巖土工程師考點：高強混凝土的問題及改善

　　高強混凝土在性能上尚存在的問題及其改善的途徑

　　配制高強混凝土的特點是低水膠比并摻有足夠數(shù)量的礦物細摻合料和高效減水劑，從而使混凝土具有綜合的優(yōu)異的技術(shù)特性，但由此也產(chǎn)生了兩個值得重視的性能缺陷：(1)自干燥引起的自收縮;(2)脆性

　　1)自干燥引起的自收縮

　　近年來，國外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強混凝土存在早期收縮開裂的問題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當活性的礦物細摻合料的混凝土中會產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。有關(guān)文獻資料表明：水膠比低于0.3的混凝土，其自收縮值可高達200～400×10-6。免振自密實混凝土由于含有較多的粉料量，當粉量達500kg/m3，其自收縮值可達100～400×10-6。而摻有大量磨細礦渣的大體積混凝土，其自收縮值也可達100×10-6。混凝土產(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對濕度的影響而引起的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微細孔內(nèi)自由水量的不足，使混凝土內(nèi)部供水不足，內(nèi)部相對濕度自發(fā)地減小而引起自干燥，并導(dǎo)致了混凝土的收縮變形，故稱之為自收縮。

　　高強混凝土的配制，正因為是低水灰比或水膠比并摻有較大量的活性礦物細摻合料，因此，其早期的收縮開裂十分敏感。在混凝土內(nèi)部水量較少的情況下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛細管中的水也被逐步吸收減少，在沒有剩余自由水的情況下，就形成了空的孔隙，使水泥石的內(nèi)部不再存在未結(jié)合水的平衡。因此，水泥石內(nèi)部的相對濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時也是難以有水分滲濾的封閉狀態(tài)中的粘彈性固態(tài)的膠凝材料系統(tǒng)中，由于水泥石內(nèi)部相對濕度的降低而使孔中存在一定的氣相，孔中水飽和蒸汽壓隨之而降低，毛細管中水呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)。此狀況在長期處于封閉狀態(tài)的情況下，隨著水泥水化反應(yīng)的進行越演越烈，其結(jié)果導(dǎo)致了毛細管中的液面形成變月面，使毛細管壓升高而產(chǎn)生毛細管應(yīng)力，使水泥石受負壓作用，成為凝結(jié)硬化混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素。

　　此外，較大量的活性礦物細摻合料的摻入，也會使混凝土產(chǎn)生自收縮，特別是硅灰的摻入。其原因主要是由于硅灰具有較高的火山灰活性，而增加了化學(xué)減縮。在水泥水化初期生成較高含量的凝膠孔的孔結(jié)構(gòu)體系的水泥石也會產(chǎn)生高度的自干燥而引起較嚴重的自收縮。再者，由于硅灰的表面積較大、活性強，會導(dǎo)致灰與攪拌水很快結(jié)合，加速了水泥石中孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對濕度的降低而增大了自干燥。

　　混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。當混凝土由流態(tài)轉(zhuǎn)向粘彈性固態(tài)時，尤以初凝到1d齡期時為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時的自收縮愈大。

　　自收縮對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴展造成的損傷是一個值得重視的問題。由于硬化后高強混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時，也阻礙了外部養(yǎng)護水對混凝土的濕養(yǎng)護作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑;以部分粉煤灰等量取代水泥;配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時，盡快地立即進行水霧養(yǎng)護，對減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。

　　另一技術(shù)措施是在混凝土中加入部分含水飽和的輕集料替代普通集料，含水飽和輕集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土內(nèi)部供水起內(nèi)養(yǎng)護作用。但此方法需根據(jù)混凝土強度要求而采用。

　　2)脆性

　　脆性可以描述為混凝土無法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴展與增長。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應(yīng)力――應(yīng)變曲線中，峰值后下降曲線段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗已表明，混凝土的強度愈高，其應(yīng)力――應(yīng)變曲線過峰值后的下降段曲線愈陡斜。這意味著該混凝土的脆性愈大。因此，高強混凝土的脆性已引起廣泛的重視，混凝土脆性的增大會給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來很大的危害。在高強混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國外已有學(xué)者提出纖維增強高性能混凝土，而且將之與纖維增強傳統(tǒng)混凝土和基材(未摻纖維的傳統(tǒng)混凝土)進行拉伸應(yīng)力――應(yīng)變的對比。纖維增強傳統(tǒng)混凝土比無纖維增強的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強高強混凝土與無纖維增強的基材相比，在拉伸應(yīng)力――應(yīng)變曲線中有三個特征是值得重視的：

　　(1)彈性極限顯著提高了。強性極限反映宏觀裂縫出現(xiàn)的起點。

　　(2)呈現(xiàn)出有一明顯的應(yīng)變強化段。應(yīng)變強化段是反映宏觀裂縫出現(xiàn)后，裂縫分散數(shù)量的增加，但這些裂縫的寬度很小。

　　(3)峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段。應(yīng)變軟化段反映了裂縫數(shù)量雖保持不變，但裂縫寬度增大了，最后導(dǎo)致纖維被拔出或斷裂而破壞。因此，纖維增強高強混凝土不僅大大提高了拉伸應(yīng)力而且顯著改善了高強混凝土的脆性。

　　對于纖維品種的選用，試驗表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對改善高強混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

2013巖土工程師考試：專業(yè)知識考點匯總