岩土工程师考点：高强混凝土的问题及改善

　　高强混凝土在性能上尚存在的问题及其改善的途径

　　配制高强混凝土的特点是低水胶比并掺有足够数量的矿物细掺合料和高效减水剂，从而使混凝土具有综合的优异的技术特性，但由此也产生了两个值得重视的性能缺陷：(1)自干燥引起的自收缩;(2)脆性

　　1)自干燥引起的自收缩

　　近年来，国外许多学者发现高强混凝土存在早期收缩开裂的问题。其原因是由于在低水灰比或水胶比并掺入较多的具有相当活性的矿物细掺合料的混凝土中会产生自干燥从而引起混凝土的自收缩，使混凝土内部结构受到损伤而产生微裂缝。有关文献资料表明：水胶比低于0.3的混凝土，其自收缩值可高达200～400×10-6。免振自密实混凝土由于含有较多的粉料量，当粉量达500kg/m3，其自收缩值可达100～400×10-6。而掺有大量磨细矿渣的大体积混凝土，其自收缩值也可达100×10-6。混凝土产生自干燥并非由于外部环境相对湿度的影响而引起的干燥脱水，而是由于混凝土内部结构微细孔内自由水量的不足，使混凝土内部供水不足，内部相对湿度自发地减小而引起自干燥，并导致了混凝土的收缩变形，故称之为自收缩。

　　高强混凝土的配制，正因为是低水灰比或水胶比并掺有较大量的活性矿物细掺合料，因此，其早期的收缩开裂十分敏感。在混凝土内部水量较少的情况下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛细管中的水也被逐步吸收减少，在没有剩余自由水的情况下，就形成了空的孔隙，使水泥石的内部不再存在未结合水的平衡。因此，水泥石内部的相对湿度显著地降低。在处于难以水分蒸发而同时也是难以有水分渗滤的封闭状态中的粘弹性固态的胶凝材料系统中，由于水泥石内部相对湿度的降低而使孔中存在一定的气相，孔中水饱和蒸汽压随之而降低，毛细管中水呈现不饱和状态。此状况在长期处于封闭状态的情况下，随着水泥水化反应的进行越演越烈，其结果导致了毛细管中的液面形成变月面，使毛细管压升高而产生毛细管应力，使水泥石受负压作用，成为凝结硬化混凝土产生自收缩的主要因素。

　　此外，较大量的活性矿物细掺合料的掺入，也会使混凝土产生自收缩，特别是硅灰的掺入。其原因主要是由于硅灰具有较高的火山灰活性，而增加了化学减缩。在水泥水化初期生成较高含量的凝胶孔的孔结构体系的水泥石也会产生高度的自干燥而引起较严重的自收缩。再者，由于硅灰的表面积较大、活性强，会导致灰与搅拌水很快结合，加速了水泥石中孔隙空间的缺水与内部相对湿度的降低而增大了自干燥。

　　混凝土的自收缩一般发生在混凝土初凝之后。当混凝土由流态转向粘弹性固态时，尤以初凝到1d龄期时为最显著，自收缩值随龄期而减缓。水胶比愈小，1d龄期时的自收缩愈大。

　　自收缩对混凝土内部结构中裂缝的产生和扩展造成的损伤是一个值得重视的问题。由于硬化后高强混凝土的致密性高于普通混凝土，在减少了泌水的同时，也阻碍了外部养护水对混凝土的湿养护作用。因此，以适用于普通混凝土的传统养护措施来改善此类混凝土的自干燥、自收缩并无明显的效果。国内外学者曾提出一些技术措施如：掺入一定量的膨胀剂;以部分粉煤灰等量取代水泥;配以高弹性模量的纤维：选用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸盐水泥等等，对降低混凝土的自收缩都有一定的效果。最近，国外学者提出了采用围水养护即在混凝土浇注后仍处于塑性状态时，尽快地立即进行水雾养护，对减少或防止混凝土的自收缩具有较明显的效果。

　　另一技术措施是在混凝土中加入部分含水饱和的轻集料替代普通集料，含水饱和轻集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土内部供水起内养护作用。但此方法需根据混凝土强度要求而采用。

　　2)脆性

　　脆性可以描述为混凝土无法防止的不稳定裂缝的扩展与增长。从混凝土承受轴向压荷载作用下的应力――应变曲线中，峰值后下降曲线段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。众多的试验已表明，混凝土的强度愈高，其应力――应变曲线过峰值后的下降段曲线愈陡斜。这意味着该混凝土的脆性愈大。因此，高强混凝土的脆性已引起广泛的重视，混凝土脆性的增大会给工程结构特别是有抗震要求的工程结构带来很大的危害。在高强混凝土中掺加纤维是一种有效的措施。国外已有学者提出纤维增强高性能混凝土，而且将之与纤维增强传统混凝土和基材(未掺纤维的传统混凝土)进行拉伸应力――应变的对比。纤维增强传统混凝土比无纤维增强的基材仅仅是提高了延性，而纤维增强高强混凝土与无纤维增强的基材相比，在拉伸应力――应变曲线中有三个特征是值得重视的：

　　(1)弹性极限显著提高了。强性极限反映宏观裂缝出现的起点。

　　(2)呈现出有一明显的应变强化段。应变强化段是反映宏观裂缝出现后，裂缝分散数量的增加，但这些裂缝的宽度很小。

　　(3)峰值后出现应变软化段。应变软化段反映了裂缝数量虽保持不变，但裂缝宽度增大了，最后导致纤维被拔出或断裂而破坏。因此，纤维增强高强混凝土不仅大大提高了拉伸应力而且显著改善了高强混凝土的脆性。

　　对于纤维品种的选用，试验表明，在同样纤维体积含量的情况下，钢纤维和碳纤维对改善高强混凝土的脆性比合成纤维更为有效。

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