高强与高性能混凝土06收缩综述

收 缩 变 形 综 述P. C. Atcin, A. M. Neville, and P. Acker“收缩”看起来似乎就是混凝土失水造成体积缩小的简单现象。严格地说，它是三维变形，但通常以线性变形表示，因为大多数情况下，混凝土构件一个或两个方向的尺寸往往要比第三个方向小很多，尺寸最大的方向上收缩也最大。通常所谓收缩，是混凝土暴露在相对湿度小于100%的空气中产生“干燥收缩”的简称。然而由于环境的作用，混凝土还会产生许多其它种类的收缩变形，它们彼此独立地发生或者同时出现。文章提出了一些建议，以便尽量减小混凝土，尤其是高性能混凝土，由于收缩带来非常有害的结果。五种收缩类型硬化混凝土发生的干燥收缩是大家所最熟悉的。按照时间顺序来划分，干燥收缩发生之前，即混凝土尚处于塑性状态时产生的收缩是塑性收缩。通常，水分是往大气蒸发的，但也有可能被结构物下面干燥的混凝土或土壤所汲取。其次，硬化混凝土的收缩变形，还由于水泥水化的进行所导致。因为这种收缩发生在混凝土体内，与周围介质不相干，常称之为“自干燥收缩”(self-desiccation shrinkage)。表示该收缩现象的另一个术语是“自身收缩”(autogenous shrinkage)，在这里用该术语是为了与所有有关收缩的称呼相对应，偶尔也称其为“化学收缩”。收缩变形还会自混凝土凝固，即构件体积与重量不再变化时，因温度下降而产生，这里称其为热收缩。此外，水化水泥浆，在有水分存在时，与大气里的二氧化碳反应，要产生碳化收热强度缩。上述各种收缩，或某几种收缩同时产生时，它们的和称为总收缩。为了充分地认识各种收缩的机理，首先要了解水泥的水化及其物理、力学与热力学作用，在此基础上才可能采取适当的方法，以减小各种收缩或者减轻它们造成体积减小的后果。水泥的水化与自身收缩所谓水泥的水化，是硅酸盐水泥与水图1水化“永恒的三角”：强度、热和水化水泥浆体系体积减小发生化学反应时出现几种现象的总称。该反应生成有粘结力与粘附性的固相水化水泥浆混凝土产生强度的基本成分。水化反应放热并使水泥浆体系的体积减小。因此，强度的发展是与水泥浆体系放热和体积减小两者相伴随产生的。图1所示为这种无休止的三角形，以强调这三种相互伴随现象的本质。其中两者放热与水泥浆体系体积的减小可能会有害，然而工程师们已经懂得在混凝土结构中如何去处理。如果一种混凝土材料水化时要膨胀，同时温度降低，工程师的任务无疑要困难得多。虽然“水泥的水化”和水泥的“水化热”这些术语已经通用，但如果不了解硅酸盐水泥是一种多相材料，其组成可在很大的范围内变动，也可能会产生误导。现在硅酸盐水泥常与其他胶凝材料一起使用，情况就更加复杂化。加之，所有这些化学反应都是放热的，一致结果是混凝土温度上升，除非外部能够吸热，形成恒温甚至降温。硅酸盐水泥的组成主要是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硫酸钙也必须加到水泥熟料里，以避免铝酸三钙水化过快。硅酸盐水泥还含有一些微量矿物与不纯物，例如硫酸钾、游离石灰、未反应的二氧化硅和氧化镁，它们的影响不是总可以忽略的。谈到水化，两种硅酸钙很可能生成同样产物：硅酸钙水化物（根据化学计算方法不定或可变的比例，缩写为C-S-H）与氢氧化钙，通常称为氢氧钙石。铝酸三钙，在有硫酸钙和水存在时反应生成钙矾石；当硫酸盐消耗完后，生成亚稳的单硫型硫铝酸盐，最后生成稳定的铝酸盐水化物C3AH6。至于铁铝酸盐，它也与硫酸钙反应，但比铝酸盐缓慢，生成硫铝酸钙与硫铁酸钙，最后产物是C3AH6和C3FH6。混凝土产生的热量和强度发展受几个因素影响，主要是硅酸盐水泥四种主要矿物的比例、水泥比表面积、混凝土初始温度、水化过程中的环境温度和混凝土构件的大小与形状（控制热量向外流动的性质）。由于强度增长与温度上升是受同一参数影响的，因此强度发展可以通过温度的变化来评价，这就是成熟度仪的原理。从图1的循环三角形，向反方向，即温度的发展可依据强度来估计，但这没有什么实用价值。特别需要注意的是混凝土在凝结时的温度对其强度的影响，因为在这时候混凝土体的尺寸大小固定了。由于硅酸钙占硅酸盐水泥的绝大部分，在它们水化时体积的变化显得非常重要。然而，伴随的是整个水化水泥浆体系体积的减小。若体积为C的干水泥粉与体积为W的水反应，水是非蒸发水（即或多或少化学结合了），水化产物体积为P，则P C），这种情况发生在W/C小于约0.38的时候。存在残余的未水化水泥并没有什么不好，实际上它是很好的，只是昂贵一些的“骨料”。因此，当混凝土始终保持湿养护，毛细孔总是充满水，水化就会不间断地进行，从图1可以得知：强度在增长，热量在产生，而水化水泥浆体系的体积在减小。水化、强度与热量现在来看一下水泥水化时伴随发生的另外两个作用：一个是力学作用，即强度的发展；另一个是从热力学的观点出发，产生了热量，就与热收缩相关。强度图2 绝热条件下水泥浆体的抗压强度、温度和体积随时间的变化虽然混凝土强度随时间增长是众所周知的，然而增长的基本原因并没有弄得很清楚。尽管用扫描电子显微镜可以观察到混凝土硬化时的相变，但产生强度的主要产物，即C-S-H，早就知道是成层状的，至今对两种密切相关的硅酸盐水化铝硅酸盐和水化镁硅酸盐仍然没有清楚的认识。而且，对单个C-S-H结晶是怎样联系在一起并赋予水泥浆，并最后赋予混凝土强度的原因也没有搞清楚。重要而且也可以阐述清楚的，是只要在一段时间里产生了强度，就伴随着热的产生、伴随着水化水泥浆体系体积减小。产生热并不一定意味着温度升高，取决混凝土的热力学条件；同样，水化水泥浆体系体积的减小也并不一定导致整体体积收缩，取决于养护条件。如果混凝土试件密封着，并且在绝热条件下养护，那么这段时间里强度变化（增长）、温度变化（上升）和水化水泥浆体系体积变化（减小）都在数量上遵循住着同一条曲线（如图2所示）。热量图3 结构混凝土的温度变化水泥水化总伴随着热量产生，导致混凝土温度上升。但温升大小取决一系列因素，包括水泥用量、水泥品种、骨料的热性质、混凝土浇筑时的温度、环境温度、养护的热力学条件和混凝土构件的尺寸与形状。从热力学角度来看，存在两种极端：恒温养护（即温度恒定）与绝热养护（不与外界发生热交换），实际混凝土是处于这两种极端条件之间的。通常，在一段短时间里温升可以忽略，随后温度上升，或快或慢，或急剧或和缓，最后一段长时间里混凝土的温度逐渐降低，直至与周围温度相等。温度变化如图3所示，它对于选择适当的养护方法，抵消不同类型的收缩会很有用。干燥收缩与自身收缩为了清楚起见，特定义混凝土的表观体积为其外表面下所包容的体积，而不考虑它的内部结构或孔隙；固相体积为固相占据的表观体积部分。在水化水泥浆里，固相由未水化水泥和水化产物，包括凝胶孔（充满水）所组成，但不包括毛细孔在内（无论其充满水或空敞）；在混凝土中，固相还包括骨料（假设其孔隙率为0）。当固体的重量不变时，在水泥不断水化的条件下，所占据的体积是可变的；另一方面，当混凝土受干燥作用时，水化减缓，失水导致表观体积因干缩而减小；表观体积的变化还由于温度变化所引起：混凝土有一热膨胀系数，水泥浆则要比它大得多。图4 不同尺寸混凝土棱柱体暴露在55%相对湿度时的失水（以总拌合水的百分数表示）。在初龄期混凝土中，固相体积的减小可能会伴随表观体积增大，这是当可渗透的混凝土浸没水中，自身收缩伴随着水进入毛细孔产生的膨胀（与干缩相反），对于混凝土它大约在150106，水泥浆还要大得多。产生自身收缩而伴随或没有伴随干缩的情况有重要的实际意义，在本文下面将讨论到，但只要混凝土受到干燥，即使在很早期，也要产生干缩。自身收缩可能同时伴随有干缩，也可能没有，注意它所包含的各种现象很重要。干缩是由于水从已水化水泥浆的毛细孔向外蒸发所造成，毛细孔的一端暴露在空气里，空气的湿度小于毛细孔内的湿度，毛细孔里的水称作自由水。孔径越小的毛细孔维持自由水的力越大，因此失水率趋于减小，如图4所示。从图4可以看出：失水率，以混凝土表观体积的百分数表示，当混凝土构件的表面积与体积之比越小，它也就越小。影响失水率大小的其它因素包括混凝土孔隙率、水化水泥浆的毛细孔特性，如孔径大小、形状及其连续性，如上所述，周围空气的相对湿度也是一个因素。实际上，引人关注的并不是干缩本身，而是由于它会引起开裂。水化了的水泥浆只有当毛细孔张力导致的拉应力超过混凝土的局部抗拉强度，裂缝才会产生。自身收缩也可能以类似方式造成开裂。但是这两种情况是有差别的：自身收缩在混凝土体内各向同性地发展，因为水泥颗粒在空间是均匀地分布的；而干缩只发生在表面，且只有当混凝土暴露在非饱和空气里才会产生。它可能产生于某一表面，也可能是混凝土构件的各个表面。混凝土接近表面的拉应力由内部的压力所平衡，拉应力由于混凝土外部出现开裂或由于徐变而消除。还要简单地提到碳化收缩，它在混凝土暴露于相对湿度30%70%时，只发生于很浅的表面层。在干湿循环交替的情况下，碳化收缩和干缩都可能发生，并且导致开裂，产生微裂纹。本文所讨论的各种收缩现象，在水化水泥浆里都会发生。但在混凝土中，因为有骨料存在，而且它占据大部分体积，又不存在干缩、自身收缩或塑性收缩，而且能阻挡水化水泥浆导致的收缩。只是骨料也产生热收缩，虽然其热胀系数小于水化水泥浆的。骨料对于水化水泥浆收缩的约束很重要：水泥浆由于收缩过大而无法用于结构。换句话说，即使水泥不要钱，而骨料很贵，仍然要用现在的配合比来配制混凝土。还要加上一句话：粗骨料和水化水泥浆的界面存在某种变形的不相容，因此粘接时会出现微裂缝。虽然拌和良好的混凝土中，骨料颗粒分布是均匀的，但在成型完并经抹压的表面层砂浆里，不存在粗骨料颗粒，因此，靠近表面层水化水泥浆的干缩所受约束要小于混凝土体内深层部位，所以与锯开的表面相比，实际表面产生的干缩会较大，裂缝也较多。和普通混凝土相比，HPC的水泥用量高，骨料的最大粒径小，因此湿养护特别有必要，下面将要讨论这个问题。混凝土的总收缩与养护下面来看混凝土中所发生的各种收缩，把总收缩定义为干缩、自身收缩、热收缩之和，包括由于收缩引起的各种裂缝。这些类型收缩是叠加的，它们之间还可能存在交互作用。塑性收缩，从定义上看，它发生在混凝土凝结之前。它的大小与混凝土表面失水多少有关，而失水多少又受温度、湿度和风速影响。然而，不是从失水速率本身预测塑性收缩的大小，因为它还取决新拌混凝土的刚度。主要是当单位面积上的失水超过泌水带到表面的水量，就会发生塑性收缩开裂。对于HPC来说，这尤其是个问题，因为它泌水很少，后面主要谈及这类混凝土。采用适当的方法可以避免塑性收缩裂缝，在适当时间重新抹压混凝土表面，可以使这种裂缝闭合，否则以后由于干燥产生的干缩，会使这些裂缝重新张开，同时也增大了总收缩。采用湿养护，可以延迟自身收缩和干缩的发展，延长养护期有助于避免裂缝扩展。湿养护应在水化一开始就进行，当使用早强水泥时，这一点尤其重要。湿养护应延续足够长时间，以推迟出现过度的自身收缩，直到混凝土抗拉强度足以抵抗开裂。这里不存在矛盾，因为强度的增长是与湿养护持续时间直接相关的。为了消除干缩，没有必要提供水源，让混凝土吸水，只需要避免水从混凝土表面蒸发，因此加盖一层不透水的薄膜就够了。当然，这种增加费用的必要性，也许能，也许不能用防止裂缝出现的结果来得到证明。这最好用耐久性，还可以用地面的美观程度来评定。值得注意的是：水养护还有冷却作用，因此需要与温度时间曲线匹配。图5所示为水养护的时间表。可以看出：为避免塑性收缩，应该用养护膜，喷雾与浸水也可以；在温升期和降温初期，需要水养护，虽然喷雾与浸水也可以，随后应覆盖不透水的薄膜。实际上保证上述措施有效实施是有困难的。因为养护向来没有好好地进行，即使没有完全取消，尽管规范通常都清楚地规定了养护的条款，进行补救的办法就是在合同里写上关于养护的词条，像规范一样规定清楚。当然费用要由业主出，但是耐久性与外观改善的效果要远超出其代价，养护的作用无论如何强调也不过分。图5 对养护的需求图示问题有时出在是否湿养护确实有必要，或者覆盖薄膜就足够了。简单地说：当W/C约大于0.42，拌合物中的水足够供水化充分进行，因此薄膜养护就够了。虽然水化水泥浆体系的体积要减小（如前所述），自身收缩不会很大，因为这时主要只有大毛细孔才会空敞。W/C越大，混凝土越能经受缺乏养护之不足，但是当薄膜失效，就会产生干缩。如果W/C小于0.42，尽管采用薄膜养护，自身收缩仍然存在，而且当薄膜失效了，干缩也开始产生。只有在W/C大于0.5时，薄膜养护才能达到令人满意的效果。由于低W/C的HPC日益广泛使用，湿养护日益显得更加重要。高性能混凝土的收缩 为保证混凝土结构的耐久性，不仅必须选择适当的组分及其配合比，特别是低W/C时，还要适当地加强养护。HPC提供了上述要求的第一方面，但是为了避免收缩带来的一系列问题，这种混凝土特别需要养护，原因如下：首先，HPC泌水很少，泌水率很小，这会导致塑性收缩发展；其次，HPC水泥用量大，因而水化热高，形成很陡的温度梯度，在降温阶段特别有害；第三，HPC水泥用量大、水化迅速，水化水泥浆体系的体积减小显著。然而，这种减小以及相关的自身收缩并不会引起内部开裂，因为形成的毛细孔小，蒸发分压会迅速降低。因为HPC的W/C非常小，用覆盖薄膜避免水分从表面蒸发散失的做法就不够了，供水湿养护更加重要，要求湿养护持续的时间取决具体的环境，使用HPC施工的结构物实例显示出上述必要性。大直径的柱子以112.5m的柱子为例，示于图6。考虑其3个部位的收缩；A为柱子的中心；B在其侧面；C为其顶面。图6 大柱子图示A处不可能发生塑性收缩或干缩（只有在几十年后，才会发展到柱芯），而另一方面，这里的热收缩非常大，因为温升最高，温度梯度也最陡。热收缩大小可以很容易地根据混凝土的物理参数和模板的隔热特性计算出来。自身收缩不容易测算，但根据给出的尺寸，该柱子4d龄期的典型值约为250106；随后的4年里还要增大30106。然而由于迅速地水化伴随混凝土抗拉强度快速地增长，开裂的危险性可以忽略。B处不存在塑性收缩，但拆模后如果不养护，干缩会发展。对于大口径的柱子来说，其大小约为330106；此外，这里还要发生自身收缩与热收缩，虽然热收缩比A处要小。温度梯度的大小取决模板的隔热性能：隔热越好，梯度越小，所以胶合板或隔热钢模板要比普通钢模板好。为了限制B处的自身收缩，模板应该及早松动并开始养护，如果湿养护延续7天，混凝土可达到其长期抗拉强度的3/4。因此，当湿养护停止后，干缩就开始了，但混凝土足以抵抗干缩的作用。如果不进行湿养护，而且养护只限于不拆去模板，虽然不会出现干缩，但是自身收缩会持续地发展。 在C处，早期就会产生干缩与自身收缩。但在这个位置，保证适当养护是容易的，抹完面后就可立即喷养护剂或喷雾，一旦混凝土开始凝固，湿养护就应开始。大梁最小断面至少为500mm的梁属于这种情况，所以温升会十分明显，下面来看三个位置的收缩：A为梁的中心；B在它的底面；C在它的顶面。在A处，情形与柱子的A处类似，但热收缩要比大柱子小。B处可能处在临界状态，因为除了该位置的收缩作用外，梁受到荷载的弯拉作用也使该处产生拉应变，加上该处的模板要保留较长时间（以避免由于自重而产生过大挠曲），所以自身收缩会很大，湿养护要在侧模允许松动后立即开始。在C处，情况与大柱子的C处近似，采用适当方法养护可以避免开裂。小梁这种梁的最小断面尺寸小于500mm，A，B和C部位均与大梁相同。温度的影响一般可以忽略，因此模板的品质不重要。但是在B处，自身收缩可能非常有害，所以要用与大梁相同的方法养护。最严重的问题是干缩，因为小梁的表面/体积比大，蒸发就大，并且继续时间就长。在混凝土表面覆盖不透水膜非常有用。薄板板厚小于300mm，考虑的部位为：A是板的中心；B在它的底面；C在它的顶面。没有热的问题，因为水化热稳定地消散开，三处的温度差别不大。在C处，塑性收缩可能非常严重，干缩和自身收缩可能也挺大。但是适当的养护方法，即类似于大柱子顶部采用的方法可以方便地采用。值得强调的是：适当养护薄板特别容易，养护不够则非常有害。地面板 如果是薄板并且置于潮湿的土地上，其下部在理想的养护条件下硬化，并且不发生干缩。但是板的顶部产生干缩以及自身收缩，顶部与底部的水平应变之差导致边角翘曲，这可以通过加铺排水的垫层或放置不透水的薄膜，以避免水被板下面的混凝土或土吸走。厚板，即厚度超过500mm的板，板顶及底面会出现大的温度梯度，底面产生的高温导致靠近底面混凝土的水化比上面的快，结果板的下部强度要高些。混凝土的徐变系数因此而减小，因此冷却期的热应力不能很好地释放，可能会产生裂缝。为此，应采用低热硅酸盐水泥与其他胶凝材料降低水化放热速率，用冷水、冰或者预冷骨料冷却新拌混凝土特别有效，热天在环境温度最低的时段浇筑混凝土也是有利的，有时冷却垫层也有用。上述实例表明HPC收缩问题的本质，还提出了适当的方法，一般说来，它也适用于普通混凝土的情况。结论希望通过对不同类型的收缩和不同环境下收缩发展的认识，有利于采用适当方法尽量减小收缩的危害。过去通常用大W/C的混凝土，没有进行湿养护造成严重后果的，只有在湿度与温度很不利的条件下才出现；然而，随着HPC的应用增加，其自身收缩大，因而控制总收缩已成为十分重要的问题。Integrated View of Shrinkage Deformation 译自 Concrete International, Sept,1997;高性能混凝土综述Adam Neville Pierre-Claude Aitcin摘要：可以说高性能混凝土虽然常含有粉煤灰、磨细矿渣、硅粉和高效减水剂，但它与过去使用的混凝土并没有本质差别。探讨了使用硅粉的代价。高性能混凝土胶凝材料用量较高，水灰比较低，最大骨料粒径较小；也采用普通水泥，但必须与高效减水剂相容性好；讨论了引起不相容的原因。探讨了高性能混凝土的独特收缩特性与绝对需要湿养护的原因。述及高性能混凝土的一些应用，并对高性能混凝土和普通混凝土的未来进行预测。1 引言在过去的几年中，高性能混凝土及其缩写HPC一词变得非常时髦。但其准确的含义是什么呢？高性能混凝土是一种与混凝土真正不同的材料吗？或者它只适合于特殊场合的混凝土？本文的目的就是在一广泛的范围里探讨高性能混凝土，使之成为我们能正确、全面理解的材料。尽管许多混凝土和混凝土结构工程欢迎这种材料，并对其应用较满意；事实上在过去的半个世纪中并没有发生革命性变化。现在，我们确实使用各种外加剂，包括引气剂，并且拓宽了混凝土拌和物所用胶凝材料的范围，然而并没有发生像电讯甚至汽车那样的革命性变化。本文不打算进行历史回顾或评论，只涉及高性能混凝土在混凝土领域出现以后，即认识了解过去15年左右混凝土领域出现的新概念，并可以假定正是这些新概念促成了高性能混凝土的诞生。2 什么是高性能混凝土？让我们从定义高性能混凝土开始。可以说高性能混凝土一词是不恰当的，因为听起来像为一种新产品作广告。然而从许多方面来说，高性能混凝土与我们长期以来使用的混凝土并没有本质差别，因为它不含任何新组份，现场应用也不采用新工艺。实际上；高性能混凝土是在过去15年中逐步演变的，主要是生产强度越来越高的混凝土：80、90、100、120PMa，甚至更高的强度。如今，在世界的一些地方，140MPa强度的混凝土可以日常进行生产。但是，高性能混凝土与高强混凝土不同，其重点从非常高的强度转向在特定环境条件下所需要的其它性能，包括高弹性模量、低渗透性和抵抗某些种类劣化的性能。那么，高性能混凝土与常规混凝土的差别是什么？我们已经说过两种混凝土的组份是一样的，这不完全正确。首先，高性能混凝土常常含有硅粉，而普通混凝土往往没有。其次，高性能混凝土虽不一定，但通常都含有粉煤灰或磨细矿渣，或同时含有这两种材料。骨料必须仔细选用，最大粒径小于普通混凝土使用的骨料：对于高性能混凝土，骨料最大粒径一般在1014mm。这有两个原因，其一：最大粒径较小，则骨料-水泥浆界面应力差也较小，应力差可能会引起微裂缝；其二：较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高，因为岩石破碎时消除了控制强度的最大裂隙。材料组份的另一特点是：低水灰比和含有硅粉的混凝土拌和物必须使用高效减水剂, 不仅要使用高效减水剂，高效减水剂与所使用的水泥之间相容性还必须好。相容性问题将在本文后面讨论，在此就波特兰水泥市场营销的关键问题进行评述。水泥生产商无疑具备丰富的关于水泥的知识，但是他们中的一部分人对混凝土生产商和工程承包商的需要了解较少。他们认为波特兰水泥是一种优良的产品，始终符合国家标准的要求，用户不必深究水泥详细的物理化学性能。允许的例外仅仅是ASTM水泥类型分类或欧洲标准强度划分以及其它较笼统的特性，如高早强、低水化热或低碱。例如，过去在英国水泥的价格是固定的，水泥生产商非常不愿意用户从某个特定水泥厂选购产品。其营销态度为：我们所有的普通水泥都一样地好。甚至今天在许多国家，日常水泥供应还不能保证持续来自同一个厂和同一种生产配料。唯一例外的是对于大型工程进行大规模供货，才可能进行谈判。当然，从商务角度这种态度是可以理解的。但是，随着市场环境发生的变化，态度也在转变。然而，许多水泥生产商仍然对混凝土用户的特殊需求态度冷漠。必须承认：提及外加剂时已不再听到这样的回答：最好的外加剂是更多的水泥！无论如何，许多水泥生产商的冷漠态度不会对生产高性能混凝土有所帮助。混凝土生产商从一处购买水泥，从另一处购买高效减水剂，两种材料的联姻可能会非常不愉快。3高性能混凝土的配合比 给出高性能混凝土的典型配合比概念也许非常有用。一般常采用型水泥（按ASTM分类）；如需要高早期，则可采用型水泥。前面已说到，拌和物中含有其它胶凝材料。胶凝材料总量非常高：400至550kg/m3。如使用硅粉，其掺量为胶凝材料总重的5-15%，典型掺量为10%。高效减水剂的加入量为每立方混凝土515升。实际加入量决定于液体高效减水剂中活性固体含量与水泥的反应活性，该活性受C3A含量与其多晶形式、硫酸碱含量以及其它因素控制。加入量应使每立方混凝土的加水量降低4575升。水胶比通常在0.350.25，但也曾采用过0.22的低值。在实际应用中，配合比是变化的，取决于各种组份的性质和所要求的混凝土性能。过去使用的一些配比详见表1，拌和物各组份的性能讨论如下： 表1 一些高性能混凝土的配合比原材料（kg/m3）配 合 比ABCDEFGHI波特兰水泥5345003315513163228425450460硅粉4030364354464045(C+MS)粉煤灰59磨细矿渣细骨料623700745685730800755736780粗骨料10691101130108011001110104511181080总水量139143150139136138175*143138水胶比0.220.270.310.250.250.300.380.290.30坍落度mm255200220230230110各龄期圆柱体试件强度（Mpa）1d131935362d657d679172626828d93833119114105951118356d12491d1079314512612110589365d136126配合比的来源：(A)美国；(B)加拿大；(C)加拿大；(D)美国；(E)加拿大；(F) 加拿大；(G)摩洛哥；(H)法国；(I) 加拿大。*高用水量属摩洛哥环境温度高的特殊情况。 如前所述，粗骨料最大粒径不应太大，多采用碎石。骨料还必须具备一系列特性：强度高；绝对洁净，即没有粘土或粉尘粘附；不含活性硅；形状为各向尺寸均等，即不是针片状。细骨料一般较粗，细度模数为2.73.O。需要记住：为使拌和物中细颗粒被良好地包裹，水泥用量增加，则细骨料应更粗。 再来考虑拌和物中含有粉煤灰和矿渣的情况。首先这些材料一般比波特兰水泥价格低； 其次这些材料的水化或化学反应速率迟于波特兰水泥，因此其水化放热更缓慢，意味着混凝土非常早期的温升小。温峰稍微降低很重要，因为对于高水泥用量的高性能混凝土在大断面中心的温升可达50 甚至更多。当然，关键的不是温峰，而是在一般温度环境中混凝土构件中心与表面之间的温度梯度。有学者认为：如果温度梯度不超过每米20，就不会在冷却时引起热裂缝。 采用粉煤灰或矿渣的另一个原因与新拌混凝土的坍落度损失有关。因为这些材料在初始的几小时参与反应非常少，不会导致坍落度损失，相应需要使用高效减水剂的剂量降低。换句话说，保证达到合适工作性所需要高效减水剂的剂量主要取决于波特兰水泥。另一方面，与胶凝材料全部是波特兰水泥的拌合物相比，含粉煤灰或矿渣较多时早期，如1224h的强度较低，但可以通过降低水胶比的方法得到补偿。在决定使用这些材料之前，结构设计者应建立起在各龄期所需强度的概念，并应熟悉混凝土工艺。 全面衡量是否使用高效减水剂非常重要，因为它是拌和物中昂贵的组份，但常常是必须采用的组分。硅粉同样非常贵，在许多国家，1kg硅粉价格等于 10kg波特兰水泥，因此来探讨是否需要用硅粉的问题。决定是否使用硅粉受经验所导向3：没有硅粉的拌和物在28d也能达到90MPa的抗压强度，尽管比较困难；但需要获得更高强度时，则拌和物中必须含有硅粉。如前所述，最佳硅粉用量是水泥重量的10%。也就是说：如果我们是生产100MPa，而不是90MPa混凝土，则必须使用硅粉。因为硅粉的价格比水泥高10倍，在拌和物中掺加10硅粉，会使胶凝材料的成本提高一倍，因此混凝土的价格会有较大幅度上升。 然而，我们应该铭记使用硅粉的好处。它不仅是高火山灰活性的材料，同时是非常微细的粉料，其颗粒比水泥颗粒小 100倍。硅粉颗粒紧密地包裹骨料表面，并填充在水泥颗粒之间，因此大幅度改善填充效果。一般规律是这样的：如果硅粉太少，如少于5，则（填充）效果不是非常好；如果硅粉太多，如多于15%，则水泥颗粒之间没有足够空间容纳所有硅粉，一部分硅粉就浪费了，浪费昂贵材料属不良工艺技术。 由于硅粉的超细颗粒减小了骨科表面处孔隙的尺寸和体积，界面区（也称作过渡区）的性能包括微裂缝和渗透性得到改善；骨料与水泥浆体的粘结强度提高，因此骨料能更好地参与应力传递4。 我们在谈论高性能混凝土的配合比时不能不考虑水灰比。实际上，水灰比一词有双重含义。我们认识到水灰比是强度的控制因素已有80年，因为初始由水所占据空间的体积，决定了硬化混凝土中固体材料的总体积。一般来说，固相材料占据的体积越大，抗压强度越高5。高性能混凝土与普通混凝土一样，28d强度与水胶比关系密切，28d时矿渣已反应至相当程度，粉煤灰反应的程度低一些。此外，粉煤灰反应的程度受养护好坏影响敏感。 但是，在24h或23d的情况如何呢？粉煤灰仍然占据其初始干粉形态时的体积，矿渣也基本上占据其干粉形态的体积。因此，与初龄期强度相关的比率就近似为水与水泥重量之比，它要比用水量与胶凝材料总重量比（水胶比）大得多。这就是为什么在加水量一定的情况下，含有粉煤灰和矿渣拌和物的早期强度较低。上述规律不仅适用于高性能混凝土，也适用于所有混凝土。4 波特兰水泥与高效减水剂的相容性 本文开始就说到：高性能混凝土不需要特殊水泥，常用型波特兰水泥；问题是水泥与高效减水剂必须相互适应，即两种材料之间的相容性良好。这需要花一些篇幅进行解释。 首先，我们要解释高效减水剂使混凝土具有高工作性的作用机理。高效减水剂为长链分子，将自身缠绕在水泥颗粒上，并使水泥颗粒带上较高的负电荷，因此水泥颗粒相互排斥；其结果是分开水泥团粒从而良好地分散，而拌和物则达到较高的工作性。水化水泥浆的基本结构未受影响，但是高效减水剂与波特兰水泥中铝酸三钙（C3A）相互作用我们不应忘记C3A 是水泥最早水化的组份，其反应受波特兰水泥生产中加入的石膏控制。 所以我们所面临的情况是：高效减水剂与石膏两者均能与C3A 反应。为达到合适的工作性，在搅拌过程需要一定量的高效减水剂，关键在于：不能所有的高效减水剂都被C3A所束缚。如果石膏不能及时释放硫酸根离子与C3A 反应，则这种束缚作用就会发生。当硫酸根离子被释放的速率太慢，就称作该波特兰水泥与高效减水剂不相容。 实际上，起决定性作用的因素是波特兰水泥中石膏的溶解性。石膏一词用来描述波特兰水泥中的硫酸钙，但硫酸钙以多种形式存在，决定于水泥生产时所采用的原材料。石膏有二水、半水和无水硫酸钙不同形态；每一种的溶解速率都不同，并且无水石膏的溶解性与其结构和来源有关，实际情况还要复杂得多。水泥的国家标准一般规定粉状成品水泥的最大SO3含量，ASTM C 15094标准规定：随C3A含量不同，I型水泥的SO3含量不得超过3.0%或3.5%。 这里核心的问题是：ASTM标准所限制的不是熟料粉磨时加入的石膏，而是水泥中总SO3含量。现在，水泥中SO3往往来源于其它地方，用于水泥煅烧的煤或油也含硫。生产水泥采用廉价的煤或重油、焦油，这些廉价燃料一般含硫量均较高。其结果是：燃料所含的硫与易挥发的碱性氧化物在窑中反应形成硫酸碱，这种硫酸盐是非常易溶解的。 如上所述，两种波特兰水泥的总硫酸盐含量相同时，硫酸盐随其来源不同，早期可与C3A反应的硫酸盐则会有多有少。如果能反应的可溶性硫酸盐太少，则会以高效减水剂被C3A束缚的形式进行，高效减水剂也就无法改善拌和物的工作性。这就是为什么有些高效减水剂常常在搅拌开始以后才添加，但是这样做不仅使搅拌过程复杂化，也不足以使问题得到解决。 相容性的问题已得到解决，因为已经认识到：每种波特兰水泥都存在一最佳可溶碱 （以硫酸碱形式存在）含量，能够保证与特定高效减水剂的相容性。我们期望目前这种运作方式，即采购水泥作为一种材料，再采购高效减水剂作为另一种完全独立的材料会很快结束；以相互匹配的水泥与高效减水剂供应市场，在使用前不必进行费工费时的检验。 前面所述的不相容问题普通混凝土也同样存在，但高性能混凝土中更加严重。这里有两个原因，其一：它的水灰比非常低，因此可容纳硫酸根离子的水分少；其二：每方混凝土的水泥用量非常高，相应C3A总量大，其反应必须受到控制才能保证所需的工作性。 应该指出的重要一点是：水泥在大水灰比时的行为不足以说明其在低水灰比时的行为。因此，大多数标准试验都不能保证水泥在高性能混凝土中具有满意的性能，故需要专门进行相容性试验。相容性试验也用于评价水灰比为0.35或更低（高性能混凝土）的行为。 5 高性能混凝土的收缩和养护 混凝土可能产生几种类型的减缩，一般归结为不同形式收缩6，这里我们只考虑高性能混凝土。首先，混凝土在塑性状态就出现减缩，塑性收缩的大小取决混凝土暴露表面的水分损失量。如果单位面积损失的水量超过泌水迁移到表面的水量，就可能产生塑性开裂。高性能混凝土的用水量非常少，相应产生毛细孔非常少，实际上基本没有泌水。这会导致塑性收缩裂缝产生，除非混凝土表面的水分损失受到抑制。因此，高性能混凝土需要尽可能早地进行湿养护。 其次为大家所熟知的硬化混凝土干燥收缩，简称干缩。干缩是由于外部混凝土水分蒸发损失引起的。高性能混凝土的干缩很小，部分原因是其毛细孔非常小，但也还有其它原因。其中主要的原因是：由于自干燥作用，大部分水分已离开毛细孔，引起自生收缩，即第三种类型的收缩。自生收缩是水泥不断水化的结果，不仅限于靠近表面处。水灰比低时，相应的毛细孔数量和尺寸均较小，这种收缩加剧。硅粉早期水化迅速，快速消耗水分，因此加剧自干燥作用。 对于高性能混凝土，自生收缩的一个主要后果是在混凝土内部产生微裂缝可以也必须采用湿养护来防止微裂缝产生。尽管常常并未按照规范操作，但都知道混凝土的养护非常重要，水灰比越低养护也就越重要。对于高性能混凝土，尽早进行湿养护是绝对必要的，并应持续至水化水泥浆体达到足够高的抗拉强度，能够抵抗内部微裂缝产生。 需要强调指出：对于高性能混凝土，覆盖薄膜的养护方式不能满足要求，它只能避免水分散失。当水灰比于0.42时，这种养护方式是可行的，因为拌和物中的水量足够（水泥）完全水化；然而高性能混凝土的水灰比非常低，从外部得到水分补充就非常必要。应当承认，在一些情况下立即喷雾或泡水方式养护混凝土也不切实际，可以暂时采用薄膜覆盖，最多几小时，或采用保水的新型外加剂，防止塑性收缩裂缝产生。在水化达到相当程度后，若要使外部水分进入混凝土可覆盖预湿的麻袋或织物，再用塑料薄膜覆盖，在薄膜下面装设扎孔的（喷水）软管，保持麻袋始终湿润。 高性能混凝土中水泥水化迅速，如果有水分持续供应，水化能够不间断地进行，则毛细孔中不会有凹液面，也不会出现自生收缩，至少在靠近外部水源的地方，即混凝土构件暴露面不会有自生收缩。因此，有了真正良好的养护，实际上就不存在自生收缩和干缩。当然，如果后期混凝土表面受到干燥作用，还会出现干缩，但此时混凝土的抗拉强度已足够高，不会出现收缩裂缝。值得指出的是：收缩本身并无大碍，关键的问题是收缩裂缝。 本文花费较多篇幅来谈论养护，然而这是非常值得的：高性能混凝土的成功应用是以重视简单的养护要求为前提的。采用优良的材料而最后获得不良产品是绝对的失败。6何时采用高性能混凝土 我们在本文开始曾说过：高性能混凝土与普通混凝土没有本质的差别，但每一种混凝土都有它适用的目的。具体的需求是变化的。 最早的需求是高强混凝土。要求强度可能是要早点达到，以便结构物尽快投入使用。但是，更多地是针对28d或更长龄期。一般要求高强度的多为受压构件，因为这样可使柱子的断面尺寸较小，从而减小自重和基础承受的荷载。另外，高强度柱子占据水平面积减小，相应使高使用价值的楼面面积增加。对于受弯构件，高强度的好处较难得到。原因之一是梁在受拉区的裂缝问题，因为抗拉强度不随抗压强度等比例增长；另一困难在于目前设计规范的限制，但可能在不久的将来限制会取消。 需要高强混凝土也可能不是为强度，而是因为它一般具有较大的弹性模量，这对于结构构件变形意义重大。 高性能混凝土一个特别重要的应用是保证混凝土非常低的渗透性在非常严酷的暴露环境中，氯离子、硫酸盐或其它侵蚀性介质可能进入混凝土，抗渗透性就非常关键。这样的环境条件存在于世界的许多地区，混凝土的快速劣化也很常见。 现在我们就混凝土劣化进行评述。多数情况下导致破坏的两个条件是水分迁移和温度变化。归结为水分迁移的道理是：如果混凝土构件整个浸到没有空气的水中，甚至海水里，受到的损伤会非常小。另一方面，快速湿润和长时间干燥的变换则非常有害。周期性的温度变化危害也很大。它们两者的叠加，即反复的干湿循环与经常的温度变化相组合最容易导致严重的损伤。高性能混凝土，因为渗透性非常小，能够保证暴露于恶劣环境中的结构达到长寿命 必须强调指出：耐久性不仅是在极端条件下暴露才出现问题。空气中的二氧化碳，在城市中含量较高。二氧化碳引起混凝土保护层的碳化会破坏钢筋的钝化膜，从而导致其锈蚀。土壤中有时存在侵蚀性的盐类。混凝土表面也可能受到磨蚀。 混凝土有时暴露于反复的冻融循环条件下。初期的自干燥作用意味着这种混凝土内部的游离水分非常少，因此一般不会形成有破坏作用的冰7。 然而，我们必须承认：在某些情况下，高性能混凝土的渗透性非常低并不是优点例如发生火灾时，它的温度会迅速升高；因为渗透性非常小，混凝土内部的水分不能及时逸出，形成的水蒸汽压力可能引起水泥浆爆裂和混凝土剥落。 非常重要的一点是：我们不应仅仅关心混凝土的强度，要同时关心混凝土的耐久性：只有耐久的混凝土才能称之为高性能混凝土，或称为高质量混凝土。7 高性能混凝土的启示 与我们的议题相一致，高性能混凝土并不是与我们称之为优质普通混凝土有显著差别的另一类混凝土。对于后者，一些评论认为：从世界范围来看，许多现在的混凝土还不够优质，甚至还没有以往的好。我们并不缺成功生产混凝土的知识，也无需求助任何新研究成果来得到优质混凝土。劣质混凝土通常都能追溯到糟糕的工艺和施工操作。我们相信：高性能混凝土的应用能够教会我们生产高质量的普通混凝土。举如下两个例子： 前面我们曾再三强调良好养护的重要性，并清楚地