郭躍鋒（福建廈門固德建材有限公司，福建 廈門361100）

提高工程結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度是當(dāng)前國內(nèi)外普遍重視的一個課題，既是混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，也是節(jié)省能源和降低施工成本的重要經(jīng)濟(jì)措施之一。隨著建筑結(jié)構(gòu)向大跨徑、高層、地下、重型化的發(fā)展，為縮小結(jié)構(gòu)斷面，減輕結(jié)構(gòu)自重，對混凝土提出了高強(qiáng)化的要求。而且采用高強(qiáng)混凝土具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 高性能混凝土的現(xiàn)狀

近20年來，高強(qiáng)混凝土在高層建筑、橋梁工程、海洋平臺等各個土木工程領(lǐng)域，得到了日益廣泛的應(yīng)用。繼1979年在美國芝加哥召開了國際“高強(qiáng)混凝土專題討論會”后，又在1987年和1990年先后在挪威stavangar和美國Berkeley召開了兩次“高強(qiáng)混凝土應(yīng)用”國際學(xué)術(shù)討論會，美國混凝土學(xué)會(L.AmericanConcreteInstitut)第363委員會曾就高強(qiáng)混凝土問題進(jìn)行討論[1]。

高性能混凝土[2]的概念最初由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)與美國混凝土協(xié)會(ACI)于1990年提出，他們認(rèn)為高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，其基本要求是混凝土應(yīng)具有良好的耐久性、工作性和強(qiáng)度。其特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)，吳中偉教授最早提到并指出它的意義，當(dāng)時稱之為高功能混凝土。ACI于1998年對高性能混凝土給出了正式定義：高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土。

高強(qiáng)混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，在組分中引入高效減水劑、礦物摻合料如硅灰、超細(xì)礦渣微粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等配置的高強(qiáng)混凝土，結(jié)構(gòu)致密堅硬，具有良好力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性能和耐久性能，能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、重載、高聳、長壽命及惡劣環(huán)境方向發(fā)展的需要。近年來.高強(qiáng)混凝土的科技研究取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)在各類混凝土工程，特別是大型重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 高性能混凝土實(shí)現(xiàn)的途徑

高強(qiáng)混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，在組分中引入高效減水劑、礦物摻合料如硅灰、超細(xì)礦渣微粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等配置的高強(qiáng)混凝土，結(jié)構(gòu)致密堅硬，具有良好力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性能和耐久性能，能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、重載、高聳、長壽命及惡劣環(huán)境方向發(fā)展的需要[3]。近年來.高強(qiáng)混凝土的科技研究取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)在各類混凝土工程，特別是大型重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

制備高性能混凝土的途徑主要有以下幾種：1）硅酸鹽水泥+活性礦物摻和料+高效減水劑；2）磨細(xì)礦渣+堿組分；3）硅酸鹽水泥+高效減水劑+磨細(xì)砂+蒸壓養(yǎng)護(hù)；4）優(yōu)質(zhì)石灰+高效減水劑+磨細(xì)砂+蒸壓養(yǎng)護(hù)。不少研究者對礦物摻合料的作用效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究工作，如沈旦申等人把粉煤灰顆粒的作用效應(yīng)分為形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)以及微集料效應(yīng)三種[4]。近年來，學(xué)者們通過理論分析和試驗(yàn)研究，著重探索了礦物摻合料在水泥基材料體系中的密實(shí)填充效應(yīng)及其影響規(guī)律，分析了不同礦物摻合料之間及礦物摻合料與超塑化劑之間的疊加效應(yīng)[5][6]，然而，己有的研究成果主要針對于水膠比相對較高的傳統(tǒng)混凝土體系，礦物摻合料在低水膠比混凝土和蒸壓混凝土體系中作用效應(yīng)的研究成果相對較少[7]。從礦物摻合料本身的物理、化學(xué)性質(zhì)出發(fā)可以認(rèn)為，水泥基膠凝材料組分及其水化硬化環(huán)境條件的變化（蒸壓條件），必然會使礦物摻合料作用效應(yīng)產(chǎn)生變化。

3 高強(qiáng)混凝土的性能

3.1 抗壓強(qiáng)度

與中、低強(qiáng)度混凝土相比，高強(qiáng)混凝土中孔隙較少，水泥漿強(qiáng)度、骨料強(qiáng)度、水泥漿與骨料間的界面強(qiáng)度三者之間的差異也較小，因此更接近于勻質(zhì)材料，其抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比有較大差異。在應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度的75%～90%以前，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性關(guān)系，為彈性工作。而在低強(qiáng)度混凝土中，彈性工作階段的上限僅為抗壓強(qiáng)度的40%～50%。達(dá)到抗壓強(qiáng)度后，高強(qiáng)混凝土表現(xiàn)出很大的脆性，且強(qiáng)度愈高，脆性愈強(qiáng)。

3.2 裂縫發(fā)展

從裂縫發(fā)展來看，普通混凝土受力后，在抗壓強(qiáng)度30%時出現(xiàn)微裂縫，首先沿著水泥漿與骨科間的界面發(fā)展，隨后在水泥漿中也出現(xiàn)，這些裂縫逐漸增多并逐漸連接后，最后導(dǎo)致混凝土破壞，破壞面通過水泥漿及其骨料間的界面，破壞面粗造而凹凸不平。而高強(qiáng)混凝土則與此不同，在抗壓強(qiáng)度65%以前，幾乎不發(fā)生微裂縫。甚至在90%的抗壓強(qiáng)度下，多數(shù)微裂縫還是孤立的裂縫，一旦裂縫連接則迅速破壞，破壞面比較光滑，穿過石子和水泥漿，而不是繞著骨料表面。

3.3 抗拉與抗折強(qiáng)度

混凝土的抗拉強(qiáng)度雖然隨著抗壓強(qiáng)度的提高而提高，但它們之間的比值卻隨著強(qiáng)度增加而降低[8]。盡管抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨混凝土強(qiáng)度提高而降低，但彎折強(qiáng)度與軸拉強(qiáng)度的比值在各種強(qiáng)度混凝土中卻基本不變。美國ACI的報告也認(rèn)為彎折強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度的比值對高強(qiáng)或普通強(qiáng)度混凝土都一樣，約為1.4～1.6。低強(qiáng)度混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的10%，高強(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的5%。碎石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度約比同強(qiáng)度卵石混凝土大8%，劈裂抗拉強(qiáng)度約等于抗折強(qiáng)度的70%。

3.4 干縮與徐變

現(xiàn)在比較普遍的看法是高強(qiáng)混凝土的初期收縮較大，但最終收縮量與普通混凝土大體相同。這與高強(qiáng)混凝土水泥用量大、水灰比小、骨料硬度高有關(guān)。如用活性礦物摻和料代替部分水泥，則會減少高強(qiáng)混凝土的收縮。

3.5 耐久性

混凝土的耐久性包括抗?jié)B、抗凍融、抗磨以及對鹽類和化學(xué)物質(zhì)的抗侵蝕能力。高強(qiáng)混凝土由于材料致密堅硬，這些性能均優(yōu)于普通混凝土。尤其是外加混合礦物質(zhì)材料后的高強(qiáng)混凝土，其耐久性進(jìn)一步加強(qiáng)。所以露天的、遭海水侵蝕的、受高速流體沖刷的或易遭碰撞的工程構(gòu)筑物，均宜采用高強(qiáng)混凝土。尤其是基礎(chǔ)設(shè)施工程，有的需要100～120年的使用壽命，所以常選用高強(qiáng)混凝土作為結(jié)構(gòu)材料。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 原材料

砂：河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。水泥：海螺水泥廠生產(chǎn)的熟料摻加6%石膏，磨細(xì)獲得，細(xì)度為345m2/kg。砂粉：河沙通過球磨機(jī)磨細(xì)，比表面積為400m2/kg。粉煤灰：某熱電廠粉煤灰，細(xì)度為320m2/kg。減水劑：HL-8000聚羧酸鹽高效減水劑，減水率為28%。硅灰石：采用廣東某廠生產(chǎn)的商品硅灰石。

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選的配合比為漿集比0.30：0.68，砂粉30%，水膠比0.28，砂率38%。井蓋配合比，20%硅灰石，減水劑摻量1% 。

4.2 井蓋的制作

根據(jù)經(jīng)過優(yōu)化的配合比制作井蓋，選定混凝土井蓋試件的直徑為500mm，厚度為57 mm。鋼筋呈網(wǎng)狀布置（如圖1），距試件底面15mm，側(cè)面保護(hù)層厚度為20mm。混凝土澆筑成型后置20OC環(huán)境下24小時拆模，拆模后放入蒸壓釜蒸壓，蒸壓制度為升溫1.5h-恒溫6h-降溫0.5 h，恒溫飽和蒸汽壓為1.1MPa。

圖1 蒸壓混凝土井蓋鋼筋布置

圖2 蒸壓混凝土井蓋試件背面

4.3 試驗(yàn)方案及內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)參考中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 889—2001鋼纖維混凝土井蓋的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)以一個直徑356 mm，厚度 40 mm的圓形鋼板作為承載板，模擬車輪荷載的加載方式時，需要在圓形鋼承載板下加一塊與承載板直徑相同厚度6mm的圓形橡膠墊，使加載板與試件保證良好接觸，并且使應(yīng)力均勻分布，如圖3。

圖3 蒸壓混凝土井蓋壓力加載試驗(yàn)

圖4 三種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

井蓋采用周邊簡支，環(huán)形鋼圈支撐厚40mm。井蓋自重25.5 Kg，圓形鋼承載板重29Kg,方形墊塊重25.9Kg，千斤頂重22 Kg，傳感器重6.7Kg，即井蓋初始靜壓力為109.1Kg。井蓋實(shí)際承載力為施加凈荷載和初始荷載之和。

加載時每級荷載為5kN，穩(wěn)定時間為5～l0min，用YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測量應(yīng)變，用百分表測量撓度，并觀察與描畫板底裂縫，并測讀其寬度。破壞準(zhǔn)則以試件底面裂縫寬度達(dá)到0.2mm時的荷載值為裂縫荷載值，以荷載不能再增加，而應(yīng)變繼續(xù)增長時的前一級荷載為破壞荷載。

為更明確蒸壓混凝土井蓋的性能，分別測得普通混凝土、低水膠比混凝土（按本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化所得配合比配制，但未做蒸壓處理）、蒸壓混凝土的應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖可知，混凝土經(jīng)蒸壓處理后的彈性模量明顯高于未蒸壓混凝土的彈性模量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)所測普通混凝土彈性模量為2.41×104MPa，低水膠比混凝土彈性模量為3.63×104MPa，蒸壓混凝土彈性模量為4.42×104MPa。蒸壓處理可以明顯提高混凝土的彈性模量，減小構(gòu)件的變形量。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蓋板初裂荷載為55KN，最大裂縫達(dá)到0.2mm時的荷載為120KN，極限荷載為200KN。

根據(jù)我們的觀察,蓋板從加載開始到完全破壞可分為四個階段。第一階段為線性階段,這一階段為開始加載至初裂縫出現(xiàn)之前,特征是試件未出現(xiàn)裂縫,而撓度與荷載基本上呈線性關(guān)系。第二階段為初裂階段,第一條裂縫常在蓋板底部中心附近(而不是正中心)產(chǎn)生。然后隨著荷載的繼續(xù)增加,在板的中心區(qū)域接連出現(xiàn)3～4條裂縫。由于鋼筋的抗裂作用,這些裂縫均較細(xì)短,發(fā)展緩慢,表現(xiàn)出良好的彈塑性變形特性。拉應(yīng)力過渡到主要由鋼筋承受,而裂縫的分布形態(tài)逐漸呈現(xiàn)一定的規(guī)律,即中心區(qū)為縱橫交錯的裂縫,中心區(qū)的范圍指的是比板面受載面積略大的接近圓形的區(qū)域,沿中心區(qū)的外圍裂縫逐漸圍合,形成一閉合的曲線,中心區(qū)外的部分則以輻射狀的徑向裂縫為主。第二、三階段的分界大約是裂縫的最大寬度達(dá)到0115mm左右,此后隨著荷載的增加,中心區(qū)的圍合裂縫急劇擴(kuò)展,以至完全圍合,且裂縫寬度也急劇增大,最后導(dǎo)致沖切破壞,這是試驗(yàn)的第四階段,即破壞階段。最后荷載即為極限荷載。由試驗(yàn)結(jié)果可知,此種井蓋板的極限荷載與同直徑普通混凝土的相比大幅度提高,這是因?yàn)榕渲玫母邚?qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度高得多。

5 結(jié)論與建議

高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高變形小,在相同荷載條件下,可減少截面尺寸,降低結(jié)構(gòu)自重,增加使用面積,降低工程造價等優(yōu)點(diǎn)。施工過程中,對各種原材料、外加劑的使用、水灰比的控制以及質(zhì)量管理制度等都有非常嚴(yán)格的要求。

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的結(jié)果說明本項(xiàng)目研究配制的低水膠比混凝土的強(qiáng)度較高，用該配合比研制的蓋板已完全滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計的承載力要求與正常使用要求。井蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化需進(jìn)一步研究。

（略）