高性能混凝土知识问答（五）

高性能混凝土知识问答（五）

 

混凝土的力学性能

01.混凝土如何能够达到高强度？

高强混凝土最大的特点是抗压强度高。采用水泥、砂、石、减水剂等外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物外加剂以常规工艺配制高强混凝土时，材料的优选和配合比的设计是混凝土达到高强度的关键。

水泥应选择强度等级较高、与外加剂适应好的品种。砂石的含泥量要低，石子的粒径不能过大。减水剂可以选择减水率较高的高效减水剂和高性能减水剂。矿物外加剂要选择粒度较细、搭配适宜的品种，最好有辅助减水作用。混凝土配合比设计时，要注意水胶比、胶集比（胶凝材料和集料的比例）、砂率等参数的控制。通过材料选择和配合比优化，尽量使混凝土水化结构致密、缺陷少，达到高强度。

02.准确测试高强混凝土的抗压强度需要注意什么问题？

高强高性能混凝土的力学性能试验方法与普通混凝土的相似，但是其中有两个问题需要特别予以重视：一是高强混凝土立方体抗压强度尺寸系数；二是高强混凝土的脆性问题。确定前一个问题的答案，可以方便对高性能混凝土的抗压强度试验，但解决这个问题需要大量的数据积累，中国建筑材料科学研究总院在这方面开展了一些工作。第二个问题是高强混凝土应用中常常被忽略的问题，它关系到混凝土结构的设计和安全问题。

03.高强混凝土立方体抗压强度尺寸系数是0.95吗？

普通强度混凝土（≤50MPa）10cm×10cm×10cm与15cm×15cm×15cm的立方体抗压强度尺寸换算系数为0.95，但这一系数是否适合于高强混凝土？这一系数是随着强度的增加而变大还是随着强度的增加而减小，这一直是一个争论较大的问题。

对高强混凝土的尺寸系数进行研究很有必要，原因如下：

①高强混凝土强度高，15cm×15cm×15cm立方体试块破坏荷载高，当混凝土设计强度为C60时，破坏荷载约在1350kN以上；当混凝土设计强度为C80时，破坏荷载约在1800kN以上；而当混凝土设计强度为C100时，破坏荷载约为2250kN以上。明显可见当混凝土设计强度在C60以上时，如果采用15cm×15cm×15cm立方体试块，这时的破坏荷载均不在200t压机（目前研究单位和工程单位常用的压力机）的最佳范围之内，影响测试结果的准确性。

②高强混凝土粗集料粒径一般较小，最大粒径在20mm以内，因此非常适合采用10cm×10cm×10cm的小尺寸试件来评价。

③高强混凝土在工程中的应用日益广泛，在配合比设计和工程验收时常常遇到换算的问题。

关于高强混凝土立方体抗压强度尺寸系数的研究工作，2000~2002年国标GBJ50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》修订小组组织了近10个单位进行了尺寸系数试验，结果见表3-6。从试验情况来看每个单位得出的高强混凝土立方体抗压强度尺寸系数争论较大，没有一个公认的系数。无奈只好在修订后的标准中规定：对不小于C60的混凝土，建议采用15cm的立方体标准试件；使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。

1995年，清华大学和中国建筑材料科学研究院承担的国家自然科学基金项目《高强混凝土力学性态的研究》中提出高强混凝土的尺寸系数为0.86。重庆建筑工程大学的蒲心诚教授和中国建筑科学研究院的韩素芳教授都对高强混凝土立方体抗压强度尺寸系数进行过研究，一般认为是0.98。国外资料显示当混凝土强度为C60~C110时，混凝土强度的换算系数为0.99左右。
 

表3-6 GBJ 50081修订小组尺寸系数试验结果

 

04.为什么说高强混凝土的脆性增加了？

高强混凝土材料在力学性能上呈现明显的脆性，在受压时表现出较小的塑性和更大的脆性；高强混凝土的极限应变较普通混凝土小，易于产生劈裂现象，对抗震不利，这些不利因素都影响了高强混凝土更广泛的使用。一些研究结果表明：对于高性能混凝土，特别是掺混合料的高性能混凝土断裂能与抗压强度之间的单调增加关系可能不再存在。

硅灰的使用将增大高强混凝土的脆性。中国建筑材料科学研究总院使用磨细矿渣和硅灰作为硅酸盐水泥的辅助胶凝材料制作的高强度高性能混凝土，不仅具有很高的强度（抗压强度高于100MPa，拉压强度比和折压强度比均较高），而且工作性好，新拌混凝土的出机坍落度大于22cm，黏聚性和保水性良好，硬化混凝土的抗冻融性能、抗渗透性能和抗侵蚀性能优异。他们还采用断裂力学试验方法研究了使用磨细矿渣和硅灰配制的高强混凝土的脆性。研究采用了表3-7的配比。
 

表3-7混凝土配合比和坍落度

 

注：冀东水泥厂生产的盾石牌525R硅酸盐水泥，矿渣和硅灰的产地分别为武汉和天津。硅灰的非晶态SiO2含量为92.8%，矿渣的玻璃相含量大于98%，并且磨细至比表面积为800m2/kg左右的超细状态。粗集料为北京产破碎石灰石，粒径5~20mm。细集料为中粗河砂，细度模数为3.0。试验中使用了天津产的UNF-5系高效减水剂。

对于每组混凝土配合比均配制六个尺寸为100mm×100mm×100mm的立方试件用于混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度测试，配制六个尺寸为100mm×100mm×515mm的长方试件用于混凝土断裂试验。所有的试件在室温下振动成型，静置1d后脱模，然后放入温度为（20±3）℃的水中养护，在28d龄期时进行试验。

根据RILEM50-FMC技术委员会的建议规则进行混凝土断裂能试验，试验设备为美国产INSTRONG万能试验机，该设备配有计算机自动测试和数据分析及绘图系统。试验前先在长方体试件的纵向中间处锯切出楔口以记录在中距加载条件下荷载与位移的关系图线。

结果显示：四组混凝土的荷载-位移曲线相似，开始时荷载随位移同步增长，两者呈线性关系，表现为曲线上的上升部分。荷载达到峰值后开始下降，而位移继续增大，表现为曲线的下降部分，且有明显的较长拖尾。掺加矿渣和硅灰的B混凝土与其对应的A混凝土相比，曲线上升部分的斜率稍大且荷载峰值较高，下降部分较陡且拖尾较短。D混凝土与C混凝土相比也有类似的变化。这表明掺加矿渣和硅灰后高强混凝土的脆性有所上升。
 

表3-8 硬化混凝土的性能

 

表3-8的结果显示，四组混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度较高，伴随着抗压强度的提高，混凝土的弹性模量值也呈增长趋势，而且数值较高，最高可达48.0GPa。尽管C/D混凝土的水胶比高于A/B混凝土而浆体含量较低，从而导致抗压强度和弹性模量小于相应的A/B混凝土，但劈裂抗拉强度却不降低甚至稍有提高，这表明混凝土的配合比对强度和弹性模量有明显影响。

从表3-8还看出，磨细矿渣和硅灰复合掺加降低了混凝土的断裂能和断裂时的特征长度，即增大了混凝土的脆性，这与单独掺加硅灰时的变化相同。

值得注意的是，如果从A~D四组混凝土整体比较，可以认为混凝土的脆性（Lch）与力学性能（包括劈裂抗拉强度与抗压强度的比值）之间不存在明确的量值关系。

混凝土抗碱-集料反应性能

05.什么是混凝土的碱-集料反应？

碱-集料反应是指水泥中的碱与集料中的活性组分在潮湿条件下发生的化学反应，产生膨胀，导致混凝土的结构破坏。

混凝土的碱-集料反应可能引起混凝土的膨胀、开裂，甚至破坏，因反应的因素在混凝土内部，其危害作用往往是不能根治的，是混凝土工程中的一大隐患，又被称为混凝土的癌症。许多国家因碱-集料反应破坏造成巨大损失。自从1940年美国首先发现碱-集料反应以来，加拿大、日本、德国、法国、南非等国家均发现了碱集料反应引起大型混凝土工程破坏的典型事例。近年来在我国也已经证实有碱集料反应造成铁路桥梁、轨枕、立交桥、机场跑道、电杆和工业民用建筑的破坏的实例。随着基础设施的快速增加，加上我国有些地区的水泥碱含量较高，预防碱-集料反应十分必要。

混凝土碱-集料反应通常有三种类型：碱-硅酸反应、碱-碳酸盐反应、慢膨胀型碱-硅酸盐反应。混凝土碱-集料反应发生破坏，必须具备三个条件：即有相当数量的碱、活性集料和水分。因此，避免发生碱-集料反应可采用的方法是：尽量避免采用活性集料；限制混凝土的碱含量；掺用矿物外加剂。

06.混凝土碱含量如何计算？

混凝土中必须有相当数量的碱（钾、钠），才有可能发生碱-集料反应。混凝土中碱的来源可以是配制混凝土时形成的，即水泥、化学外加剂、矿物外加剂、集料及拌和水中所含的可溶性碱；也可以是混凝土工程建成后从周围环境侵人的碱，如海雾随海风吹来，附着并逐渐渗入沿海附近的混凝土建筑物中，冬季喷洒除冰盐渗入桥梁及排水管道中的碱等。即使配制混凝土时含碱量较低，只要环境中外来的碱增加到一定程度，同样可使混凝土工程造成碱集料反应破坏。

（1）外界环境带入的碱。混凝土工程建成后从周围环境侵入的碱：海工混凝土构件在海边受到海雾、海风等带来的碱侵蚀，碱附着并逐渐渗入混凝土建筑物中；浸在海水里的混凝土构件中的孔隙也会贮存含碱离子的海水；在宁波北仑港码头的混凝土就是因为海水的作用使混凝土中的活性集料周围发生了碱集料反应破坏；城市的桥梁和公路冬季喷洒除冰盐防止路面行车打滑，碱的离子也会渗入桥梁及排水管道中。在上述这些情况下，即使配制混凝土时含碱量较低，只要环境中外来的碱增加到一定程度，同样可能使混凝土工程造成碱集料反应破坏。

（2）配制混凝土时带入的碱。配制混凝土时带入的碱是混凝土中各种原材料碱含量之和。由各种原材料的含碱量及其在混凝土中的用量决定，我国在CECS53：93中规定了混凝土碱含量的计算方法，主要是通过测定水泥、矿物外加剂的碱含量，化学外加剂中钠或钾盐（硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐）含量及集料（海砂或海石）和拌和水（海水）中的氯离子含量来计算混凝土的含碱量A。

混凝土的含碱量A=Ac+Aca+Ama+Aaw=WcKc+αWcWaKca+βγWcKma+0.76（WgPgc+WwPwc）

式中：

Ac——水泥带入的碱量；

Aca——外加剂带入混凝土中的碱量；

Ama——矿物外加剂带入混凝土的碱量；

Aaw——由集料和拌合水中的氯离子折算的碱量；

Wc——水泥用量，kg/m3；

Kc——水泥碱含量，%，按GB176测试；

α——将钠或钾盐折算成Na2O时的系数；

Wa——外加剂掺量，%；

Kca——外加剂中钠（钾）盐含量，%，按GB8077测定；

β——矿物外加剂中有效碱含量的百分率，%；

γ——矿物外加剂对水泥的置换率，%；

Kma——矿物外加剂的碱含量，%，按GB176测定；

Pgc——集料中氯离子含量，%，按GB8077测定；

Pwc——拌合水中氯离子含量，%，按GB8077测定；

Wg——集料用量，kg/m3；

Ww——水的用量，kg/m3。

从上述公式可以看出，控制混凝土的单方碱含量主要就是控制由水泥、矿物外加剂、外加剂带入的碱。

07.混凝土的碱含量安全限值是多少？

目前，国际上各国对混凝土碱含量的安全限值并不完全一致，如南非规定每立方米混凝土总碱量不得超过2.1kg，新西兰规定每立方米混凝土总碱量不得超过2.5kg，日本、德国、加拿大、英国提出每立方米混凝土全部原材料总碱量不超过3kg。我国根据混凝土工程的环境条件规定防止ASR反应的混凝土碱含量限值标准CECS 53：93，见表3-9。
 

表3-9   防止ASR破坏的混凝土碱含量的安全限值或措施

 

当集料具有碱-碳酸盐反应活性时，干燥环境中的一般工程和重要工程可不限制碱含量；其他条件下应采用不具碱-碳酸盐反应活性的集料。

表3-9中，一般工程结构是指一般建筑结构。重要结构工程是指桥梁、大中型水利水电工程结构、高等级公路、机场跑道、港口与航道工程结构、重要建筑结构等。特殊工程是指核工程结构关键部位、采油平台、不允许发生开裂破坏的工程结构等。

当混凝土中碱含量大于表3-9中的限值时，应采取下列措施。

①换用非活性集料。

②采用下列一种或几种措施，此时混凝土碱含量经计算后并应满足表3-9中最大碱含量限制：a.使用碱含量低的水泥；b.降低水泥用量；c.不用含有NaCl和KCl的海砂、海石或海水；d.不用或少用含碱外加剂，如矿渣、粉煤灰和硅灰；e.使用掺合料，如粉煤灰、矿渣或硅灰。

③选用能有效抑制碱硅酸反应的矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥或掺合料，并经试验论证，此时混凝土碱含量可不受表3-9中的碱含量限值的限制。

08.高性能混凝土如何抑制混凝土碱-集料反应？

高性能混凝土是通过选择合适的原材料和进行适当的配合比设计来抑制混凝土碱-集料反应的。使用低碱度水泥（Na2Oeq%小于0.6%），用大量矿物外加剂取代部分水泥，使用无碱或低碱混凝土外加剂都是抑制碱-集料反应的有效措施。在高性能混凝土的配制中一般掺加有化学外加剂和矿物掺合料（矿物外加剂），用来降低混凝土的用水量和改善混凝土的微观结构，使混凝土更加致密并获得高强和高耐久性。通过调整化学外加剂、矿物外加剂和水泥的用量及品种来达到控制混凝土碱含量的目的。

09.我国京津塘地区砂石集料有碱活性吗？

京津塘地区是我国经济建设高速发展地区之一，大型工程项目较为集中，仅北京市近年来公共工程和各类房屋工程，每年开工面积都保持在3000万平方米左右。巨大的工程建设量，较高的耐久性要求，都迫切要求在工程建设开始前，了解砂石集料的矿物组成和碱活性大小，慎重选择砂石集料，以避免可能发生的混凝土碱-集料反应，为国家节约巨额的维修和重建费用。

1996~2000年期间，在国家“九五”科技攻关项目的支持下，中国建筑材料科学研究院、南京化工大学、国家建筑材料地质研究所等单位共同对京津塘地区集料碱活性情况进行了普查和系统研究。按照多种方法分别检测了潮白河流域、龙凤山矿区、南口矿区、大水峪、太师屯、不老屯、卢沟桥南矿区、卢沟桥北矿区和蓟县矿区的25个砂石厂的47个集料样本，岩相分析表明，京津塘地区的集料中含有碱活性成分，其中既有可能发生碱-硅反应的石英等硅质活性成分，又有可能发生碱-碳酸盐反应的鳞片状白云石成分，所以必须重视ASR和ACR反应。

10.京津塘地区碱活性集料分布有规律吗？

在多种检验方法试验的基础上，总结出京津塘地区集料碱活性分布规律。

①永定河流域卢沟桥南北矿区的集料中含碱活性岩矿组分较多，经多种方法试验膨胀值较高或超过标准限值，活性较高，工程中选用时要慎重。

②温榆河流域和潮白河流域的砂石中含碱活性矿物相对较少，在检测中表现为非活性，较为安全。

③南口矿区的碎石属于硅质条带灰岩，碱活性明显，工程中要慎用。

④蓟县五名山矿开采面上采集的样品为典型灰岩，经试验为非碱活性集料。天津市建筑科学研究院对蓟县石矿的碱活性也进行了系统研究，他们对五名山石矿开采面上取得的石样的试验结果与作者的结论相同。但是，在五名山石矿旁的其他采石厂和翠屏山采石场采集的粗集料中发现有活性硅质岩和含粉砂泥质微晶白云岩，这两个采石场的石样也代表了蓟县石矿的种类，估计五名山石矿在其他地层上也含有这两类矿物。所以，使用蓟县石矿粗集料前必须进行岩相检测，确定其是否含有碱活性成分。

⑤京津塘地区广泛分布着碳酸盐集料，大部分的砂石集料中都含有灰岩、白云岩等碳酸盐类，岩相分析表明，少数集料中还含有活性的细晶菱形白云岩（如南口采石场、永定河大刘庄砂石场、长辛店三八砂石场、天津大刀营第一石料厂、天津石矿采集的集料），但用岩石圆柱体法和化学组成法等专门检测集料的碱-碳酸盐反应活性的方法进行的检测，膨胀率均远小于标准限值，这表明正常使用条件下，这些集料发生碱碳酸盐反应膨胀的可能性不大。

⑥由于河道和矿山地质条件复杂多变，取样点的试验结果是该矿床或矿山集料碱活性的典型反映，由于水流搬运和沉积条件的差别，在河流中各处的砂石中活性物质与非活性物质的组成变化十分复杂，在重点或重大工程使用时，应进行岩相检测复核。

11.在京津塘地区有不发生碱集料反应的砂石资源吗？

京津塘地区建筑集料多采自河滩卵石，由于河流源远流长，流经的地域地质构造、岩石、地层十分复杂，致使其河滩卵石成分也十分复杂多变。河流多以断裂构造发展而来，在地质构造应力作用下，其附近的岩石中波状消光石英含量明显增加，碱活性组分相对增加。京津塘地区地处华北地带，其震旦系燧石条带灰岩分布十分广泛，因此河滩卵石中或多或少都含有碱活性集料组分，一般河滩卵石集料中的活性组分在20%~65%。要想在现有的京津塘地区的河滩卵石中寻找绝对安全的集料几乎是不可能的。

因此，在京津塘地区确定岩石类安全集料矿山，为大型工程提供安全性集料，从根本上避免碱-集料反应的破坏，确保重点工程的安全性，具有重要的现实意义。经过勘察、研究试验，确定京津塘地区安全集料矿山如下。

（1）高家窑辉绿岩安全集料矿山。高家窑辉绿岩体位于北京市延庆县北部山区，行政区划属延庆县香营乡所辖。地形上，岩体出露区为一个山峦环绕的小型山间盆地，地形切割小，相对高差不大。高家窑辉绿岩体平面上呈北大南小的蝌蚪状。南北向延伸，长约6.5km，最宽处为2.5km，最窄处仅0.05km，平均宽度为2km，面积9平方公里。岩体中间厚度大，南、北两端厚度变薄。岩石为细粒辉绿结构，局部可见气孔、杏仁状构造。中央相为主体，岩石粒度比前者稍粗，为辉绿结构。

（2）北京昌平花岗岩型安全集料矿山。矿山位于北京市昌平县阳坊镇境内，距北京城20km，交通方便。花岗岩占主导，花岗岩体侵入于124Ma。岩体呈南北向长条状形态出露，长12km，宽1.5km，岩石具有中粒结构。主要矿物为钾长石35%~40%，斜长石25%~35%，石英25%~48%。暗色矿物以黑云母为主，含量3%~5%，石英颗粒多数完好无损，岩相分析为非碱活性矿物。

（3）门头沟南庄碳酸盐岩石集料矿山。矿区位于门头沟区妙峰山乡南庄村境内，矿区交通方便，距丰（台）沙（城）铁路和门头沟区政府所在地约15km。矿层厚度48m。上矿层由中厚层灰岩夹薄层泥灰岩组成，厚10m左右。上下矿层之间有14m厚的含矿夹石层。地表矿体形态大致呈不规则的长条形，南北长约1000m，东西宽约250m。矿体北部比南部要宽许多。矿石质量优良，各矿层平均化学成分含量如下：下矿层平均化学成分CaO50.73%，上矿层平均化学成分CaO48.31%，矿体总平均化学成分CaO50.33%。矿石为块状构造，粉晶或泥晶结构。主要矿物成分为方解石，含量95%以上。多数矿石具脆性，易破碎。

（4）北京昌平碳酸盐岩石集料矿山。矿山位于北京市昌平县城东北13km的崔村乡八家村，矿山有公路相通，交通方便。矿区属中低山地形，地势起伏大，海拔高度220~550m，高差330m。安全集料选自区内寒武系灰岩。矿石平均矿物成分为：方解石94%、白云石2%、石英1%、泥质2%～3%。平均化学成分为：SiO2 2.13%、A12O30.43%、Fe2O30.76%、CaO 52.55%、MgO 1.31%。矿石抗压强度为70~150MPa；矿石储量为1000万吨以上。