高性能混凝土原材料及其配比问题探讨

摘要：经济实力的提升为我国进行科研活动提供了资金支持，也给我国各行各业的改革创造了良好的环境。同样，在经济全球化以及科学技术不断提升的今天，越来越多的问题开始涌现出来，并对我国经济的可持续性发展造成了一定的困难。为了更好地体现“科学发展”的主题，具有良好性能的高性能混凝土材料已经逐渐被广泛运用。但是，随着更加复杂的建筑环境的出现，现有的关于高性能混凝土的研究还在继续。本文将以现在广泛运用的高性能混凝土为核心，围绕它所涉及到的原材料以及各材料之间的配比问题进行简单探讨。

关键词：高性能混凝土;原材料;配比设计

Abstract: The enhancement of economic strength for our research activities to provide financial support, but also created a favorable environment for China''s reform from all walks of life. Similarly, in the ever-increasing economic globalization and science and technology today, more and more problems began to emerge, and the sustainability of China''s economic development has caused some difficulties. In order to better reflect the theme of "scientific development", with good performance, high-performance concrete materials has gradually been widely used. However, with the emergence of more complex construction environment, the existing research on high-performance concrete continues. This article will be extensive use of high-performance concrete as the core, around which it is related to raw materials and materials between the ratio for a brief discussion.

Key words: high-performance concrete; raw materials; mix design

中图分类号： TU528 文献标识码：A文章编号：

高性能混凝土（High performance concrete,简称HPC）是具有优异耐久性的混凝土。其主要特点是高强度、高抗渗性、高工作性能与体积稳定性。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对耐久性、工作性、适用性、强度稳定性、体积稳定性和经济性等性能重点予以保证。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。随着我国经济的快速发展以及城市化进程的逐渐推进，现在我国许多中小城市正在开展城市功能重组的一个过程。而在这个过程中城市建设走在前列，为城市发展提供最初的动力。但是在建筑行业中，为了体现现在“节约环保”的主题，现在更加倡导使用高性能混凝土。高性能混凝土较于一般混凝土而言，在原材料以及配比上有着很大的区别，而这些区别导致了材料在物理性质以及化学性质上的不同。采用高性能混凝土的建筑物可以极大减少建筑材料的使用量、降低了建筑物自身的重量，同时保证了整个建筑物的承载能力，进而降低了建筑成本，提高了整个施工工程的经济性。而在我国“可持续发展”的科学发展观念下，这种新型材料是未来建筑行业使用原料的主流，是现代高新科技与环境友好相处的一个具体事例。因此，在21世纪，高性能混凝土作为可持续发展地绿色建筑材料将得到快速发展和更广泛的应用。

1、复合矿物掺合料在高性能混凝土中的应用

与传统意义上的混凝土不同，现在新型的高性能混凝土在原料上采用了复合矿物掺合料作为特殊物质，从某些方面改变着混凝土的物理性质以及化学性质，进而提高混凝土的整体性能。但是在混凝土中添加不同的复合矿物掺合料，将会有不同的影响效果。而在过去实验经历中，就有关于这方面的事实证明：将普通混凝土中的粗集料和细集料中大于300~400um的粗粒部分除去可以使得混凝土更加细腻，从而增加混凝土的均匀性；而向混凝土中掺和高质量的钢纤维可以提高混凝土的柔韧性，从而增加混凝土的延伸性；而如果对混凝土中的水胶比进行很好地控制，也可以直接缩小混凝土中的孔隙率，进而增加混凝土的强度。

其实在实验中这些实验结果都已经得到了证实，但是在实际运用中还是存在着许多问题。由于改变混凝土的单一性质或者是向混凝土中加入单一掺合料，只是从一方面改变了混凝土的性质，从而不满足实际运用中的要求。活性粉末混凝土就是一个很好的例子，它通过添加活性粉末改变了混凝土的性质，使其具有很好的物理性能，但是也增加了它在实际操作中的难度，比如加工工艺复杂、制造设备困难以及成本较高等，这些都不符合建筑材料的易得性、施工简便性以及经济性。

所以为了研制出更加符合现在实际操作需求的混凝土，应该采用多元矿物掺合料的复合掺入方式以改变现有的混凝土性质。而目前我国在这一方面多采用粉煤灰、矿渣微粉、氟石粉以及硅灰，而这些原料在工业上获取容易、价格低廉，并且材料来源广泛。而在实验过程中，主要是通过对混凝土的复合胶凝效应、诱导激活效应、表面微晶化效应、界面耦合效应以及微集料效应等各方面物理参数的测量，以获取混凝土的物理性质，进而鉴定出掺入的复合框物料对混凝土性能的改变能否满足现在建筑学上的要求。

（1）微集料效应的集合

在混凝土中，为了提高混凝土的整体强度、减少混凝土的渗透性，应该控制好混凝土原料之间的空隙，降低孔隙率。而由于采用的掺合料不同，它们各粉粒大小也不同，可以更好地适应混凝土原料中间隙大小的不同，所以更能形成较为完整的混凝土模块，降低了各材料微粒之间的间距。

（2）形态效应的复合

掺合料的不同，它本身材料性质也千差万别。如果选择单一的掺合料，那么该掺合料的某一缺陷将会限制该混凝土的整体性能。所以，采用复合掺合料，可以通过各掺合料之间的互补形成性能更加完善的混凝土。例如水泥、矿粉为表面粗糙不光滑的微粒，而粉煤灰则为表面光滑的微粒，它们对混凝土的流动性以及增速性都有着影响。通过一定比例的调配，可以使得这三种掺合料的优势得到充分发挥。

（3）界面效应的复合

在混凝土浇捣过程中，由于从远离骨料到逐渐靠近骨料混凝土的水灰比在逐渐增大，而在这一过渡过程中将会形成一个过渡界面。在这一界面中，由于水灰比的差异，将会致使该处混凝土毛细孔体积大、氢氧化钙晶体集中等现象，从而降低了混凝土的强度，所以该处是整个混凝土最为薄弱的一个部分，容易造成混凝土龟裂的发生，影响了混凝土的强度以及稳定性。所以为了改善这一状况，可以通过掺入矿粉以及粉煤灰等物质，减少界面处的氢氧化钙晶体的集结，并通过尺寸不同的微粒的渗入，减小孔间隙，进而提供该界面处的强度。

（4）火山灰效应的复合。这是一个连锁反应，通过各种材料之间的化学变化而产生符合的胶凝效应。在混凝土中水泥是第一个水化的，通过与水的融合产生了新物质，即CSH和CH。而这些物质又与水泥中的石膏产生了反应，并对掺合物有一定的影响，加速了矿渣以及粉煤灰的水化作用。而其中的矿粉首先析出氧化钙物质，进而促进了粉煤灰颗粒与水泥产生的CSH凝胶，并逐渐把粉煤灰中的铝、硅溶解在混凝土中，增加混凝土中该成分的浓度。而这一个浓度的增加又会反过来促进矿渣的水化过程，不断反复作用，直至掺合物的物质反应完全。

2、确定高性能混凝土原材料之间的配比

传统的混凝土主要有水泥、水、沙以及碎石等四种主要原料组成，而有这四种原料组成的普通混凝土不能满足现在建筑行业的发展要求。所以在这些原料基础上，应该通过掺入复合矿物来提升混凝土的综合性能，而这些复合矿物主要分为矿物外加剂以及化学外加剂两大类。

但是在制造高性能混凝土时应该注意水泥与掺合料的选择。为了提高混凝土的强度、降低混凝土的孔间隙，应该控制构成水泥的矿物细度。同时，要对水泥中的C3A物质的含量进行严格控制，使其含量低于8% 。而水泥中的有害物质，如氧化钙、氧化镁、三氧化硫，应该尽量减少，为混凝土的硬化过程创造良好的环境。不仅仅水泥对混凝土的性质有影响，而且集料的选择也对混凝土的性质也有很大的作用。不同的集料微粒的选择，对混凝土的孔间隙有不同的影响，而这些孔间隙的大小对混凝土的强度起着极为重要的角色。所以，在选择集料的时候，首先注意集料微粒大小的控制，以保证混凝土的均匀性。而集料微粒的表面密度也要在2.65g/cm之上，从源头上提高材料的强度。

除了这些物质选择控制以外，还要注意其他各个物质之间的比例选择，包括水胶比、单位用水量以及砂率。下面将介绍这三种比例在混凝土中的配比以及作用。

（1）水胶比

在水泥、复合矿物掺合料等物质的相互作用下，各个物质之间发生水化的时间顺序是不一样的，对整个混凝土的性能影响也是不一样的。而这个水化过程的发生将会影响混凝土水胶的形成，所以控制水泥、复合矿物掺合料以及用水量的比例，就可以让各种物质得到充分的利用，并且使得水胶效果更加显著。实验表明，水泥是所有物质中第一个发生水化的物质，它完全反应所需要的水量为总水泥量的1/4。但是混凝土中的水不是都用于参加化学反应的，还有一些水会被混凝土中的空隙所吸收，这些水量基本上占总水量的15%。通过实验研究表明，随着水胶比的不断减小，混凝土的强度等级不断提高，而水胶比又与水灰比有关。当水灰比降到0.4或者更低时，水胶比的降低将会直接导致混凝土强度的提高。所以，根据这一系列的研究报告可以看出，严格控制水灰比以及水胶比是提高混凝土性能的一个至关重要的配比关系。

（2）单位用水量

对于传统混凝土而言，水量的控制可以通过坍落度实验以及集料粒径以及类型来界定，并能得到很好地控制。但是现在的高性能混凝土却受到复合矿物掺合料的物理性质的限制，单位用水量的确定有一定的困难。因为在高性能混凝土中一般都加油减水剂，而减水剂的选用会使得坍落度在实验测量上存在一定的难度，准确度不高。所以，加强对单位用水量的控制是对整个水化过程的一个有效监控，可以使得水胶化程度更高。而在实际的控制过程中，用水量一般与混凝土的强度存在反比的关系，因此可以通过混凝土的强度等级来确定用水量的估计范围。

（3）砂率

砂率主要是通过影响混凝土中的孔隙率来对混凝土的整体性能造成影响，并且根据不同的砂率应该采用不同的集料。与传统普通的混凝土相比较而言，高性能混凝土在选择集料时更加偏向于选择粗集料，因为粗集料的微粒粒径更大，所以强度更大。而为了补偿粗集料之间孔隙率，应该向其中掺入复合矿物料。实验表明，当混凝土的砂率降低时，混凝土的强度却在不断提升。但砂率不是越低越好，如果砂率低到一定程度的时候，将会影响到混凝土的流动性能，从而加大混凝土搅拌工作。所以，受各方面的限制，砂率一般都是有经验确定的。

3、小结

高性能混凝土在建筑行业中的运用越来越广泛，城市建设、建筑工程、地下及水下工程、海洋开发与核能工程等，都需要大量的高性能混凝土。特别是非常严酷的暴露环境中，氯离子、硫酸盐或其他侵蚀性介质中，渗透性及化学稳定性成为混凝土的主要技术要求，高性能混凝土在这些领域将获得更广泛的应用。随着现在建筑要求的不断增加，人们开始对建筑材料的性能进行了进一步研究，以求研究出更加完美的高性能材料，而混凝土就是其中之一。混凝土是建筑中最常用的建筑材料之一，对整个建筑的安全性、稳定性以及经济性都有着不可忽视的作用。但是，现在的高性能混凝土仍然还有许多问题需要解决，仍不能真正满足建筑行业的要求。本文只是对现有的高性能混凝土原材料以及配比问题进行了简单的探讨，还有许多需要创新的地方等待着更多的科研人员的研究。

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作者简介：汪淑艳，1970年11月， 籍贯：黑龙江省呼兰县 ，工程师 ，大学本科，研究方向：核电工程项目管理中的设计管理，主要是：电站的工程施工，设计输入、设计接口、设计分析、设计审查、设计变更、设计验证等方面的管理工作。

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