290.30坍落度mm255200220230230110各龄期圆柱体试件强度（Mpa）1d131935362d657d679172626828d93833119114105951118356d12491d1079314512612110589365d136126配合比的来源：(A)美国；(B)加拿大；(C)加拿大；(D)美国；(E)加拿大；(F) 加拿大；(G)摩洛哥；(H)法国；(I) 加拿大。*高用水量属摩洛哥环境温度高的特殊情况。3高性能混凝土的配合比 给出高性能混凝土的典型配合比概念也许非常有用。一般常采用型水泥（按ASTM分类）；如需要高早期，则可采用型水泥。前面已说到，拌和物中含有其它胶凝材料。胶凝材料总量非常高：400至550kg/m3。如使用硅粉，其掺量为胶凝材料总重的5-15%，典型掺量为10%。高效减水剂的加入量为每立方混凝土515升。实际加入量决定于液体高效减水剂中活性固体含量与水泥的反应活性，该活性受C3A含量与其多晶形式、硫酸碱含量以及其它因素控制。加入量应使每立方混凝土的加水量降低4575升。水胶比通常在0.350.25，但也曾采用过0.22的低值。在实际应用中，配合比是变化的，取决于各种组份的性质和所要求的混凝土性能。过去使用的一些配比详见表1，拌和物各组份的性能讨论如下： 如前所述，粗骨料最大粒径不应太大，多采用碎石。骨料还必须具备一系列特性：强度高；绝对洁净，即没有粘土或粉尘粘附；不含活性硅；形状为各向尺寸均等，即不是针片状。细骨料一般较粗，细度模数为2.73.O。需要记住：为使拌和物中细颗粒被良好地包裹，水泥用量增加，则细骨料应更粗。 再来考虑拌和物中含有粉煤灰和矿渣的情况。首先这些材料一般比波特兰水泥价格低； 其次这些材料的水化或化学反应速率迟于波特兰水泥，因此其水化放热更缓慢，意味着混凝土非常早期的温升小。温峰稍微降低很重要，因为对于高水泥用量的高性能混凝土在大断面中心的温升可达50 甚至更多。当然，关键的不是温峰，而是在一般温度环境中混凝土构件中心与表面之间的温度梯度。有学者认为：如果温度梯度不超过每米20，就不会在冷却时引起热裂缝。 采用粉煤灰或矿渣的另一个原因与新拌混凝土的坍落度损失有关。因为这些材料在初始的几小时参与反应非常少，不会导致坍落度损失，相应需要使用高效减水剂的剂量降低。换句话说，保证达到合适工作性所需要高效减水剂的剂量主要取决于波特兰水泥。另一方面，与胶凝材料全部是波特兰水泥的拌合物相比，含粉煤灰或矿渣较多时早期，如1224h的强度较低，但可以通过降低水胶比的方法得到补偿。在决定使用这些材料之前，结构设计者应建立起在各龄期所需强度的概念，并应熟悉混凝土工艺。 全面衡量是否使用高效减水剂非常重要，因为它是拌和物中昂贵的组份，但常常是必须采用的组分。硅粉同样非常贵，在许多国家，1kg硅粉价格等于 10kg波特兰水泥，因此来探讨是否需要用硅粉的问题。决定是否使用硅粉受经验所导向3：没有硅粉的拌和物在28d也能达到90MPa的抗压强度，尽管比较困难；但需要获得更高强度时，则拌和物中必须含有硅粉。如前所述，最佳硅粉用量是水泥重量的10%。也就是说：如果我们是生产100MPa，而不是90MPa混凝土，则必须使用硅粉。因为硅粉的价格比水泥高10倍，在拌和物中掺加10硅粉，会使胶凝材料的成本提高一倍，因此混凝土的价格会有较大幅度上升。 然而，我们应该铭记使用硅粉的好处。它不仅是高火山灰活性的材料，同时是非常微细的粉料，其颗粒比水泥颗粒小 100倍。硅粉颗粒紧密地包裹骨料表面，并填充在水泥颗粒之间，因此大幅度改善填充效果。一般规律是这样的：如果硅粉太少，如少于5，则（填充）效果不是非常好；如果硅粉太多，如多于15%，则水泥颗粒之间没有足够空间容纳所有硅粉，一部分硅粉就浪费了，浪费昂贵材料属不良工艺技术。 由于硅粉的超细颗粒减小了骨科表面处孔隙的尺寸和体积，界面区（也称作过渡区）的性能包括微裂缝和渗透性得到改善；骨料与水泥浆体的粘结强度提高，因此骨料能更好地参与应力传递4。 我们在谈论高性能混凝土的配合比时不能不考虑水灰比。实际上，水灰比一词有双重含义。我们认识到水灰比是强度的控制因素已有80年，因为初始由水所占据空间的体积，决定了硬化混凝土中固体材料的总体积。一般来说，固相材料占据的体积越大，抗压强度越高5。高性能混凝土与普通混凝土一样，28d强度与水胶比关系密切，28d时矿渣已反应至相当程度，粉煤灰反应的程度低一些。此外，粉煤灰反应的程度受养护好坏影响敏感。 但是，在24h或23d的情况如何呢？粉煤灰仍然占据其初始干粉形态时的体积，矿渣也基本上占据其干粉形态的体积。因此，与初龄期强度相关的比率就近似为水与水泥重量之比，它要比用水量与胶凝材料总重量比（水胶比）大得多。这就是为什么在加水量一定的情况下，含有粉煤灰和矿渣拌和物的早期强度较低。上述规律不仅适用于高性能混凝土，也适用于所有混凝土。4 波特兰水泥与高效减水剂的相容性 本文开始就说到：高性能混凝土不需要特殊水泥，常用型波特兰水泥；问题是水泥与高效减水剂必须相互适应，即两种材料之间的相容性良好。这需要花一些篇幅进行解释。 首先，我们要解释高效减水剂使混凝土具有高工作性的作用机理。高效减水剂为长链分子，将自身缠绕在水泥颗粒上，并使水泥颗粒带上较高的负电荷，因此水泥颗粒相互排斥；其结果是分开水泥团粒从而良好地分散，而拌和物则达到较高的工作性。水化水泥浆的基本结构未受影响，但是高效减水剂与波特兰水泥中铝酸三钙（C3A）相互作用我们不应忘记C3A 是水泥最早水化的组份，其反应受波特兰水泥生产中加入的石膏控制。 所以我们所面临的情况是：高效减水剂与石膏两者均能与C3A 反应。为达到合适的工作性，在搅拌过程需要一定量的高效减水剂，关键在于：不能所有的高效减水剂都被C3A所束缚。如果石膏不能及时释放硫酸根离子与C3A 反应，则这种束缚作用就会发生。当硫酸根离子被释放的速率太慢，就称作该波特兰水泥与高效减水剂不相容。 实际上，起决定性作用的因素是波特兰水泥中石膏的溶解性。石膏一词用来描述波特兰水泥中的硫酸钙，但硫酸钙以多种形式存在，决定于水泥生产时所采用的原材料。石膏有二水、半水和无水硫酸钙不同形态；每一种的溶解速率都不同，并且无水石膏的溶解性与其结构和来源有关，实际情况还要复杂得多。水泥的国家标准一般规定粉状成品水泥的最大SO3含量，ASTM C 15094标准规定：随C3A含量不同，I型水泥的SO3含量不得超过3.0%或3.5%。 这里核心的问题是：ASTM标准所限制的不是熟料粉磨时加入的石膏，而是水泥中总SO3含量。现在，水泥中SO3往往来源于其它地方，用于水泥煅烧的煤或油也含硫。生产水泥采用廉价的煤或重油、焦油，这些廉价燃料一般含硫量均较高。其结果是：燃料所含的硫与易挥发的碱性氧化物在窑中反应形成硫酸碱，这种硫酸盐是非常易溶解的。 如上所述，两种波特兰水泥的总硫酸盐含量相同时，硫酸盐随其来源不同，早期可与C3A反应的硫酸盐则会有多有少。如果能反应的可溶性硫酸盐太少，则会以高效减水剂被C3A束缚的形式进行，高效减水剂也就无法改善拌和物的工作性。这就是为什么有些高效减水剂常常在搅拌开始以后才添加，但是这样做不仅使搅拌过程复杂化，也不足以使问题得到解决。 相容性的问题已得到解决，因为已经认识到：每种波特兰水泥都存在一最佳可溶碱 （以硫酸碱形式存在）含量，能够保证与特定高效减水剂的相容性。我们期望目前这种运作方式，即采购水泥作为一种材料，再采购高效减水剂作为另一种完全独立的材料会很快结束；以相互匹配的水泥与高效减水剂供应市场，在使用前不必进行费工费时的检验。 前面所述的不相容问题普通混凝土也同样存在，但高性能混凝土中更加严重。这里有两个原因，其一：它的水灰比非常低，因此可容纳硫酸根离子的水分少；其二：每方混凝土的水泥用量非常高，相应C3A总量大，其反应必须受到控制才能保证所需的工作性。 应该指出的重要一点是：水泥在大水灰比时的行为不足以说明其在低水灰比时的行为。因此，大多数标准试验都不能保证水泥在高性能混凝土中具有满意的性能，故需要专门进行相容性试验。相容性试验也用于评价水灰比为0.35或更低（高性能混凝土）的行为。 5 高性能混凝土的收缩和养护 混凝土可能产生几种类型的减缩，一般归结为不同形式收缩6，这里我们只考虑高性能混凝土。首先，混凝土在塑性状态就出现减缩，塑性收缩的大小取决混凝土暴露表面的水分损失量。如果单位面积损失的水量超过泌水迁移到表面的水量，就可能产生塑性开裂。高性能混凝土的用水量非常少，相应产生毛细孔非常少，实际上基本没有泌水。这会导致塑性收缩裂缝产生，除非混凝土表面的水分损失受到抑制。因此，高性能混凝土需要尽可能早地进行湿养护。 其次为大家所熟知的硬化混凝土干燥收缩，简称干缩。干缩是由于外部混凝土水分蒸发损失引起的。高性能混凝土的干缩很小，部分原因是其毛细孔非常小，但也还有其它原因。其中主要的原因是：由于自干燥作用，大部分水分已离开毛细孔，引起自生收缩，即第三种类型的收缩。自生收缩是水泥不断水化的结果，不仅限于靠近表面处。水灰比低时，相应的毛细孔数量和尺寸均较小，这种收缩加剧。硅粉早期水化迅速，快速消耗水分，因此加剧自干燥作用。 对于高性能混凝土，自生收缩的一个主要后果是在混凝土内部产生微裂缝可以也必须采用湿养护来防止微裂缝产生。尽管常常并未按照规范操作，但都知道混凝土的养护非常重要，水灰比越低养护也就越重要。对于高性能混凝土，尽早进行湿养护是绝对必要的，并应持续至水化水泥浆体达到足够高的抗拉强度，能够抵抗内部微裂缝产生。 需要强调指出：对于高性能混凝土，覆盖薄膜的养护方式不能满足要求，它只能避免水分散失。当水灰比于0.42时，这种养护方式是可行的，因为拌和物中的水量足够（水泥）完全水化；然而高性能混凝土的水灰比非常低，从外部得到水分补充就非常必要。应当承认，在一些情况下立即喷雾或泡水方式养护混凝土也不切实际，可以暂时采用薄膜覆盖，最多几小时，或采用保水的新型外加剂，防止塑性收缩裂缝产生。在水化达到相当程度后，若要使外部水分进入混凝土可覆盖预湿的麻袋或织物，再用塑料薄膜覆盖，在薄膜下面装设扎孔的（喷水）软管，保持麻袋始终湿润。 高性能混凝土中水泥水化迅速，如果有水分持续供应，水化能够不间断地进行，则毛细孔中不会有凹液面，也不会出现自生收缩，至少在靠近外部水源的地方，即混凝土构件暴露面不会有自生收缩。因此，有了真正良好的养护，实际上就不存在自生收缩和干缩。当然，如果后期混凝土表面受到干燥作用，还会出现干缩，但此时混凝土的抗拉强度已足够高，不会出现收缩裂缝。值得指出的是：收缩本身并无大碍，关键的问题是收缩裂缝。 本文花费较多篇幅来谈论养护，然而这是非常值得的：高性能混凝土的成功应用是以重视简单的养护要求为前提的。采用优良的材料而最后获得不良产品是绝对的失败。6何时采用高性能混凝土 我们在本文开始曾说过：高性能混凝土与普通混凝土没有本质的差别，但每一种混凝土都有它适用的目的。具体的需求是变化的。 最早的需求是高强混凝土。要求强度可能是要早点达到，以便结构物尽快投入使用。但是，更多地是针对28d或更长龄期。一般要求高强度的多为受压构件，因为这样可使柱子的断面尺寸较小，从而减小自重和基础承受的荷载。另外，高强度柱子占据水平面积减小，相应使高使用价值的楼面面积增加。对于受弯构件，高强度的好处较难得到。原因之一是梁在受拉区的裂缝问题，因为抗拉强度不随抗压强度等比例增长；另一困难在于目前设计规范的限制，但可能在不久的将来限制会取消。 需要高强混凝土也可能不是为强度，而是因为它一般具有较大的弹性模量，这对于结构构件变形意义重大。 高性能混凝土一个特别重要的应用是保证混凝土非常低的渗透性在非常严酷的暴露环境中，氯离子、硫酸盐或其它侵蚀性介质可能进入混凝土，抗渗透性就非常关键。这样的环境条件存在于世界的许多地区，混凝土的快速劣化也很常见。 现在我们就混凝土劣化进行评述。多数情况下导致破坏的两个条件是水分迁移和温度变化。归结为水分迁移的道理是：如果混凝土构件整个浸到没有空气的水中，甚至海水里，受到的损伤会非常小。另一方面，快速湿润和长时间干燥的变换则非常有害。周期性的温度变化危害也很大。它们两者的叠加，即反复的干湿循环与经常的温度变化相组合最容易导致严重的损伤。高性能混凝土，因为渗透性非常小，能够保证暴露于恶劣环境中的结构达到长寿命 必须强调指出：耐久性不仅是在极端条件下暴露才出现问题。空气中的二氧化碳，在城市中含量较高。二氧化碳引起混凝土保护层的碳化会破坏钢筋的钝化膜，从而导致其锈蚀。土壤中有时存在侵蚀性的盐类。混凝土表面也可能受到磨蚀。 混凝土有时暴露于反复的冻融循环条件下。初期的自干燥作用意味着这种混凝土内部的游离水分非常少，因此一般不会形成有破坏作用的冰7。 然而，我们必须承认：在某些情况下，高性能混凝土的渗透性非常低并不是优点例如发生火灾时，它的温度会迅速升高；因为渗透性非常小，混凝土内部的水分不能及时逸出，形成的水蒸汽压力可能引起水泥浆爆裂和混凝土剥落。 非常重要的一点是：我们不应仅仅关心混凝土的强度，要同时关心混凝土的耐久性：只有耐久的混凝土才能称之为高性能混凝土，或称为高质量混凝土。7 高性能混凝土的启示 与我们的议题相一致，高性能混凝土并不是与我们称之为优质普通混凝土有显著差别的另一类混凝土。对于后者，一些评论认为：从世界范围来看，许多现在的混凝土还不够优质，甚至还没有以往的好。我们并不缺成功生产混凝土的知识，也无需求助任何新研究成果来得到优质混凝土。劣质混凝土通常都能追溯到糟糕的工艺和施工操作。我们相信：高性能混凝土的应用能够教会我们生产高质量的普通混凝土。举如下两个例子： 前面我们曾再三强调良好养护的重要性，并清楚地说明：没有养护好的高性能混凝土质量就好不了。因此，任何采用高性能混凝土的承包商都必须学会遵循正确的养护方式。以后再施工其它工程，他们在浇筑普通混凝土时也很可能使用学会的好的操作方法。例如，对于水灰比为0.45或更高的混凝土，良好养护的重要性要相对小一些，但仍然会改善混凝土的性能和耐久性。这里的性能意味着不出现收缩裂缝；耐久性意味混凝土保护层的低渗透性，能保护钢筋免于锈蚀。实际上，收缩裂缝也不利于保护钢筋。 对于普通混凝土，良好养护的重要性主要限于混凝土保护层，但养护不当的后果同样严重。如果钢筋保护层处的混凝土质量不良，构件内部具有高质量混凝土并没有多大意义，因为混凝土碳化会快速深入到整个保护层厚度，或者氯离子与硫酸盐从外部渗进混凝土并发生破坏性反应，引起开裂、剥落或分层。 从高性能混凝土得到的第二个启示更具普遍意义。制备高性能混凝土的基础是严格控制原材料质量和生产方式。例如，配料必须非常精确，每一盘料的总水量，不仅是加入的水量，都要准确地保持一致；最终的骨料级配不得来回变化；不能因为要取悦混凝土浇注工，就往拌和物中多加一桶水；混凝土生产商必须建立起一流的生产体系。我们主张应该，也有可能在生产普通混凝土时使用相同的体系。 对于这一建议的第一反应很可能是：这样高水平的质量控制要花钱，但我们相信钱不会浪费。有两个理由支持我们的观点。其一：较高水平的质量控制使混凝土性能的变异减小。例如，所生产混凝土的平均强度与规定的最小强度差别减小。现在混凝土的价格是以最低强度为基准，但成本则与平均强度相联系。对一定的最小强度，平均强度较小使成本降低，是减少水泥用量而节省了钱；其二，能够生产高性能混凝土的供应商可以赢得声誉，并因此被认为是优质混凝